直流接地引起机组跳闸事故的分析与处理
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直流接地引起机组跳闸事故的分析与处理
许凌云1,范 辉2
（1.华能河北邯峰发电厂,河北 邯郸 056200；
2.河北省电力研究院，河北 石家庄 050021） 摘 要：通过描述一起直流接地引起的机组跳闸事故的处理过程，分析了动作值较低的接口光耦元件或快速中间继电器在直流系统正极一点接地情况下容易发生误动作的原因，提出了具体的改进方案。
关键词：直流接地；光耦元件；分析；误动作
1 事故概况
某电厂1台660MW火电机组全套引进德国设备，采用自并励全控整流静止励磁方式。正常运行中，发电机失磁（低励）保护动作出口，机组跳闸甩负荷，给电网造成很大冲击。事故发生后，从故障录波分析得出机组跳闸原因是：发电机运行中突然完全失去励磁，导致深度进相运行，并最终由发电机失磁保护动作跳闸。发电机全进相过程持续约2.2s，失磁保护从启动到跳闸延时1.5s，继电保护属于正确动作，保证了主设备和系统安全，但是造成发电机运行中突然失磁的原因待查。
2 事故分析
为查清导致发电机失磁的原因，对发电机数字式励磁调节器和计算机分散控制系统记录的报警信息进行了认真核对检查后发现：机组跳闸前励磁调节器先后2次接到“外部保护跳闸”灭磁指令，时间间隔2.3s左右，第二次是发电机失磁保护动作出口时产生的，但是第一次灭磁指令应该是误发信号。在排除了继电保护误动作、出口继电器接点抖动、控制电缆芯线短路和人为误碰等可能的情况后，失磁原因初步判断为：励磁调节器接收发变组保护灭磁命令的接口光耦元件因为某种原因而误动作，启动了励磁调节器逆变灭磁程序，导致发电机正常运行中突然失磁,具体情况见图1(a)。 图2所示为发电机失磁跳闸时的故障录波，录波通道自上而下依次是：发电机定子电流、励磁变高压侧电流、发变组保护柜的灭磁命令1和命令2接点。
录波图显示，与发电机失磁保护跳闸脉冲相对应，发电机主开关跳开，定子电流消失。此前约2.2s励磁变高压侧电流消失，说明在该时刻发电机已经完全失磁。在这段时间内发电机进相运行，大量吸收系统无功功率并伴随有功功率的振荡，造成了发电机定子电流的增大和摆动，电气参数变化为典型的发电机失磁过程。值得注意的是，在励磁变高压侧电流消失前约200ms，记录了一次直流电压异常，后经多次试验的波形比对，认定该异常是直流系统正极对地瞬时一点接地造成的。同时，模拟励磁调节器“外部保护跳闸”启动逆变灭磁试验，证实了从接口光耦元件动作到可控硅逆变灭磁的延时就是200ms左右。 分析故障录波数据可以得出：由于机组直流系统正极瞬时一点接地，造成了发电机励磁调节器“外部保护跳闸”灭磁命令的接口光耦元件发生误动作，启动了逆变灭磁程序进而发电机失磁跳闸。
3 光耦误动原因
在对励磁调节器“外部保护跳闸”灭磁命令接口光耦进行试验时发现，其特性比较复杂：正、反向加直流电压光耦的伏安特性基本一致，电流约0.69mA时，正向电压达到35V左右，其输出级导通，升高电压至200V，电流仅为4.47mA，基本呈线性变化。反向加直流电压时光耦输出级不导通。由于该光耦动作电压值和电流值太低容易误动作，在此处用于励磁系统外部启动灭磁命令接口回路不恰当。
图3为励磁调节器“外部保护跳闸”灭磁命令接口光耦的等效电路。由于励磁柜和发变组保护柜间以60～100m的控制电缆相联，经过光耦元件的直流负极电缆芯线对地存在等效电容C2。在直流系统正极一点接地瞬间，势必会有充电电流流过光耦回路，使C2的极间电压从110V升高至220V。该充电电流的幅值和续流时间取决于直流系统正极是否为金属性直接接地及光耦回路的阻抗值。
在模拟直流接地试验的录波通道中，CH1是直流正对地电压，CH2是直流负对地电压，CH3是经过光耦的负对地电压，CH4是光耦输入级两端的电压，CH5是光耦输出级两端的电位。在直流系统正极金属性直接接地瞬间，正对地电压由+125V跃变为0，同时负对地电压由-98V跃变为-223V，两者变化趋势完全一致。虽经过光耦的负对地电压也是由-98V下降为-223V，但是变化趋势较JP2缓和，与不经过光耦的负对地电压变化有明显差异，对应这个差异在光耦输入级两端出现幅值为+102V左右的脉冲电位，同时光耦输出级两端的电位翻转。
反复的试验数据显示，直流系统正极接地所引起的光耦元件误动是因为1根电缆芯线的对地等效电容量非常小，光耦元件动作时间只有不到3ms。如果是直流正极经电阻接地，正、负极对地的电压跃变不够陡直，光耦输入级两端的电压很小，将不会造成光耦元件的动作。而且如此短暂的光耦输出级导通并不能每次被发电机励磁调节器感受到，进而启动逆变灭磁程序。试验时，模拟经过不同阻值的直流正极接地10次，其中8次金属性直接接地时光耦输出级两端的电位均翻转，翻转时间在0.8～2.8ms之间，励磁系统只有2次感受到“外部跳闸命令”并启动逆变灭磁程序。
另外，当经过光耦元件的这根直流负极电缆芯线接地时，光耦中将流过整个直流系统负极对地等效电容的充电电流，并且光耦回路的阻抗值越大，该充电过程的持续时间越长。因此，只要光耦元件的动作电压值低于110V则必动无疑。试验还发现，与光耦元件类似的小功率快速中间继电器也存在直流接地情况下容易误动的问题。
4 改进方案
在原电力部安全生产司1999年下发191号文的《继电保护反事故措施》中要求：“跳闸出口继电器的起动电压不宜低于直流额定电压的50%，以防止继电器线圈正电源侧接地时因直流回路过大的电容放电引起误动作。如为加快动作，则允许动作电压略低于额定电压的50%，但是应采用动作功率较大（例如5W以上）的中间继电器。由变压器、电抗器瓦斯保护起动的中间继电器，由于联线长，电缆电容大，为避免电源正极接地误动作，应采用较大起动功率的中间继电器，并且不要求快速动作。”
从原理上讲，提高该接口光耦元件的动作电压到110V以上，或在外部灭磁命令进入励磁调节器后增加100ms延时确认，就可以解决此类误动问题，具体方案为：
a.更换为动作电压（电流）更高的接口光耦元件。德国某公司新的光耦元件动作电压为94V，动作电流2mA，仍不能可靠避免直流系统正极接地的误动事故，所以在更换了光耦元件后还要采取其它防止误动措施。
b.在接口光耦回路中串入适当电阻或在光耦的输入级并联适当电阻，都可以提高其动作值，防止其误动作。但是这种方法显然降低了回路的可靠性，也难以避免因经过光耦元件的直流负极电缆芯线接地而引起的误动。
c.在励磁柜处的接口光耦元件前加装动作电压足够高的小中间继电器，由小中间继电器的接点启动光耦元件动作。此时发变组保护灭磁将多出一级小中间继电器的固有动作延时，并且该继电器应该选择非快速动作。
d.在发变组保护柜将2副出口接点分别接在光耦两端，使光耦与直流系统正、负极隔离，正常情况下光耦的两端不带任何电位。这样直流系统正接地时，不会产生流经光耦回路的充电电流，从而避免了光耦的误动作，见图1(b)。
5 结束语
现场采取了a.和d.2项措施后，机组一直运行正常，说明励磁调节器“外部保护跳闸”接口光耦元件的误动问题已经解决。但是其它类似的二次回路，特别是采用动作电压（电流）较小的光耦元件或快速中间继电器的，应注意采取适当的防止直流系统接地时误动的措施。
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