控制電纜的分布電容對繼電保護(hù)的防范措施

　　隨著繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，集成電路保護(hù)和微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在220kV及以上變電站中，所有由開關(guān)場引入控制室繼電保護(hù)設(shè)備的交流電流、電壓和直流跳閘等回路都可能由開關(guān)場引入干擾電壓到基于微電子器件的繼電保護(hù)設(shè)備，因此二次回路要采用帶屏蔽層的電纜，且要求屏蔽層在開關(guān)場和控制室兩端同時(shí)接地。電纜的芯線和屏蔽層之間存在有分布電容，電纜越長，分布電容效應(yīng)越明顯。由于屏蔽層兩端接地，實(shí)際上這種分布電容也就是電纜芯線對地之間的分布電容。
　　
　　在直流系統(tǒng)受到某些干擾時(shí)，如發(fā)生直流接地或交流電源串入到直流回路時(shí)，由于長電纜對地分布電容效應(yīng)的存在，往往可能導(dǎo)致一些靈敏保護(hù)繼電器的誤動作。在某500kV變電站發(fā)生的一起高壓并聯(lián)電抗器保護(hù)誤跳閘事故就充分說明了這一點(diǎn)。
　　
　　一、事故情況介紹
　　
　　在該500kV變電站中，一條裝設(shè)有高壓并聯(lián)電抗器的500kV線路開關(guān)發(fā)生跳閘。值班人員對繼電保護(hù)信號進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓并聯(lián)電抗器保護(hù)中本體保護(hù)的跳閘單元有出口掉牌信號，除此以外，未發(fā)現(xiàn)其他保護(hù)動作信號。運(yùn)行人員對高壓并聯(lián)電抗器本體進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常情況；從錄波圖上也未看出故障電流或故障電壓波形，說明系統(tǒng)當(dāng)時(shí)并沒有事故發(fā)生，跳閘前也無人在該條線路的線路保護(hù)和高壓并聯(lián)電抗器保護(hù)回路上進(jìn)行工作。
　　
　　二、事故原因分析
　　
　　事故發(fā)生后，保護(hù)專業(yè)人員迅速組織對高壓并聯(lián)電抗器保護(hù)進(jìn)行了檢查。檢查的重點(diǎn)在其保護(hù)的本體保護(hù)部分。本體保護(hù)回路如圖1所示。　　
　　KS1、KS2、KS3、KS4為掉牌繼電器，指示本體保護(hù)動作信號，跳閘時(shí)這4只繼電器都未掉牌；KOM為本體保護(hù)出口中間繼電器，其觸點(diǎn)啟動本體跳閘單元；KTM為時(shí)間繼電器，其作用是在接收本體跳閘信號后，無論本體跳閘信號閉合時(shí)間的長短，都使KOM保持一固定的動作時(shí)間，保證開關(guān)可靠跳閘。
　　
　　對高壓并聯(lián)電抗器本體保護(hù)進(jìn)行檢查試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)在繼電保護(hù)和二次回路中有足以引起保護(hù)誤動作的缺陷。但由于本體保護(hù)的跳閘單元確有出口掉牌信號，則從本體保護(hù)誤出口的可能性非常大。由于能同時(shí)啟動跳閘單元3的跳閘出口繼電器和掉牌繼電器的，只有圖1中所示KOM繼電器的一對觸點(diǎn)；從回路上看基本上能認(rèn)定KOM繼電器觸點(diǎn)閉合引起動作的可能性非常大。
　　
　　保護(hù)專業(yè)人員在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了3點(diǎn)情況。
　　
　　a.KOM動作電壓過低，動作值為DC28V，在額定電壓下其動作時(shí)間為3ms。
　　
　　b.本體保護(hù)繼電器的輸入回路是由長電纜從遠(yuǎn)方引來的空觸點(diǎn)啟動，電纜長度約為500m，為變電站內(nèi)zui長的二次控制電纜。該電纜為屏蔽電纜，屏蔽層兩端分別在開關(guān)場和控制室接地。
　　
　　c.事故跳閘的同時(shí)，變電站直流系統(tǒng)發(fā)生了波動，這從直流絕緣監(jiān)視裝置發(fā)出的信號可以證實(shí)。
　　
　　由此經(jīng)再三推敲，只能作這樣的假設(shè)：因引入本體信號的控制電纜很長，電纜的芯線對屏蔽層（屏蔽層兩側(cè)接地）存在較大的分布電容。在直流正電源接地或交流電源串入直流回路時(shí)，會由于長電纜對地分布電容的作用引起繼電器動作。具體分析后認(rèn)為有3種情況，其中的每一種情況都可能引起KOM的動作出口。
　　
　　a.變電站直流電源（蓄電池）正母線接地。發(fā)生接地后，變電站的直流電源通過KOM的線圈對電纜芯線與屏蔽層之間的分布電容充電，在其線圈中有電容充電電流流過。若充電電流足夠大，充電時(shí)間足夠長，就有可能使動作較靈敏的KOM的觸點(diǎn)瞬時(shí)閉合一下，觸點(diǎn)一旦閉合，其線圈就會通過自身的一對觸點(diǎn)以及KTM的一對觸點(diǎn)構(gòu)成自保持回路，使動作保持一段時(shí)間（保持時(shí)間為KTM的整定時(shí)間），從而啟動跳閘出口回路，引起斷路器跳閘。
　　
　　b.對地交流電源串接到直流電源系統(tǒng)正母線上。如果有交流電源串接到直流電源系統(tǒng)正電源側(cè)，就可以通過KOM的線圈、蓄電池以及電纜芯線與屏蔽層之間的分布電容構(gòu)成回路，KOM線圈就有電容電流流過。若電容電流足夠大，就可能啟動KOM，使其觸點(diǎn)抖動。而只要KOM觸點(diǎn)一旦閉合，也就會通過本身的一對觸點(diǎn)和KTM一對觸點(diǎn)構(gòu)成自保持回路保持一段時(shí)間（保持時(shí)間為KTM的整定時(shí)間），從而啟動跳閘出口回路，引起繼路器跳閘。與上一種情況不同的是，只要交流電源不消失，在KOM和KTM都返回后，會再次重復(fù)上述動作過程，直到交流電源消失。
　　
　　c.對地交流電源串接到直流電源系統(tǒng)負(fù)母線上。如果有交流電源串接到直流電源系統(tǒng)負(fù)電源側(cè)，就可以通過KOM的線圈和電纜芯線與屏蔽層之間的分布電容構(gòu)成回路，線圈有電容電流流過。發(fā)生與b同樣的情況。
　　
　　上述3種情況到底是哪種，是否都有可能，需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
　　
　　三、試驗(yàn)
　　
　　3.1模擬直流正電源+KM接地試驗(yàn)
　　
　　圖2所示為模擬直流正電源+KM接地試驗(yàn)，圖中R1、R2為直流系統(tǒng)對地絕緣電阻。　　
　　變電站直流電壓為110V，+KM對地為+55V，-KM對地為-55V，正常情況下A、B、C、D點(diǎn)對地電位為-55V。將+KM對地短接，則+KM對地電位變?yōu)?V，-KM對地電位變?yōu)?110V，A、B、C、D點(diǎn)由于電容的作用，對地電位不能突變，在剛開始短路的瞬間仍為-55V。這樣在剛開始短路的瞬間在繼電器線圈的兩端就產(chǎn)生了55V的電壓，隨后通過繼電器線圈對電容進(jìn)行充電，即A、B、C、D點(diǎn)對地電位由-55V逐漸變?yōu)?110V，加在繼電器線圈兩端的電壓也由-55V逐漸變?yōu)?V。用示波器觀察加在KOM兩端的電壓，其波形如圖3所示。　　
　　若將直流試驗(yàn)電源增加到220V時(shí)，KOM動作，而掉牌繼電器動作值較高，所以未動作。這與故障時(shí)情況相同。但由于該變電站直流為110V，達(dá)不到動作時(shí)要求的直流系統(tǒng)電壓220V。故可以判定本次故障中，由于直流正電源接地不足以引起保護(hù)誤動，即故障不是由直流正電源接地的原因造成的。
　　
　　3.2模擬直流正母線對地之間迭加交流電壓
　　
　　圖4所示為模擬直流正母線對地之間迭加交流電源試驗(yàn)。在直流正母線對地之間迭加一工頻交流電壓，交流電壓由小逐漸加大。當(dāng)交流電壓達(dá)到100V時(shí)，KOM動作，本體保護(hù)的動作情況也同當(dāng)時(shí)的跳閘情況*一樣，即只有出口繼電器動作，本體掉牌不動作。將交流電壓增加到220V時(shí)，其動作情形仍然一樣。這說明如果將所用的交流電誤碰到直流正母線側(cè)，就有可能發(fā)生跳閘事故。　　
　　3.3模擬直流負(fù)母線對地之間迭加交流電壓
　　
　　圖5所示為模擬直流負(fù)母線對地之間迭加交流電源試驗(yàn)。　　
　　在直流負(fù)母線對地之間迭加一工頻交流電壓，電壓由小逐漸加大。當(dāng)交流電壓也在達(dá)到100V時(shí)，KOM動作，本體保護(hù)的動作情況同當(dāng)時(shí)的跳閘情況也*一樣，即只有出口繼電器動作，本體掉牌不動作。將交流電壓增加到220V時(shí)，其動作情形也仍然一樣。這說明如果將所用的交流電誤碰到直流負(fù)母線側(cè)，也有可能發(fā)生事故跳閘。
　　
　　上述試驗(yàn)結(jié)果表明，本次故障中，由于直流正母線接地引起的電纜對地分布電容的充電電流不足以使繼電器動作；而在直流系統(tǒng)上加入交流電源時(shí)，不論加在直流正電源側(cè)還是負(fù)電源側(cè)，只要交流電壓達(dá)到100V以上，都可能引起繼電器出口動作，使斷路器發(fā)生跳閘。
　　
　　事后查明，當(dāng)時(shí)確實(shí)有其他工作人員誤將交流電碰到直流負(fù)電源上，引起高壓并聯(lián)電抗器的500kV線路開關(guān)跳閘。試驗(yàn)中對這根長電纜的分布電容值進(jìn)行了實(shí)測，測量結(jié)果為每根芯線對地電容值均約為0.115μF，4根芯線總的對地分布電容值為0.46μF。
　　
　　四、控制電纜對地分布電容引起繼電器誤動的回路分析
　　
　　上述試驗(yàn)表明,引至開關(guān)場所的長電纜確實(shí)在其芯線對屏蔽層之間有較大的分布電容,而當(dāng)電纜兩端的屏蔽層接地后,這種芯線對屏蔽層的分布電容就是電纜芯線對地分布電容。在發(fā)生直流系統(tǒng)接地時(shí)或誤將交流串入直流系統(tǒng)時(shí)，就會通過這種分布電容構(gòu)成回路，產(chǎn)生電容電流，引起一些動作值較低的靈敏繼電器發(fā)生誤動作。進(jìn)一步分析有5種情況。
　　
　　4.1直流系統(tǒng)正電源接地
　　
　　直流正電源（圖6中A點(diǎn)）突然對地短路時(shí)，蓄電池以其1/2的直流電壓通過繼電器線圈對電纜分布電容充電。這實(shí)際上是一個(gè)簡單的直流激勵下的零狀態(tài)響應(yīng)。　　
　　從發(fā)生直流正電源接地的瞬間開始，在繼電器線圈上的電壓UR隨時(shí)間t的變化關(guān)系為　　
　　式中R為繼電器的線圈阻值；CT為電纜分布電容值。
　　
　　在t=0時(shí)，加在繼電器線圈上的電壓URzui大，為U/2，以后便隨著時(shí)間t逐漸衰減。從式中可以看出：如果繼電器的動作電壓高于變電站直流電壓的一半（即高于U/2）時(shí)，繼電器便不會發(fā)生誤動作；如果繼電器的動作電壓低于變電站直流電壓的一半（即低于U/2）時(shí)，就有可能發(fā)生誤動作。
　　
　　4.2繼電器線圈一側(cè)接地
　　
　　當(dāng)繼電器線圈一側(cè)（圖6中B點(diǎn)）突然接地時(shí)，此時(shí)蓄電池以U/2的直流電壓通過繼電器線圈對直流系統(tǒng)分布電容CP和CN充電。加在繼電器線圈上的電壓UR隨時(shí)間t的變化關(guān)系為　　
　　式中CP、CN為變電站直流正、負(fù)母線對地分布電容。
　　
　　在t=0時(shí)，加在繼電器線圈上的電壓uRzui大，為U/2，以后便隨著時(shí)間t逐漸衰減。從式中同樣可以看出：如果繼電器的動作電壓高于變電站直流電壓的一半（即高于U/2），繼電器便不會發(fā)生誤動作；在繼電器的動作電壓低于變電站直流電壓的一半（即低于U/2）時(shí)，就有可能發(fā)生誤動作。
　　
　　CP和CN越大，電壓衰減得也就越慢。只要加在繼電器線圈上的電壓在衰減過程中高于繼電器動作值的時(shí)間足夠長而超過了繼電器的動作時(shí)間，則繼電器就會發(fā)生誤動作。從直流系統(tǒng)正、負(fù)電源側(cè)引向開關(guān)場的電纜芯線越多，電纜越長，則分布電容CP和CN越大。
　　
　　4.3對地交流電源串入直流正、負(fù)母線側(cè)
　　
　　當(dāng)有對地交流電源串入直流正電源側(cè)（圖6中A點(diǎn)）或負(fù)母線側(cè)（圖6中C點(diǎn)）時(shí)，就可以通過繼電器線圈、蓄電池以及電纜及分布電容構(gòu)成回路。
　　
　　整個(gè)回路的阻抗為
　　
　　Z=R+1/（jωCT）
　　
　　加在繼電器線圈的電壓為
　　
　　uR=us/[1+1/（jωRCT）]
　　
　　us為串入的交流電壓，控制電纜的分布電容CT越大，加在繼電器線圈上電壓的有效值就越大。繼電器線圈上的電壓波形如圖7所示。
　　
　　若加在繼電器線圈上的電壓uR在變化過程中高于繼電器動作電壓uD的時(shí)間為t0，只要t0足夠長，超過繼電器的動作時(shí)間，則繼電器就會發(fā)生誤動作。
　　
　　4.4對地交流電源串入繼電器線圈一側(cè)（靠電纜側(cè)）
　　
　　當(dāng)有交流電源串入繼電器線圈一側(cè)（靠電纜側(cè)，即圖6中B點(diǎn)）時(shí)，就可以通過繼電器線圈和直流負(fù)電源側(cè)對地分布電容CN構(gòu)成回路（直流負(fù)電源側(cè)對地絕緣電阻很大，可以忽略）。　　
　　整個(gè)回路的阻抗為
　　
　　Z=R+1/（jωCN）
　　
　　加在繼電器線圈的電壓為
　　
　　uR=us/[1+1/（jωRCN）]
　　
　　控制電纜的分布電容CN越大，加在繼電器線圈上電壓的有效值就越大。
　　
　　加在繼電器線圈上電壓波形也如圖7所示。同樣，若加在繼電器線圈上的電壓uR在變化過程中高于繼電器動作電壓uD的時(shí)間為t0，只要t0足夠長，超過繼電器的動作時(shí)間，則繼電器就會發(fā)生誤動作。
　　
　　五、防范措施
　　
　　500kV變電站一次設(shè)備多采用一個(gè)半開關(guān)結(jié)線方式，由于500kV設(shè)備之間安全距離大，設(shè)備數(shù)量多，主變壓器特別是線路并聯(lián)高壓電抗器距離控制室較遠(yuǎn)，二次控制電纜長度有時(shí)長達(dá)400～500m，其二次控制電纜對地分布電容效應(yīng)尤為明顯。忽視控制電纜分布電容的影響，不注意采取防范措施，往往會釀成繼電保護(hù)誤動事故。
　　
　　從前面的分析不難看出，電纜對地分布電容的影響致使動作靈敏的繼電器誤動作取決于3個(gè)因素：
　　
　　a.電纜對地分布電容值的大小；
　　
　　b.繼電器動作電壓值的大小；
　　
　　c.外界干擾因素。
　　
　　5.1減小控制電纜的分布電容值
　　
　　*，盡可能將二次電纜的長度控制在一定長度范圍內(nèi)。目前設(shè)計(jì)規(guī)程對此并無明確規(guī)定，原則上不宜超過400m。在變電站設(shè)計(jì)時(shí)，對于面積較大的變電站，可采取多個(gè)保護(hù)小室設(shè)計(jì)方式；如果只采用一個(gè)保護(hù)室時(shí)，應(yīng)盡可能將保護(hù)室或主控樓選在變電站地理中心位置。第二，變電站內(nèi)戶外高壓配電裝置采用封閉式組合電器（GIS）配電裝置，可有效減小變電站占地面積，減少二次電纜的長度。第三，不同用途的電纜分開布置減少分布電容效應(yīng)；第四，通過光纖跳閘通道傳送跳閘信號以消除電纜的分布電容效應(yīng)。
　　
　　5.2提高直流中間繼電器的動作值
　　
　　變電站一旦建成，一次設(shè)備的位置就固定下來了，從控制室到這些一次設(shè)備的電纜長度也確定下來，基本上不可改變，因此要改變電纜對地分布電容值的大小是很困難的。有效的防范措施就是提高繼電器的動作值。為了追求靈敏度而一味降低繼電器的動作值（有些從國外進(jìn)口的保護(hù)有這種現(xiàn)象）是不可取的。事故中KOM動作電壓只有28V，比變電站直流電壓的一半還低得多，顯然不能滿足運(yùn)行中的安全要求。試驗(yàn)表明，換一只動作電壓為60V的繼電器，即使將試驗(yàn)中的交流電壓加到300V，也不會使繼電器動作。因此，可選用動作電壓較高且動作速度快的中間繼電器，這樣既能保護(hù)安全性，又能保證靈敏度。此外，要注意控制回路直流電壓的選取，48V直流回路不宜延伸至戶外。
　　
　　5.3盡量避免外界干擾因素的影響
　　
　　在進(jìn)行二次電纜的設(shè)計(jì)和施工時(shí)，要避免在同一根二次電纜同時(shí)混有交、直流回路，強(qiáng)、弱電電纜之間要進(jìn)行距離。端子排排列設(shè)計(jì)時(shí)，在交流和直流回路之間宜采用一個(gè)空端子進(jìn)行分離。
　　
　　六、結(jié)論
　　
　　在由靜態(tài)繼電器構(gòu)成的繼電保護(hù)回路中，當(dāng)發(fā)生直流系統(tǒng)接地或誤將交流串入直流系統(tǒng)時(shí)，繼電器線圈就會通過電纜的分布電容構(gòu)成回路，產(chǎn)生電容電流。該電容電流能否引發(fā)繼電器誤動作，取決于電纜對地分布電容值和繼電器的動作值。其防范措施主要從3個(gè)方面考慮：減小二次電纜的分布電容、選用動作值較高的繼電器以及盡量避免外界因素對直流系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。