摘自：电工电气 2018第4期

停送交直流电源对继电保护设备设计的影响分析

杨奇：京能集团山西漳山发电有限责任公司

停送交直流电源对继电保护设备设计的影响分析

 摘 要：基于断开直流分屏电源导致开关误分合及电压互感器二次空开送电导致低电压保护误动的两起事故案例，分析了含有电容、电感等储能元器件回路的电压变化过程。提出了电源监视继电器、中间继电器、分合闸线圈设计选型，并给出了保护动作逻辑判据在电压变化过程中的注意事项，为避免类似事故的发生提供了参考。

1引言

2016年12月25日13时许，某火电厂停运#1机组110V直流I段母线进行交流串入检测改造，在将脱硫段直流分屏电源由直流I段母线切至II段母线时，脱硫动力中心(以下简称PC)段联络刀闸跳闸，脱硫保安电动机控制中心(以下简称MCC)段备用进线开关合闸。脱硫PC段、MCC段及直流电源接线关系如图1：脱硫PCA段与PCB段经联络开关及联络刀闸相连，PCA段、B段由联络开关实现备自投。脱硫保安MCC工作进线电源取自脱硫PCA段，备用进线电源取自柴油发电机出口，工作进线开关、备用进线开关互为备自投。PC段联络开关、联络刀闸，MCC段工作进线、备用进线采用施耐德框架式断路器；控制电源均取自脱硫段110V直流分屏；直流分屏两路电源分别取自机组110V直流I段、II段母线。

2案例介绍

故障发生时#1机组停机，脱硫PCA段、B段分段运行，联络刀闸处于合位，联络开关处于分位；脱硫保安MCC工作进线开关合闸，备用进线开关分闸，柴油发电机热备用。直流分屏单刀双掷进线刀闸由电源一切换至电源二，断开电源一的瞬间脱硫PC段联络刀闸误分闸，脱硫PCA、PCB段备自投退出；脱硫保安MCC段备用进线开关误合闸，所幸柴油发电机停运，未造成MCC段两路进线电源非同期合闸。

3案例分析

因未操作开关就地分合闸按钮，推断为分布式控制系统(以下简称DCS)发远方指令分合开关，随即对上述开关二次回路及DCS开关控制逻辑进行了全面检查。

3.1DCS逻辑检查

1)检查脱硫PC段联络刀闸分闸逻辑为：收到开关分闸反馈后自动发分闸指令，断开直流分屏电源一瞬间联络刀闸分闸反馈由0变为1，所以DCS下发分闸指令。

2)检查脱硫保安MCC备用进线开关合闸逻辑如图2：断开直流分屏电源一瞬间，保安MCC备自投投入为1，备用进线开关故障未发为0，工作进线开关分闸反馈0变为1，直流电源消失信号未发为0，满足动作逻辑，DCS发备用进线开关合闸指令。

3.2开关柜二次回路检查

1)检查脱硫PC段联络刀闸至DCS分闸反馈采用开关本体辅助接点扩展继电器的常闭接点，断开直流电源瞬间扩展继电器电源消失，常闭接点闭合，DCS收到分闸反馈。

2)检查脱硫保安MCC备用进线开关至DCS分闸反馈同样采用扩展继电器的常闭接点，直流电源消失瞬间DCS收到分闸反馈。备用进线开关电源监视继电器设置0.2s延时，直流电源消失瞬间电源监视继电器至DCS信号仍然为0。

3.3直流电源电压变化检查

脱硫PC联络刀闸跳闸，脱硫保安MCC备用进线开关合闸均需要直流控制电源，但上述开关是在直流电源消失后动作的，因此推断直流电缆的电容、设备内电容电感等元器件存在储能效应。断开直流分屏进线刀闸时使用示波器观测直电压的瞬间变化过程，发现117V的直流电压没有立即消失，而是出现反向电压衰减曲线，整个直流控制回路呈现电阻电感电路的零输入响应特性，电压衰减时间约80ms，最大反向电压约90V。如图3。

4开关动作特性分析

4.1继电器、分合闸线圈动作电压测试

1)脱硫PC段联络刀闸、保安MCC进线开关采用JZC1-44型扩展继电器，线圈型号为CJX-9z 22z，工作电压DC110V，测试器动作电压60.0V、返回电压32.0V，线圈加反向电压不动作。

2)电源监视继电器型号为RZF1-004D，可设延时0.02~3s，工作电压DC110V。测试动作电压71.8V，返回电压60.4V，线圈加反向电压不动作。

3)脱硫PC段联络刀闸采用MVS32H框架式断路器，脱扣线圈型号为XF，工作电压AC/DC 100-130V，最小动作电压20.7V，动作电流约0.50A，线圈加反向电压动作。

4)脱硫保安MCC备用进线开关采用MVS06N框架式断路器，合闸线圈型号为MX-XF/SHT-SHC，工作电压AC/DC 100-130V，最小动作电压56.6V，动作电流约0.45A，线圈加反向电压动作。

4.2开关动作行为分析

结合上述DCS逻辑、开关二次回路、继电器及分合闸线圈动作特性的测试，在断开直流电源，电压瞬间反向时，分析各元器件动作行为如下：

1)扩展继电器线圈电压瞬间降为负值，脱硫PC段联络刀闸与保安MCC备用进线开关扩展继电器失电，发分闸反馈信号至DCS。

2)电源监视继电器线圈电压瞬间降为负值，但延时0.2s发电源消失信号。

3)分合闸线圈加正向或反向电压均能动作，最大反向电压值约90V，大于分合闸线圈动作电压。在反向电压衰减约25ms时有一快速下降过程，约由35V变化至20V，推断为脱硫PC段联络刀闸的分闸线圈动作导致电压快速下降。

5直流电压变化与元器件选型关系分析

5.1 电源变化过程分析

在直流电源送电时同样也应根据电阻电感、电阻电容电路特性分析回路零输入、零状态响应下的电压电流变化曲线。

4.2电源监视继电器分析

按照继电保护装置80%电压下能可靠动作的要求^[1]，直流电源监视应采用线圈区分正负极、快速动作的继电器，宜在电压降至80%时可靠返回。如本文案例中电阻电感回路电压反向时，电源监视继电器应瞬间发直流失电信号。若回路为电阻电容特性，则在100%额定电压降至80%额定电压过程中装置可以工作，不发直流失电信号；电压降至80%额定电压以下后，装置无法工作同时发直流失电信号。

对于交流电源监视继电器应以交流电源设备能否正常工作为准考虑返回电压设定值，即在设备失电无法工作瞬间及时发出失电信号。

4.3中间继电器分析

中间继电器可用于扩展接点数量、容量，电压转换等功能，动作值、返回值的选取应同时考虑避免电压波动导致的误动和正确反映电压变化的要求。按照保持中间继电器^[2]以及普通中间继电器^[3]标准的要求，直流电压继电器的动作值为30%~70%额定电压，结合反措中要求大功率继电器、光耦回路动作电压的为55%～70%额定电压，取中间继电器动作电压为55%～70%额定电压，返回电压为30%额定电压。为防止类似于本文案例中电阻电感回路中电压反向导致中间继电器误动，直流中间继电器的线圈应区分正负极。

对于交流控制的中间继电器或接触器动作电压可参照普通中间继电器^[3]标准要求的80%额定电压，返回电压应低于系统近端短路或厂用电短路导致的厂用电最低电压。

扩展继电器存在控制电源消失不能正确反映开关实际状态的问题，因此参与逻辑调节的信号尽可能取开关本体辅助接点以防止控制电源变化造成设备误动，生产现场曾多次发生此类事故^[4]。

4.4合分闸线圈分析

现场回路可能为感性，也可能为容性，在系统运行方式改变、控制电源异常运行时，为保证开关可靠分合闸，分合闸线圈不应分正负极，如本文案例中电压反向后开关仍能动作。参考电力设备预防性试验规程^[5]分、合闸电磁铁或合闸接触器端子上的最低动作电压应在操作电压额定值的30%～65%之间,低于30%时应不跳闸。

4.5模拟量动作判据分析

交流电压采集回路接通或断开瞬间同样应考虑电压的变化过程对继电保护设备、模拟量判据产生的影响。否则如文献^[6]中因未考虑电压互感器二次空开送电瞬间电压上升过程，在电压介于8V至60V之间时，电压互感器二次回路断线消失判据与低电压判据同时满足而导致“低电压保护”误动作。因电容回路电压不能突变，利用MATLAB仿真软件测试容性回路在正弦波电压送电瞬间波形如下，图5为初相角90°时合闸瞬时值与有效值，图6为初相角0°时合闸瞬时值与有效值。正弦波电压合闸瞬间变化过程与合闸初相角有关，初相角90°合闸，前20ms有效值逐步上升，随即达到稳定状态；初相角0°合闸，合闸瞬间电压波形偏向中心轴一侧，有效值前20ms逐步上升，然后衰减至稳定值，最大电压有效值可达2倍稳定值。

微机保护装置采集模拟量为有效值，实际运行中无法控制合闸初相角，合闸送电时除考虑前20ms电压上升过程，还应考虑容性回路初相角0°合闸时采样值瞬时过大对保护逻辑判据的影响。

6结论

电源监视继电器、扩展继电器设计选型不当，以及直流电源断开瞬间反向电压变化的过程共同导致了本次事故的发生。在设备二次回路中存在电容、电感等储能元器件，因此在合上、断开交直流控制电源或交流模拟量时，应按照电路特性分析电压的暂态变化过程，进而研究继电保护设备、逻辑判据在电压变化过程中的动作特性，防止出现保护不正确动作。

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