[科普中国]-出口继电器

简介

近年来, 随着微机保护及集成型断路器操作箱的广泛应用, 变电站保护和控制设备的小型化、智能化及自动化水平大大提高, 由于某些二次设备制造厂家在设计设备的小型化同时, 对出口继电器和开入光耦的安全动作功率重视不够, 驱动功率普遍较小。当这些出口继电器或开入光耦外接电缆较长、分布电容不能忽略时, 常在系统有较大扰动时引起误动, 造成电网事故。为此, 《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中提出“经长电缆跳闸回路, 宜采取增加出口继电器动作功率等措施, 防止误动” 。众所周知, 增加动作功率势必要增加设备的体积和功耗, 并不是越大越好。因此, 继电器和光耦的最小安全动作功率成了抗干扰措施的重要参数。2007 年现场实测和分析了各种干扰源的干扰水平和性质, 并通过实测控制电缆的分布电容参数, 较详细地研究了安全动作功率与可接电缆长度的关系,得到了相对量化的继电保护出口继电器及开入光耦安全动作功率1。

变电站干扰水平测试与分析1)开关场操作空间电磁干扰

开关场刀闸带电操作是一种很强的干扰源, 它的干扰电压瞬间幅值可达到2 kV ～ 3 kV , 干扰波可以通过母线辐射和耦合进入控制电缆芯线对保护及二次设备造成干扰。

2)断开直流回路电感线圈对直流系统的干扰

断开直流回路电感线圈可能直接对同一直流系统的二次设备造成干扰。为此, 实测了4 次不同500 kV断路器分合闸时直流操作电源回路的电压干扰波, 其中最高干扰电压为100 V 左右, 干扰电压波形类似于开关场刀闸带电操作(波形图略), 也是脉冲型式, 脉冲持续时间为微秒级, 但干扰电压幅值相对较低, 不会引起出口继电器及开入光耦误动。

3)雷电干扰

雷电干扰有类似于开关场刀闸操作通过开关场的空间电磁干扰进入保护设备的一面,还有通过两端接地的屏蔽层对芯线造成干扰的一面。由于雷电波的干扰频率较刀闸操作低, 一旦受到干扰, 不太容易防止。因此, 反措要求二次设备的开关接地点要远离避雷器等一次设备的接地点。另外,电缆屏蔽层在开关场经高阻接地及在控制室直接接地的屏蔽层接地方案有利于减少这种干扰。

4)工频干扰

50 Hz 工频干扰多是由于大电流接地系统发生接地故障引起, 系统发生接地故障时, 在变电站地网和大地中流过接地故障电流, 产生地电位差, 从而在两端接地的控制电缆屏蔽层中流过工频电流, 对芯线造成干扰, 进而对于其相连接的二次设备造成干扰。为了减少50 Hz 工频对保护等二次设备的干扰, 按25 项反措要求, 在开关厂顺着电缆沟铺设铜地网后可以解决这一问题。

5)直流系统接地干扰

由于操作箱的手跳、三跳继电器及失灵保护启动开入光耦的一端一般都与电源负极相连, 另一端与控制电缆相连, 当电缆较长、分布电容不可以忽略时, 直流系统发生一点接地故障情况下, 可能造成动作功率较小的继电器或光耦开入误动。

6)交流电串入直流系统干扰

同直流系统一点接地, 当直流系统受到交流干扰后, 动作功率较小的重要出口继电器或开入光耦将误动。由于常用的交流电对地电压大多是220 V , 峰值电压311 V , 所以稳态最高干扰电压为311 V , 较直流系统接地严重。

由上述分析可看出, 引起重要出口继电器及开入光耦误动的主要原因为地网接地电阻不好情况下系统接地故障时的工频干扰、直流系统接地干扰和交流电串入直流系统干扰, 且均与外接长电缆有关2。

出口继电器及开入光耦安全动作功率对于上述几种干扰源, 地网接地电阻不好情况下系统接地故障时的工频干扰应严格按反措要求,在变电站及控制室之间铺设铜地网, 减少系统接地故障时的地电位差, 应能有效地防止误动。但对于直流系统一点接地或交流电误串入直流系统的干扰则并不那么简单, 有必要进行较深入的分析研究。

1.直流一点接地时的安全动作功率

直流系统一点接地最严重的情况是直流系统负极经一定的阻抗负接地后, 再由继电器动作变为正接地。

2 交流电串入直流系统时安全动作功率

交流电串入引起执行元件误动的主要原因与外接电缆长度有关, 如果外接电缆很短, 交流电串入直流后形不成回路, 不产生电流, 执行元件不会误动,即使电缆很长, 继电器的动作功率足够大时也不会引起误动。因此有必要分析外接电缆长度与执行元件动作功率的关系。

3.出口继电器及开入光耦安全动作延时

由于交流串入直流系统的时刻是不固定的, 当交流电非过零时刻发生串入直流事故, 串入的瞬间会出现幅值很高的尖脉冲, 尖脉冲峰值仅与回路电阻有关, 与分布电容无关, 执行元件一定会误动作。尖脉冲过后, 干扰电流按回路电阻和分布电容组成RC 电路指数衰减。

可以看出, 尖脉冲峰值电流大大超过了动作电流, 在220 V 直流系统, 5 W 执行元件脉冲电流大于临界动作电流14 .77 mA 的时间为1 .3 ms , 如果执行元件不带动作延时, 一定误动, 靠提高动作功率是无效的, 110 V 直流系统为1 .1 ms , 因此为了确保不误动, 执行元件必须带一定的动作延时。因此, 要求执行元件无论是继电器还是光耦必须带不小于2 ms延时, 才能确保不误动。

总结就目前国内现状而言, 重要继电保护出口继电器的动作功率已普遍引起人们的重视, 国家电网公司早已制定了动作功率不小于5W的反措, 但各保护厂家执行并不统一, 主要原因是微机型保护或集成型操作箱的实现有一定困难。应根据具体的工程实际情况灵活掌握, 对控制电缆仅有几十米长的小型变电站, 动作功率可以适当放宽, 对控制电缆长度超过300 m 的大型变电站, 额定功率不得小于5 W , 且动作功率不得小于额定功率的65 %。建议生产厂家在开入光耦逻辑中增加不小于2 ms的动作延时, 更换动作时间小于2 ms 的快速中间继电器, 进一步提高保护设备的安全工作性能3。