继电保护回路中交流电串入直流回路的危害及防范措施
时间：2023-02-23 19:40:08 来源：千叶帆 本文已影响人
姜 晋，刘广旭，陈安峰，杨国众，雷 浩
华能沁北发电有限责任公司，河南 济源 459000
电力系统作为现代社会最重要的能源供给系统之一，相较于其他能源供给系统，能源不易储存是其最大的特殊性。其是否能够安全稳定运行又事关国计民生。继电保护设备作为保障电力系统稳定运行的重要设备，其是否具备选择性、速动性、灵敏性、可靠性对于电力系统发电、输电单元能否可靠稳定运行具有重要的意义[1]。2011 年国务院颁布了《电力安全事故应急处置和调查处理条例》（以下简称《条例》），《条例》的颁布在法律责任、事故监管和电网风险等方面对电力企业产生了较大的影响。《条例》颁布后，电力企业着手开展了安全事故风险分析。在归纳出的诸多变电安全事故风险中，“厂站交流串入直流系统风险”为影响较重大的风险之一。当继电保护回路中发生交流电串入直流回路的事故时，有可能导致继电器等元器件出现拒动或误动现象，进而导致继电保护失去本应具有的保障能力，影响电网的稳定工作。因其可能造成厂站多元件跳闸，电网破坏力大、负荷损失率高、防范难度大等，被列为重大风险[2]。继电保护专业人员应提高对交流电串入直流回路问题的发现和处理能力。
1.1 直接短路
交直流回路发生直接短路的现象在厂站生产现场较少出现，但若发生此种情况会对继电保护设备的安全稳定运行产生巨大的危害。导致交直流回路产生直接短路的原因主要有以下几种。
1.1.1 厂站基建时期遗留的接线问题
厂站设备中的交直流回路共在一个屏柜里，共用一个端子排。在基建施工过程中，设计图纸问题和人为因素都可能导致交流回路直接与直流回路连接。此种情况较少出现，且在后续维护过程中容易发现问题，但因交直流回路直接接触面积较大且接触牢固，其产生的危害相较于其他情况导致的危害程度最为严重[3]。
1.1.2 回路绝缘等级降低
在厂站的生产现场，如配电室、电子间内电气设备屏柜、电缆桥架电缆沟等处，存在许多交流回路与直流回路的交叉处或接近处，这些点易因绝缘问题发生交直流回路短路故障。例如回路中的接触器，其动作线圈接在交流回路中，而接点接在直流回路中，若接触器本身发生故障，交直流接线之间绝缘降低，有可能导致交流电串入直流回路。
此外，交流电缆与直流电缆共处同一电缆桥架、电缆沟，或控制柜、配电柜内部的交流回路端子紧挨直流回路端子，若端子排或电缆之间因老化或外力原因导致外皮绝缘层破损，交流回路与直流回路就有可能因互相接触发生短路故障。此种情况较上一种情况出现概率更大，且故障点因各种原因更隐蔽，更难在后续维护工作中被发现。但因交直流回路直接接触面积由元器件的故障情况和绝缘层的破损严重程度而定，且接触相对不牢固，其产生的危害程度相较于上一种情况较小。
1.2 电磁感应
根据电磁感应原理，电磁场会在导体内产生交流电，电磁场来源众多，导致交直流回路产生电磁感应现象的原因主要有以下几种。
1.2.1 厂站内部设备之间的感应
厂站设备众多，同一个设备可能同时存在交流回路、直流回路，其需要的电缆长度可能很长。在同一电缆桥架或电缆沟中可能有高压动力电缆、低压控制电缆，低压控制电缆中又有交流电缆及直流电缆。不同电压等级、不同类型的电源的众多电缆同处在一个电缆桥架或电缆沟中，之间的距离很近。根据交流电固有的性质，电磁感应原理决定了其必然在相邻导体中产生感应电压。按照要求，厂站使用的电缆都应有屏蔽层并应接地良好，但现场实际工作中很有可能存在没有屏蔽层的电缆或电缆外皮破损导致屏蔽层失效的电缆，甚至在基建施工阶段有可能出现将用于交流回路的线芯与用于直流回路的线芯置于同一根电缆内的情况。即使是电缆屏蔽层完好且接地良好，但进入设备屏柜后需要剥开电缆，众多线芯必然会绑扎在一起进而产生感应电压[4]。
1.2.2 无线通信辐射的干扰
无线通信设备的运行原理在于产生一定的电磁场，然后利用电磁场强度、频率的变化表达信息。如今，生活中有大量移动通信基站，现场工作人员随身携带移动通信设备，使空间中每时每刻都存在大量的电磁场，而变化的电磁场有可能耦合到继电保护回路中，时刻改变的信号强度会在继电保护回路内部感应产生交流电流，有可能导致继电保护设备出现故障，导致继电保护设备失去作用，进而降低厂站一次设备的运行效能[5]。因此，在厂站的日常生产工作中，有必要采取措施降低通信设备的信号辐射的干扰，使继电保护设备能够正常运行。
当继电保护回路中出现交流电串入直流回路现象时，将产生巨大的危害。继电保护可靠性是电力系统继电保护的最基本要求，继电保护可靠性是指在继电保护设备需要保护的范围内发生了继电保护设置中应发生动作的故障时，继电保护设备不应该拒绝动作（简称拒动），这也称为继电保护设备的可信赖性；
在其他任何情况下发生了继电保护设备保护设置中不应动作的故障时，继电保护设备不应该错误动作（简称误动），这也称为继电保护设备的安全性。
继电保护四大要求中最重要的是可靠性。可靠性与继电保护设备的设计制造、安装调试的质量有关，也与日常运行和检修维护的水平息息相关[6]。通常来说，继电保护设备的产品质量越好、设计接线越简单、回路中的外接触点数量越少，设备可靠性就越高。安装调试质量、运行维护水平等人为因素也会影响继电保护设备的可靠性。
当继电保护回路中出现交流电串入直流回路的现象时，将会对继电保护设备及回路的可靠性造成以下危害。
（1）因为直流回路是一个绝缘系统，而交流回路是一个接地系统。所以若二者发生直接短路，会改变直流电流的流向、不同元器件的正负极端，可能导致直流回路正负极发生短路，还会降低直流回路的绝缘电阻，造成直流接地故障的发生，进而造成误动或拒动情况的发生。
（2）因为继电保护直流二次回路的组成元器件，例如继电器的线圈、某些元器件的二极管等，其只有在直流电源正负极方向正确的情况下元器件才会动作；
若是正负极方向相反，元器件不会动作。交流电的电流方向会发生周期性变化。所以当交流电串入直流回路中时会导致继电保护拒动或误动等情况的发生。
（3）因为厂站使用的继电保护直流控制电源的电压等级通常为110 V 或220 V，以110 V 直流电源为主，甚至某些控制元器件采用的是48 V 以下的直流电源。我国采用的交流电压等级为220 V，也就是说在绝大多数情况下，生产现场所接触的交流电电压等级不会低于220 V。当施加在直流回路中的继电保护元器件上的交流电压较大时，可能导致信号指示灯不正常发光显示、继电保护元器件不正常动作等情况的发生，进而造成运行人员的误判或继电保护的误动作，危害人身及设备的安全[7]。
3.1 做好工程基建时期继电保护设备的管理
厂站继电保护设备自身的质量以及工程基建时期的工程质量对投产后的检修维护工作有着直接的影响。继电保护设备有着元器件多、设备连接广、回路较复杂等特点，若在工程基建时期忽视了设备的采购管理、工程施工监理及竣工验收工作，必然会遗留众多较难发现隐患，增加后期运行维护工作的难度。因而在工程基建时期，厂站业主方应严格按照国家相关法律规定建立完善的制度，在设备采购、工程招标中杜绝可能出现的低价中标、徇私舞弊等情况的发生。加强对施工单位及监理单位的管理，提高验收标准，严格工程管理，确保厂站工程基建时期的工程质量[8]。如此才可以有效减少投产后继电保护设备发生故障的概率，防止交流电串入直流回路恶性事故的发生，减少对人身及设备的损害。
3.2 做好投产后的日常运行管理和检修维护工作
由于厂站内部有大量的电气一次、二次设备，良好的日常运行管理和检修维护工作显得尤为重要。为提升继电保护设备的管理效能，应重点开展对继电保护设备的检查，针对继电保护工作的相关要求、规定等，建立专门的维护管理制度，并做好相应的监督，确保各项管理工作的落实[9]。检修维护管理人员也要根据现场情况对维护方案展开优化，结合继电保护设备的运行情况及常见故障制订更科学的维护方案，建立完善的检修维护制度，对继电保护设备实行全寿命周期管理，针对可能发生的交流电串入直流回路问题加以整改。同时建立科学公正的考核晋升制度，保证人员的有效流动，提高继电保护专业人员的工作积极性。确保继电保护设备的巡回检查制度的有效落实，时刻掌握继电保护设备的运行状态，防止因高温老化等情况导致交直流回路绝缘层破损、绝缘等级降低，导致恶性事故发生，确保厂站设备的安全稳定运行，使电力生产活动可以获得更加安全的环境。
3.3 提升继电保护专业人员的工作能力
继电保护设备的运行、检修、维护水平，都与继电保护技术人员的专业水平密切相关，厂站应该加强对人才的培养，加强对继电保护专业人员的培训，强化继电保护专业技术能力的学习。在提升人员专业技术水平的同时，也要培养继电保护专业人员的安全和质量意识，使其认识到继电保护工作的重要性，确保严格按照检修维护相关规程开展工作[10]。通过做好日常运维、检修改造等工作，确保继电保护设备得到有效的检修维护，提升厂站全系统的运行效率，使继电保护设备的安全稳定运行能力得到大幅度提升。
3.4 提高电缆保护回路上的跳闸继电器动作电压
交流电串入直流回路引发保护误动、开关跳闸事故的原因之一是保护回路电缆的长度较大和保护动作继电器的动作电压较小。因此可以考虑在规程规定范围内，通过测试将电阻值合适的电阻串接到跳闸继电器线圈回路，以提高跳闸继电器的交流电压动作门槛及继电保护回路的抗交流的能力。这样一来减少了直流回路电缆的对地分布电容，降低了因交流串入直流而导致保护误动的可能性。
厂站的继电保护设备对厂站自身的安全稳定生产极为重要，因此厂站管理人员及运行维护人员应当坚持把可靠性作为继电保护设备运维的基本导向，明确继电保护回路中交流电串入直流回路现象的危害，制定有效的防范措施，力图将可能导致不利影响的因素扼杀在萌芽状态，以满足电力系统稳定发电、供电的需求。厂站内部要制定有效、可执行的配套管理制度，细化继电保护设备的运行检修规程。在现场施工及后期检修维护工作中仔细检查，严把质量关，及时查找串入直流回路的交流电，按照相关规定及要求预防各种可能发生的事故，提高继电保护设备的可靠性，为电力系统的安全稳定运行作出应有的贡献。
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