控制電纜的分布電容對(duì)繼電保護(hù)的防范措施2011

1、控制電纜的分布電容對(duì)繼電保護(hù)的防范措施2011-09-14來(lái)源：中國(guó)儀表網(wǎng) 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(lái)越廣泛。在 220kV及以上變電站中，所有由開關(guān)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)，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(duì)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

2、于長(zhǎng)電 纜對(duì)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(dòng)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(shuō)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(duì)繼電保護(hù)信號(hào)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(hào)，除此以外，未發(fā)現(xiàn)其他保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。運(yùn)行人員對(duì)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(shuō)明系統(tǒng)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有事故 發(fā)生，跳閘前也無(wú)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，

3、保護(hù)專業(yè)人員迅速組織對(duì)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(dòng)作信號(hào)，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(dòng)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(hào)后，無(wú)論本體跳閘信號(hào)閉合時(shí)間的長(zhǎng)短，都使KOM保 持一固定的動(dòng)作時(shí)間，保證開關(guān)可靠跳閘。對(duì)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(dòng)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(hào)，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(dòng)跳閘單元3的

4、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(duì)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(dòng)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。KOM動(dòng)作電壓過(guò)低，動(dòng)作值為DC28V，在額定電壓下其動(dòng)作時(shí)間為3ms。本體保護(hù)繼電器的輸入回路是由長(zhǎng)電纜從遠(yuǎn)方引來(lái)的空觸點(diǎn)啟動(dòng)，電纜長(zhǎng)度約為 500m，為變電站內(nèi)最長(zhǎng)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(chǎng)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(dòng)，這從直流絕緣監(jiān)視裝置發(fā)出的信號(hào)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(hào)的控制電纜很長(zhǎng)，電纜的芯線對(duì) 屏蔽層（屏蔽層兩側(cè)

5、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(huì)由于長(zhǎng)電纜對(duì)地分布電容的作用引起繼電器動(dòng)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(dòng)作出口。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(guò)KOM的 線圈對(duì)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(guò)。若充電電 流足夠大，充電時(shí)間足夠長(zhǎng)，就有可能使動(dòng)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(huì)通過(guò)自身的一對(duì)觸點(diǎn)以及KTM的一對(duì)觸點(diǎn)構(gòu)成自保持回路，使動(dòng)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(dòng)跳閘出口回路，引起斷路器跳閘。對(duì)地交流

6、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(guò)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(guò)。若電容電流足夠大，就可能啟動(dòng)KOM，使其觸點(diǎn)抖動(dòng)。而 只要KOM觸點(diǎn)一旦閉合，也就會(huì)通過(guò)本身的一對(duì)觸點(diǎn)和KTM 一對(duì)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(dòng)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(huì)再次重復(fù)上述 動(dòng)作過(guò)程，直到交流電源消失。對(duì)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

7、以通過(guò)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(guò)。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(guò)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(duì)地絕緣電阻。變電站直流電壓為110V，+KM對(duì)地為+55V，-KM對(duì)地為-55V，正常情況下A、B、C、 D點(diǎn)對(duì)地電位為-55V。將+KM對(duì)地短接，則+KM對(duì)地電位變?yōu)?V，-KM對(duì)地電位變?yōu)?110V， A、B、C、D點(diǎn)由于電容的作用，對(duì)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

8、就產(chǎn)生了 55V的電壓，隨后通過(guò)繼電器線圈對(duì) 電容進(jìn)行充電，即A、B、C、D點(diǎn)對(duì)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(dòng)作，而掉牌繼電器動(dòng)作值較高，所以未動(dòng) 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(dòng)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(dòng)，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(duì)地之間迭加交流電壓圖4所示為模擬直流正母線對(duì)地之間迭加交流電源試驗(yàn)。在直流正母線

9、對(duì)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(dòng)作，本體保護(hù) 的動(dòng)作情況也同當(dāng)時(shí)的跳閘情況完全一樣，即只有出口繼電器動(dòng)作，本體掉牌不動(dòng)作。將交 流電壓增加到220V時(shí)，其動(dòng)作情形仍然一樣。這說(shuō)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(duì)地之間迭加交流電壓圖5所示為模擬直流負(fù)母線對(duì)地之間迭加交流電源試驗(yàn)。在直流負(fù)母線對(duì)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(dòng)作，本體保護(hù)的動(dòng)作情況同當(dāng)時(shí)的跳閘情況也完全一樣，即只有出口繼 電器動(dòng)作，本體掉牌不動(dòng)作。將交流電壓增加到220V時(shí)，

10、其動(dòng)作情形也仍然一樣。這說(shuō)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(duì)地分布電容的充電 電流不足以使繼電器動(dòng)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(dòng)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(duì)這根長(zhǎng)電纜的分布電容值進(jìn)行了實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果為每 根芯線對(duì)地電容值均約為0.115 r F，4根芯線總的對(duì)地分布電容值為0.46 uFo四、控制電纜對(duì)地分布

11、電容引起繼電器誤動(dòng)的回路分析上述試驗(yàn)表明，引至開關(guān)場(chǎng)所的長(zhǎng)電纜確實(shí)在其芯線對(duì)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(duì)屏蔽層的分布電容就是電纜芯線對(duì)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(huì)通過(guò)這種分布電容構(gòu)成回路，產(chǎn)生電 容電流，引起一些動(dòng)作值較低的靈敏繼電器發(fā)生誤動(dòng)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(duì)地短路時(shí)，蓄電池以其1/2的直流電壓通過(guò)繼電器線圈 對(duì)電纜分布電容充電。這實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的直流激勵(lì)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

12、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UR最大，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(dòng)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(huì)發(fā)生誤動(dòng)作；如果繼電器的動(dòng)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(dòng)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(guò)繼電器 線圈對(duì)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(duì)地分布電容。在t=0時(shí)，加在繼電器線圈上的電壓uR最大，為U

13、/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(dòng)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(huì)發(fā)生誤動(dòng)作；在繼電器的動(dòng)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(dòng)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(guò)程中高 于繼電器動(dòng)作值的時(shí)間足夠長(zhǎng)而超過(guò)了繼電器的動(dòng)作時(shí)間，則繼電器就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。從直 流系統(tǒng)正、負(fù)電源側(cè)引向開關(guān)場(chǎng)的電纜芯線越多，電纜越長(zhǎng)，則分布電容CP和CN越大。4.3對(duì)地交流電源串入直流正、負(fù)母線側(cè)當(dāng)有對(duì)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(guò)繼電器線圈

14、、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/（j 3 CT）加在繼電器線圈的電壓為uR=us/1+1/（j3RCT）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(guò)程中高于繼電器動(dòng)作電壓uD的時(shí)間為t0,只 要t0足夠長(zhǎng)，超過(guò)繼電器的動(dòng)作時(shí)間，則繼電器就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。4.4對(duì)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(guò)繼電器線 圈和直流負(fù)電源側(cè)對(duì)地分布電容CN構(gòu)成回路（直流負(fù)電源側(cè)對(duì)地絕緣電阻很大，可

15、以忽略）。整個(gè)回路的阻抗為Z=R+1/（j 3 CN）加在繼電器線圈的電壓為uR=us/1+1/（j3RCN）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(guò)程中高于繼電器動(dòng)作電壓uD的時(shí)間為t0，只要t0足夠長(zhǎng)，超過(guò)繼電器的動(dòng)作時(shí)間，則 繼電器就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)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(zhǎng)度有時(shí) 長(zhǎng)達(dá)400500m，其二次控制電纜對(duì)地分布電容效應(yīng)尤為明顯。

16、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(huì)釀成繼電保護(hù)誤動(dòng)事故。從前面的分析不難看出，電纜對(duì)地分布電容的影響致使動(dòng)作靈敏的繼電器誤動(dòng)作取決于 3個(gè)因素：電纜對(duì)地分布電容值的大??；繼電器動(dòng)作電壓值的大小；外界干擾因素。5.1減小控制電纜的分布電容值第一，盡可能將二次電纜的長(zhǎng)度控制在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)。目前設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)此并無(wú)明確規(guī) 定，原則上不宜超過(guò)400m。在變電站設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)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

17、積，減少二次電纜的長(zhǎng)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(guò)光纖跳閘通道傳送跳閘信號(hào)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(dòng)作值變電站一旦建成，一次設(shè)備的位置就固定下來(lái)了，從控制室到這些一次設(shè)備的電纜長(zhǎng)度 也確定下來(lái)，基本上不可改變，因此要改變電纜對(duì)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(dòng)作值。為了追求靈敏度而一味降低繼電器的動(dòng)作值(有些從國(guó) 外進(jìn)口的保護(hù)有這種現(xiàn)象)是不可取的。事故中KOM動(dòng)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(dòng)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(huì)使繼電器動(dòng)作。因此，可選用動(dòng)作 電壓較高且動(dòng)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