0 引言

直流系统作为变电站二次系统的控制电源，肩负着为继电保护、自动装置、通信网络等设备提供工作电源的重要任务。直流系统覆盖范围广、接线回路复杂、敷设电缆长，设备质量参差不齐，长期运行很容易发生直流接地、短路、交流电串入直流系统等故障，直流接地或短路将导致操作回路保险熔断或电源开关断开，使保护及自动装置失去电源，一次设备也相应失去监测和保护^[1]。直流系统是绝缘系统，交流系统是接地系统，一旦交流串入直流回路，会发生直流回路接地，交流量因直流电缆间的耦合电容及对地分布电容的存在^[2]，产生交变量引发继电器抖动，导致保护装置误动，断路器跳闸。

《国家电网公司十八项反事故措施》要求“加强直流系统的管理，防止直流系统故障，特别要重点防止交流电混入直流回路，造成电网事故” ^[3]。可见，直流系统的安全稳定对继电保护及自动装置的可靠运行至关重要，而交流电串入直流回路故障也是直流系统故障中亟待解决的问题。

本文以某变电站一起典型的交流电串入直流回路故障为例，分析其对继电保护系统的危害及采取的相应对策。

1 直流系统故障分析 1.1 故障概况

2016-01-10，某110 kV变电站后台机报警，1号、2号主变压器非电量保护动作跳闸，3号主变压器非电量保护动作信号灯亮。经现场检查，1号、2号、3号主变压器非电量保护装置信号灯均亮，1号、2号主变压器保护屏及操作箱跳闸灯亮，111、101、112、102开关跳闸，3号主变压器非电量保护动作但未出口跳闸，3台主变压器差动保护及后备保护均无动作信息和异常。该变电站的电气主接线图如图 1所示。

1.2 故障经过

该变电站共有3台主变压器运行，故障发生时1号、2号主变压器运行于110 kVⅠ母，并各带10 kV一段母线运行，10 kV 01断路器联络运行；3号主变压器运行于110 kVⅡ母，单独供10 kV另一段母线运行。故障导致1号、2号主变压器非电量保护动作跳闸，切断01断路器联络的10 kV两段母线负荷，3号主变压器非电量保护动作，断路器未跳闸。经现场检查发现，3台主变压器跳闸前非电量保护均接收到持续2 ms的开入信号。由于开入信号持续时间非常短，非电量保护来不及出口跳闸，直至80 ms后，1号、2号主变压器非电量保护装置接收到持续约5 ms的开入信号，导致继电器持续抖动，出口跳闸，111、101、112、102断路器跳闸。3号主变压压器有接点抖动，但因持续时间较短，仅报出非电量保护动作信号，未出口跳闸。

1.3 原因分析

经分析，3台主变压器在同一时刻非电量保护动作，可排除因变压器自身因素引起的故障，初步判断为直流接地故障所致。该站保护室内消弧线圈控制屏与1号、2号主变压器保护屏同排相邻布置，在排查保护室消弧线圈控制屏时，发现控制屏内交流熔断器与直流电源正极熔断器间有明显的放电现象，如图 2所示。

消弧线圈控制回路故障，使得直流熔断器的螺旋底座发热融化，导致直流正极熔断器被击穿，屏内三相交流电压保险与直流电源熔断器间无隔离措施，保险击穿后与底部槽板导通，导致交流电串入直流回路引发直流电源正极接地。因此，造成非电量保护动作出口跳闸的直接原因是直流回路接地，交流电串入直流回路对电缆分布电容发生充放电，导致1号、2号主变压器非电量保护出口跳闸，继电器接点抖动，开关跳闸。3号主变压器安装位置离主控室最近，控制电缆最短，其对地分布电容较小，在直流电源正极接地的情况下，非电量保护出口跳闸，继电器的分压值未达到动作门槛电压，瞬间的抖动不足以使继电器出口跳闸，因此开关未跳闸。

直流系统正极接地示意图如图 3所示。正常运行情况下，直流系统绝缘良好，直流回路中不存在交流电源，单一的直流耦合在跳闸继电器中分压很小，不足以使继电器动作误跳闸。当交流电串入直流正极回路时，交流电源经C_A—C_T—LP1—TBJ与跳闸出口继电器CKJ形成回路，交流电源对地电容C_A较小，可忽略。整个回路的阻抗为：

(1)

式中  ω—角频率，为2πf（f为电力系统频率，为50 Hz）；

R—直流回路电阻。

施加在CKJ上的电压为：

(2)

式中  U_AC—交流电压。

由公式（2）可知，控制电缆的分布电容C_T越大，加在跳闸出口继电器上的电压有效值就越大。结合U_AC的交变特性，当U_R＞U_D（继电器动作电压），且U_R持续时间大于继电器动作时间时，继电器就会发生误动。该变电站3号主变压器直流回路电缆较短，对地电容C_T和施加在跳闸出口继电器CKJ的电压U_R均较小，虽在超过继电器动作电压U_D时发生抖动，但因继电器动作时间短，没有造成开关跳闸。

2 直流系统异常导致的危害

由直流系统异常引发的继电保护事故时有发生，会导致保护装置拒动、误动，重大电气设备损坏，甚至造成电网解列。具体会造成以下危害。

（1）交流电串入直流系统时，通过对地电容与跳合闸线圈形成回路，导致跳合闸继电器反复动作，击穿测控装置压敏电阻，保护装置无故障跳闸，对电网稳定运行造成严重破坏。

（2）变电站的交、直流系统绝缘损坏时，交、直流相互影响，对微机保护产生电磁干扰，使得交、直流同时异常，导致保护装置误动或拒动。

（3）交流量使直流母线电压的纹波系数大大增加，对微机保护、自动装置的电子电路造成诸多不良影响，如降低测量精度、缩短装置使用寿命等。

（4）由于交流电的交变特性，交流串入直流系统容易造成间歇性直流接地，直流接地保护装置来不及动作，当间歇性接地信号消失后，采用直流拉路法进行查找难度增大，接地故障是否会进一步恶化也无法预料。

3 防止交流电串入直流系统的措施

对交流电串入直流回路导致的直流系统故障应给予足够重视，及时掌握直流系统故障规律并制定对策，以确保直流系统乃至整个电力系统的稳定运行。具体措施如下。

3.1 加强直流系统设计施工管控

（1）在变电站设计施工阶段，交、直流电缆应分开布置，不共用1根电缆，避免交流电串入直流回路导致直流接地。

（2）所有二次回路电缆均应使用屏蔽电缆，屏蔽层两端接地，严禁使用电缆内的空线替代屏蔽层接地。

（3）交直流端子分区布置^[4]，中间加装隔离端子，采用不同颜色或字头区分，防止工作人员误接线导致交流量直接接入直流回路中。

（4）非电量保护中开关场部分的中间继电器，须由强电直流启动，且应采用启动功率较大的中间继电器，满足启动功率不小于5 W，动作电压在额定电压（220 V）的55%~70%，动作时间不小于10 ms。

3.2 改进直流绝缘监测装置

早期的变电站直流系统绝缘监测装置，不具备交流电串入直流系统的故障监测和报警功能。应对此类直流系统绝缘监测装置进行改造，使其可以在发生交、直流系统绝缘异常或交流电串入直流回路时，及时告警，以便及时处理。

3.3 改进继电保护及自动装置

在继电保护装置的交流输入回路加装隔离变压器、滤波电容等，使交、直流系统与大地在物理层面上分开，阻止直流系统与交流系统可能存在的电气耦合，有效消除直流系统中串入的交流量，防止保护装置不正确动作。

3.4 严格控制直流系统电缆布置方式

按照直流系统技术标准，直流系统的电缆不宜敷设过长，应避免和减少迂回，目前设计规程对此并无明确规定，原则上不宜超过400 m^[5-6]。从直流系统正负电源引向开关场的电缆芯数越多，电缆越长，正负极电缆对地分布电容就越大，交流电串入直流回路时施加于继电器的交流电压衰减越慢，因此合理布置二次电缆至关重要。当直流负荷过大时，可考虑采用分开独立供电方式，缩短电缆敷设长度，同时也可确保单段直流系统故障时，非故障段的正常供电。直流系统的规划设计，要充分考虑电网系统的适应性，为继电保护系统安全可靠运行创造良好条件。

3.5 提高直流系统告警信号的重要级别

直流系统告警信号如“直流系统接地”“直流电压降低”“直流绝缘异常”等，建议作为Ⅰ类缺陷处理，也可将该类信号作为仅次于保护事故信号的类别处理，避免事故范围扩大。

4 建议

鉴于变电站直流系统的重要性及引发故障造成的危害性，应从典型事故案例中积累经验，防患于未然，提出以下建议。

（1）严格按照《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》标准执行。确保交、直流回路隔离清楚，对退出运行的设备及相关回路拆除干净，防止寄生回路引发继电保护事故。

（2）选用技术成熟、性能可靠的产品，减少产品质量问题导致的直流系统故障。加大直流系统电源整改力度，采用直流空气开关代替保险，避免保险底座融化击穿出现的接地现象；提高长电缆线路中间继电器的动作功率，防止交流电串入直流系统导致的跳闸出口继电器抖动误动。

（3）加强对直流系统异常或故障的重视。直流系统一点接地不容轻视，在发生交流电串入直流回路故障时会快速演变为两点接地或多点接地，对电力系统危害极大。设备运维管理单位应加大直流系统隐患排查力度，防止直流系统接地情况发生，从而保障电网的安全稳定运行。