因防雷器损坏导致断路器无故障跳闸原因分析及对策

陈铁 唐娟 田芝华 费夕刚 曾春利 秦代春 蒋海军 郑建生 孙星

摘 要：分析了防雷器因老化或雷击等原因损坏所导致的直流系统一点接地问题，详细介绍了直流系统正、负极接地致使断路器无故障跳闸的原理，以及雷电流入地所引发的地电位反击等问题。通过实验分析了电容值与环境参数（温、湿度）的关系，以及致使继电器动作的临界电压与电容值的关系。并针对以上问题给出了相应的解决措施。

关键词：直流系统一点接地；地电位反击；分布电容；断路器无故障跳闸

中图分类号：TM77 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0005-04

Abstract： This paper analyzes on the one-point grounding problem of DC system caused by the damage of lightning protector due to aging or lightning strike， and introduces in detail the principle of fault free trip of circuit breaker caused by positive and negative grounding of DC system， as well as lightning into the ground caused by the potential counterattack and other issues. The relationship between capacitance and environmental parameters （such as temperature and humidity）， as well as the relationship between the critical voltage of the relay and the capacitance are analyzed by experiments. In view of the above problems， the corresponding solutions are given.

Keywords： DC system one-point grounding； ground potential counterattack； distributed capacitance； fault free trip of circuit breaker

引言

直流系統是变电站二次系统中最为重要的公用设备之一，其作用是为断路器分合闸操作、自动装置、继电保护等提供直流电源。直流系统几乎遍布变电站的所有角落，且部分地方运行环境非常恶劣，因而直流系统一点接地、交流电源串入直流系统等异常情况时有发生；雷电侵扰、高压开关操作、一次系统不对称运行等暂态过程引发的干扰也会通过各种方式耦合到直流系统中。这些问题都极有可能引起中间继电器的误动作，进而导致断路器无故障跳闸[1]。如2016年重庆某500kV变电站因负极母线上的防雷器损坏，导致直流系统负极接地，进而造成断路器无故障跳闸。本文主要针对因防雷器损坏导致的断路器误动问题进行分析，并提出相应的解决措施以供参考。

1 误动原因分析

1.1 直流系统因防雷器老化损坏导致接地故障

500kV变电站使用的控制电缆较长， 因此电缆对地的分布电容不可忽视[2]，而直流系统正、负极也存在相应的对地电容，其等效电路如图1所示。当发生直流接地或交流电源窜入直流回路等情况时，一些灵敏继电器可能会误动作。这里主要介绍因防雷器自然老化损坏而导致的直流系统正极或负极接地问题。

其中C1为电源正极的等效对地电容；C2为长电缆的对地分布电容；C3为电源负极的等效对地电容。在500kV变电站中，由于直流系统正负极所接电缆很多，C1、C3应略大于C2，R1为长电缆等效电阻，R2为中间继电器的等效电阻，R3、R4为直流电源正、负极对地绝缘电阻，R5为直流电源等效内阻。（R2、R3、R4要远大于R1、R5）

正极或负极防雷器老化损坏可能会导致直流系统的正或负极直接接地，接地瞬间电路各点的电位会发生变化，C2、C3两电容在暂态充放电过程中使得继电器两端产生电位差，即U45≠0，导致继电器动作，详细分析过程如下。

1.1.1 直流系统正母线防雷器老化损坏造成接地故障

直流系统正母线防雷器损坏造成正极接地时，接地0+时刻，U1=+110V、U4=U5=-110V、U45=0V。稳态后，U1=0V，U4=U5=-220V、U45=0V。从图1中可看出，电流经C2通过（R2+R5）流向接地点，经C3通过R5流向接地点，其中R2远大于R5，C3略大于C2，但相差不大。由一阶电路零输入响应时间常数T=RC可知，C2的充电时间将远大于C3的充电时间，即U4比U5变化慢很多。U45衰减过程的公式如下所示。

对该情况进行SIMULINK仿真计算，结果如图2所示。继电器两端电压（U45）在短暂上升过程后开始衰减，当U45维持在继电器动作电压以上的时间长于继电器的动作时间时，继电器有可能会动作。

1.1.2 直流系统负母线防雷器老化损坏造成接地故障

负极接地时，接地0+时刻，U1=+110V、U4=U5=-110V、U45=0V。接地稳态后，U1=+220V，U4=U5=0V、U45=0V。从图1中可看出，电流经C2通过R2流向接地点，经C3通过导线电阻RL流向接地点，显然R2>>RL，因此C2的放电时间将远大于C3的放电时间，即U4比U5变化慢很多，U45衰减过程的推导公式如下所示：

对该情况进行SIMULINK仿真计算，仿真结果如图3所示。直流负极接地时U45的衰减过程与正极接地情况类似，只是极性相反，即继电器两端的电压为负值。通常直流继电器两端都会反向并联一续流二极管，负极性的电流流经二极管，与电容（C2）和地构成回路，此时U45一般不会作用在继电器上，因此单纯的电源负极接地故障，导致继电器发生误动的可能性很小。

1.2 防雷器因雷击损坏造成继电器误动

研究雷电冲击电位变化之前应明确了解远处接地装置和本地接地装置的区别，即“远地”与“本地”的区别。在没有雷电活动时，两点的地电位都为零，不存在电位差。而当雷电流通过“本地”接地装置泄放时，情况便会发生变化。在雷电流作用下，单元接地体可由电阻、电感和电容组成，雷电流会在“本地”接地装置上产生电压降。而就“本地”接地装置相对于“远地”接地装置而言具有不同的电位。即“本地”与“远地”之间存在着电位差[3]。

（1）当有雷击引起正极接地点电位急剧变化时，将造成“远地”与“本地”电位不同。由于接地体不同点之间存在电阻，当雷电流通过2、6两点时，如果两点间接地电阻相对较大，则认为U26之间存在较大的电位差，可用电压源串联电阻模型来等效2、6两点间的雷击干扰源。其等效电路如图4所示，R6为地网两点之间的等效电阻。此时C1、直流电源、继电器（或续流二极管）、C2、R6和干扰源构成回路，当雷击等效干扰源通过该回路对电容C1、C2进行充电时，将造成C1、C2两端电压升高，一旦防雷器因两端电压过高而被击穿（实际情况中正极防雷器接地点与C1的接地点离得很近，可将两者视为同一接地点，因而C1两端电压与正极防雷器两端电压相等），会使得电源正极接地，当电流流向为4→5时，C2通过继电器放电，此时的继电器两端电压变化情况与1.1.1中分析的情况类似，但由于在之前C2被充电，会造成继电器两端电压峰值变大，因此当防雷器被击穿造成直流电源正极接地时，继电器动作的可能性大大增加。当直流系统正极接地，电流流向为5→4时，由于继电器两端并有续流二极管，此时二极管导通，故继电器两端不会有过高电压，此时继电器不会动作。

（2）当有雷击引起负极接地点电位急剧变化时，即U23之间存在较大的电位差，可用电压源串联电阻模型来等效2、3两点的雷击干扰源。其等效电路如图5所示，R6为地网两点之间等效电阻。此时R6、C3、继电器（或续流二极管）、C2和干扰源构成回路，当雷击等效干扰源通过该回路对电容C2、C3进行充电时，将造成C2、C3两端电压升高，而当防雷器因两端电压过高而被击穿（与正极分析时相同，C3两端电压即负极防雷器两端电压），使得电源负极接地，当电流流向为4→5时，C2通过继电器向接地点放电，此时继电器两端电压变化情况与1.1.1中类似，同理由于之前C2被充电，所带电能更大，放电时加在继电器两点的峰值电压升高，继电器动作可能性大大增加。当电流流向为5→4时，同样由于续流二极管的存在，继电器动作可能性很小。

2 实验分析

由1.1分析可知，仅当防雷器老化损坏而导致直流系统一点接地时，中间继电器两端的电压峰值不会很大，且电缆对地分布电容较小，电压衰减速度很快，这种情况下导致断路器误跳闸的可能性很小。但发生雷击时，如果防雷器因两端电压过大被击穿，从而引发直流系统一点接地，由1.2分析可知，此时中间继电器两端的瞬态电压非常高，即使分布电容很小，中间继电器仍有可能动作，这种情况下断路器误跳闸的可能性很大。因此，我们需要研究在某一分布电容值下可使继电器动作的临界电压值。

此外，由Wc=0.5CU2可看出，分布电容储存的能量与电容值成正比关系，实际上分布电容的大小会随着环境参数（温、湿度）的变化而变化，因此我们也需要考虑环境参数改变对继电器动作的影响。

基于以上分析，我们有必要实际测试以下两项数据：（1）在不同電容大小情况下，可以使继电器动作的临界电压值；（2）当环境参数（温、湿度）发生变化时，电容值的变化情况。

为此，我们进行了以下两个实验：

2.1 实验研究继电器动作与电容、电压的关系

实验使用的是许继DZY-208中间继电器（其额定电压为220V，额定值下功率消耗不超过5W），在不同电压值下对不同电容值的电容充电，再通过充满电的电容向继电器放电，记录使继电器动作的临界电压值，得到的部分实验数据如表1。继电器动作与电容、电压关系曲线见图6。

由图6可知，电容两端电压越高，使继电器动作所需的电容值便越小。可将曲线上方视为继电器动作区，曲线下方可视为安全区。实际在变电站中1000m电缆芯线对地分布电容约0.3μF。当雷电流入地时，地电位差使得分布电容两端的电压随之升高，如果电压升高到一定程度，即使很小的电容值也会使得继电器动作。

2.2 实验研究不同环境参数对分布电容的影响

电容介质的介电常数会随着环境温、湿度的变化而变化，因此我们选用平板电容器（极板间的介质为空气）和电缆与极板组成的电容器（之间的介质为电缆绝缘橡胶和空气）作为实验模型。将其放入恒温恒湿箱中，改变箱内温湿度，记录实验模型的电容值。（1）为测试温度对平板电容器电容值的影响。控制箱内湿度为70%RH，改变箱内温度（13℃-35℃），利用阻抗测试仪测得不同温度的电容值，得出其与温度关系曲线，如图7所示。（2）为测试湿度对平板电容器电容的影响，控制箱内温度为30℃，改变箱内湿度（30%RH-90%RH），利用阻抗测试仪测得不同湿度的电容值，得出其与湿度的关系曲线，如图8所示。（3）为测试温度变化对电缆与极板之间电容的影响，首先将一定长度的电缆分散开放在极板上，一起放入恒温恒湿箱后，控制箱内湿度为70%RH，改变箱内温度（10℃-45℃），利用阻抗测试仪测得不同温度的电容值，得出其与温度的关系曲线，如图9所示。（4）为测试湿度变化对电缆与极板之间等效电容的影响，控制箱内温度为30℃，改变箱内湿度（35%RH-95%RH），利用阻抗测试仪测得不同湿度的电容，得出其与湿度的关系曲线，如图10所示。

由图7可知，当湿度为70%RH，平板电容器的容值随温度的升高而减小，但明显可见容值随温度变化的程度非常小，变化范围约0.4%。

由图8可知，当温度为30℃，平板电容器的容值随湿度的升高而升高，变化范围约3.1%。

由图9可知，当湿度一定时，分散电缆与极板之间的电容随着温度的升高而升高，变化范围约5.3%。

由图10可知，当温度一定时，分散电缆与极板之间的电容随着湿度的升高而升高，变化范围约3.5%。

因此，在因防雷器老化导致的直流系统一点接地时，仅当温、湿度改变时，电容值的变化使继电器动作的可能性很小。

3 解决措施

为实现变电站直流系统稳定运行，降低继电保护装置误动概率，可以从以下三个方面入手：提高二次设备抗干扰能力、抑制干扰源、降低干扰源与二次回路间耦合程度。

3.1 提高出口继电器动作可靠性的措施

为防止暂态干扰电压引起的继电器误动作，可以使用动作功率较大的中间继电器，同时提高继电器的动作电压。

3.2 雷电流的应对措施

从上文分析可知，应尽量减小接地电阻，避免发生雷击时，造成不同接地点之间的电位差过大。

（1）使二次回路接地点尽量远离避雷器的接地点。

（2）通过增设人工垂直接地体，降低变电站接地系统的接地电阻，同时可有效减少在水平导体上的散流量，降低其他接地点的电位。

（3）避雷器的接地点尽可能架设在靠近地网中心的位置，令雷电流从接地网（正方形）的中心入地，使入地点地电位减半。

3.3 地电位差的抑制

（1）通过补充铜排以连接各接地点，使各接地点的电位差尽量降低。

（2）保证二次回路良好的对地绝缘性能，确保因雷击等原因导致地电位差较大时，二次回路绝缘不会被击穿。

（3）保证有电气连接的回路中只有一个接地点，防止因同时存在两个接地点使电缆芯线与接地网之间形成闭合回路，地电位差產生的电流会穿入该闭合回路，从而导致继电保护装置误动[2]。

4 结束语

本文通过仿真和实验得出以下结论：

（1）因防雷器自然老化损坏所导致的直流系统一点接地问题，仅当环境参数（温、湿度）发生变化时，电容值的变化致使断路器误跳闸的可能性很小。

（2）通过实验验证了在分布电容较小的情况下，较大的电压也可使继电器动作，因而当雷击造成地网电位急剧变化，致使防雷器被击穿，从而引发直流系统一点接地时，断路器跳闸的可能性很高。

（3）据以上分析给出了相应解决措施，主要围绕提高继电器动作的可靠性、雷电流的应对措施和地电位差的抑制三方面。

参考文献：

[1]钱建国，裘愉涛.一种有效防止因直流系统异常导致断路器误动的新方法[J].电力系统保护与控制，2009，37（22）：174-177.

[2]汤磊.变电站二次回路抗干扰问题研究[D].济南：山东大学，2009.

[3]赵喜军.地电位反击的机理及继电保护产品的防雷设计[J].船电技术，2010，30（3）：60-62.

[4]马福.雷击变电所地电位干扰及防护措施研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.