李书元，潘向华，苏治

（1.神华国能山东建设集团，山东济南250101；2.国网山东省电力公司，山东济南250001；3.山东理工大学，山东淄博255003）

接地故障电流干扰母线保护导致误动作分析

李书元1，潘向华2，苏治3

（1.神华国能山东建设集团，山东济南250101；2.国网山东省电力公司，山东济南250001；3.山东理工大学，山东淄博255003）

某发电厂220 kV石平线出口处发生接地短路，在线路保护动作跳闸的同时II母差保护动作，跳开所有联接的元件，造成电力系统混乱。分析认为，线路接地短路电流在243断路器失灵起动母差保护的开关量通道中产生了干扰信号，干扰信号起动母差保护并导致其误动作；根据故障现象并结合现场试验确定保护动作跳闸的条件，短路产生的冲击电流信号源出现并且干扰信号容量充足、分布电容太大、开入量起动的母线保护动作速度太快三方面因素造成保护动作。采取了相应的防范措施，问题得到彻底解决。

接地短路；故障电流干扰；开关量保护；误动作

0 引言

某电厂出现变压器瓦斯、压力释放、温度等保护误动问题，也有发电机组的电跳机、机跳电保护不正确动作的纪录，也出现过失灵起动母线保护误起动问题。

这些故障共同的特点是：起动环节是接点，重动环节是光耦元件，即所谓光耦起动的开关量保护，且保护起动时间快；起动接点有长电缆连接，即杂散电容数值较大；保护遭受到干扰信号的影响。以失灵起动的母线保护误动的问题为例，对开关量保护的误动问题进行分析。

1 故障现象

发电厂的正常运行方式：220 kV I、II段母线运行，各串断路器并串运行，机组与线路均并列运行。发电厂升压站部分系统接线见图1［1］。

故障情况：发电厂213、223、233、242、243、253、 263断路器跳闸，220 kV II母线停电，石平I线跳闸。

图1 电厂一次系统接线

石平I线线路保护动作信号，方向高频、距离高频保护动作，C相跳闸，重合不成功后加速跳开242断路器，石平I线故障测距4.7 km，故障电流26 kA；II母线差动保护的报文显示，243断路器失灵保护动作，起动II母线保护跳开所有断路器；243断路器失灵保护无动作指示信号。

值得分析的疑点是为何220 kV线路接地短路时II母线差动保护误动作，也就是说接地短路电流是如何干扰开关量保护导致其误动作的。

2 检查过程

2.1 母差保护的检查

对220 kV II母线所有失灵保护起动母差的回路进行绝缘测试，结果在200 MΩ以上。

对220 kV II母线所有断路器控制回路进行了绝缘测试，结果在200 MΩ以上。

对保护的静态特性进行了检查，并模拟了失灵保护起动母线保护的动作行为，结果正常。

2.2 分布电容的测试

243断路器失灵起动母差保护的回路有长电缆连接，对相关系统的分布电容进行测试，关键指标如下。

失灵出口接点之间电容：C=22 nF

+48 V电源对地电容：C+=360 nF

-48 V电源对地电容：C-=470 nF

2.3 录波电流的检查

对故障录波进行检查，故障时的录波图形如图2所示。图中：iC为C相故障电流；ua、ub、uc分别为220 kV II段母线三相电压。可见故障电流中存在明显的直流分量。

图2 故障时的录波图形

3 失灵保护简介

断路器失灵保护起动有两个条件，一是有保护对该断路器发跳闸命令，即相应的保护出口继电器接点闭合；二是在一段时间里该断路器有电流，即断路器任意一相有相电流，或者零序电流或负序电流，如此才能判断断路器的失灵。断路器失灵后，以t1时间重跳本断路器，以t2时间切除II母线以及中间断路器。243断路器失灵起动II母线保护的逻辑如图3所示［2-4］。

图3 243断路器失灵起动II母线保护的逻辑

4 原因分析

根据保护的原理与检查结果可知，母线差动保护误动行为与其静态特性无关，与回路绝缘无关。母线差动保护的报文显示，243断路器失灵保护动作跳闸，但243断路器失灵保护尚未动作，这是矛盾的，问题的关键是找出起动母线保护的根源。

另外全部10路失灵保护方式起动字均为0，即不可能有正常的失灵起动母差保护的信号输入。II母差保护A柜复位后“失灵起动母差保护”的指示信号消失，表明失灵起动信号已消除。失灵起动母差保护的逻辑电路见图4。

图4 失灵启动母差保护的逻辑电路

根据上述分析可以判定，II母差保护动作跳闸的原因是石平I线路C相接地故障电流产生的干扰信号起动了母差保护的失灵起动逻辑而使其跳闸。

4.1 产生干扰信号源

石平I线路C相接地故障电流进入升压站的地网、经变压器的中性点形成回路，该地电流成为干扰信号源，其故障电流的通路见图5。

当系统正常运行或发生对称接地短路时，由于系统对称，三相电流迭加后剩余不平衡电流，因此，地网中的电流为［5-6］

此时，三相电流产生的磁场基本可以抵消。

当系统故障时，尤其是不对称接地短路时，电流在接地网中流通，形成强势的干扰源。值得注意的是短路冲击电流，由于其暂态过程的突变性，造成的影响更为严重。对短路产生的冲击电流分析［7］。

短路冲击电流

式中：iimp为短路瞬时电流；Iperm为短路稳态电流；Ta为电路时间常数。

冲击电流最大值出现在短路半个周期后，即t=

0.01 s时

式中：Iper为稳态短路电流有效值；Kimp为冲击系数，，Ta从0到无限大时1≤Kimp≤2。

可见，短路冲击电流最大值为稳态短路电流最大值的2倍，数值很大。

图5 系统对地放电回路

4.2 地电流信号耦合

一次系统的短路电流经过电磁感应耦合到二次系统，会对二次系统产生严重的影响，不仅会影响到其暂态特性，甚至会影响到其动作行为。

针对某电厂的线路发生的接地故障，当地网中出现强电流时，电磁感应形成的“流控电压源”将电源信号耦合到失灵起动母差保护的开关量通道，并在保护回路形成干扰电压信号源，地电流干扰光耦开入量保护逻辑电路示意见图6。图6中，R1、R2、R3为电阻，D为光电耦合器，i为故障电流，i1为故障电流的分流值。

图6 干扰信号入侵母差起动回路原理结构

4.3 分布电容

干扰信号的入侵离不开分布电容，干扰信号入侵母差与失灵保护连接通道后，是分布电容为干扰信号入提供了路径，使干扰信号跨过了失灵保护的接点进入母差保护直接起动了跳闸逻辑，并通过出口导致其误动作，见图6。

4.4 逻辑判断电路

母差保护逻辑输入通道采用的是光耦电路，干扰信号下光耦电路能够起动跳闸的原因是动作速度太快。试验表明，信号脉冲幅度24 V、宽度5 ms的干扰电压即可起动保护，试验起动母差保护的波形见图7。可见，失灵保护的起动母差动作的速度太快。并且，干扰信号入侵母差保护输入通道后，直接进入逻辑判断环节，由于其他的闭锁条件已满足，容易起动出口跳闸。

图7 试验启动母差保护的波形

4.5 参数估算

对于干扰电压［8］

式中：r为耦合系数；i1为接地故障电流的分流值。

干扰电压产生的对光耦二极管的放电电流直流分量［8］

式中：R为回路电阻，R=R1+R2=4.8 kΩ；U0为电磁感应产生的电压直流分量。

一般设计光耦二极管输入10 mA可以正常工作，但只要i＞5 mA，即u＞24 V，光耦输出能够可靠翻转，这与试验结果一致。如此再测算r与i1的具体数值意义不大。

对于分布电容，在时间上，只要电容充电导通t＞5 ms，母差保护即可动作。根据以往的现场测试数据表明，一般分布电容C＞20 nF，干扰电压信号则很容易通过。此地实测的分布电容，也在范围之内。

在上述RC电路中，电阻电容时间常数τ=RC= 4.8×20≈0.1 ms。显然，0.1 ms的时间常数，在干扰电压的作用下光耦逻辑输出能够可靠翻转。

值得注意的是干扰电压u、分布电容C以及回路电阻R等参数都能影响到光耦二极管输入干扰电流与导通时间，在分析问题时应统筹考虑，不可单独强调某一个物理量的作用。

4.6 光耦执行电路与重动继电器

开关量输入的执行元件有光耦电路与重动继电器，两者的区别在于光耦电路动作速度快，动作功率很低，甚至可以不必用动作功率来描述其性能；至于重动继电器则恰好相反，动作功率较高，动作速度慢，动作功率与动作时间均可用来描述其性能。

综上所述，当发生接地故障时，电流进入升压站的地网成为干扰信号源。1）由于干扰信号源的出现，并且电磁感应形成的干扰信号容量充足；2）由于分布电容存在，而且电容量充足；3）由于母差保护没有延时，动作的速度太快。3个条件同时存在的条件下，则是分布电容为干扰信号入提供了路径，使干扰信号跨过了失灵保护的接点进入母差保护直接起动了跳闸逻辑，并通过出口导致其误动作。

同样，不仅母线差动保护会在如此的条件下误动作，其他开入量保护，包括发电机、变压器的开入量保护；发电机组的电跳机、机跳电等保护；还有其他原理相同的开入量信号，也会在如此的条件下误动作。

5 防范措施

对于上述导致保护误动作的3种因素，只要其中的任何一项不存在，则母差保护不会误动作，因此确定了以下措施［8-9］。

1）屏蔽措施。将母差保护逻辑输入的连线采用屏蔽电缆，并实施两端接地措施，以拟制干扰信号的传播或降低干扰信号的强度。

2）增加逻辑延时时间。在母差保护的动作逻辑中设置10 ms的延时，使母差保护逻辑判断躲过干扰信号脉冲的影响。

3）增加重动继电器。增加动作功率大于5 W的重动继电器，将入侵母差保护逻辑通道的干扰信号脉冲吸收。

4）增加抗干扰电容。利用电容两端电压不能突变的特性，在母差保护开入量通道的入口处增加抗干扰电容电路。并联C=10 μF的电容，可吸收掉暂态干扰脉冲信号。

以上措施在现场只实施了1）、2）项，发电厂的问题就得到了解决，如果只实施1）、3）项或1）、4）项，效果也会一样。

运行结果表明，关于母差保护起动量是接点信号的一类误动问题得到了解决。同时，以上措施的实施也解决了系统的设备无故障而停电的问题。由此有效地避免了保护误动、开关误跳、信号误发、机组误停的一系列问题。

6 结语

当电力系统发生接地故障时光耦起动的开入量保护误动作，即出现所说的地电流干扰开关量保护导致其误动作的问题时，应从检测回路的分布电容、检测执行元件的动作时间、以及动作功率等动态指标入手，来确定故障原因，制定防范措施，以使问题得到及时解决。

［1］何永华，阎晓霞，陈霞.发电厂及变电站的二次回路［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答［M］.北京：中国电力出版社，1997.

［3］朱声石.高压电网继电保护原理与技术［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［4］王维检.电气主设备继电保护原理与应用［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［6］国家电力调度通信中心.继电保护培训教材［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［7］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［8］苏文博，李鹏博，张高峰.继电保护事故处理技术与实例［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［9］国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型故障分析［M］.北京：中国电力出版社，2001.

Earth Fault Current Lead to Bus Differential Protection Maloperation

The earthed fault took place at the end of Shiping transmission line in a power plant，which caused the trip of line protection and bus differential protection.The maloperation of the bus differential protection tripped all the units and caused confusion in the power system.We analyzed that the earth short-circuit current generated interference signals in the channel of breaker 243 fail protection，which caused the maloperation of the bus differential protection.It was determined by fault phenomenon and experiments that the trip conditions include the appearance of the impulse current signal source，the enough capacity of interference signals，the large stray capacitances and the high velocity of bus differential protection.The precautionary measure was suggested in the paper to solve the problem thoroughly.

earthed faults；fault current invasion；switching quantity protection；maloperation

TM773

：B

：1007－9904（2014）04－0049－04

2014-05-19

李书元（1974—），男，工程师，研究方向为电力系统及其自动化；

潘向华（1976—），男，高级工程师，研究方向为电力系统及其自动化；

苏治（1991—），男，研究方向为电力系统继电保护故障分析。