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摘要：大型水力发电厂继电保护设备直流系统的运行状况，它直接关系厂内继电保护设备的运行安全和所在电网的运行安全。由于水电厂直流系统是统一给厂内继电保护等二次设备供电，所以，直流系统运行质量好坏与否对水电厂发动机、高压开关和主变压器等电力生产设备直接造成了严重影响。由于直流电量的基本特性和交流电量的基本特性不同，这也为水电厂直流系统防止混入交流成分找到了启示和方法。
关键词：大型水电厂 继电保护 直流和交流 干扰与防护
随着水电厂装机容量的不断增大，大型水电厂作为重要社会动力电源提供者的地位日益突出，因此，大型水电厂发电机组运行质量的好坏与否直接关系到整个社会动力电源的基本需求。在保障大型水电厂发电机组运行质量的诸多技术环节当中，水电厂配置的继电保护设备有着首屈一指的重要地位，因此，对水电厂继电保护设备运行状况的持续深入关注和研究是保证继电保护设备安全稳定高效运行的基本态度，从而也为水电厂发电机组的安全稳定高效运行打下坚实基础，并最终为社会生活提供高质量的动力电源。在如何高效保障水电厂继电保护设备安全稳定运行的众多环节当中，继电保护设备的直流系统会受到格外的关注，这主要取决于继电保护设备和水电厂直流供电的系统的连接方式上，另外，水电厂直流系统出现异常将会对全厂的继电保护设备造成大面积的运行破坏，从而危及全厂发电机组的安全稳定运行。在对水电厂直流供电系统的诸多干扰中，交流电量混入直流系统是水电厂较为常见并且危害最为严重的故障现象。鉴于直流电量和交流电量的基本物理特性，以及水电厂继电保护设备直流部分的技术原理，本文将对水电厂继电保护设备直流部分受到交流电量干扰的异常现象、技术原理和防护方法进行仔细的分析和讨论。
1. 直流电量和交流电量的基本物理特性
电源的电动势形成了电压，继而产生了电场力，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成了电流。电流的大小称为电流强度，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1安培。其数学表达式I=q/t。对于电量来说，在电场力的压力下出现了电压、电流和电阻三个基本的描述电量的物理量。对于直流电量，它完全遵循I=U/R的物理描述（U代表电场力，I代表单位时间内流动的电荷，R代表电流阻力） ，其中，U的极性是稳定不变的，即电荷移动方向不变。
交流电量与直流电量有很大不同，交流电量是导电体受到磁势差的不断作用造成，为了能量转换的方便，人们推动有一定数量的磁极，让磁场去不间断扫动一些含自由电荷丰富的导电体以形成交流电源，所以，在交流电源中，特别是大型水电机组，频率遵循P=60*f/n公式（f=发电频率，n=电机转速，P=电机极数），于是有了50HZ交流标准频率的国家规定，即：交流电量的电势极性每秒钟有50次变化，所以，正弦交流电流的数学表达式为i=I（m）sin2πft 。如果认为直流的频率是0的话，那么这就是交流电量和直流电量在极性变化方面的重要区别。由于直流电量和交流电量在这些方面的基本差异，所以，在对不同性质的负载作用时，两者所表现出来的基本物理现象也有着巨大差异。这些巨大差异就有可能出现巨大的破坏力，这就是下面要讨论的水电厂使用直流电源的继电保护设备混入交流电量时引发的异常与故障。
2. 水电厂继电保护的直流电源部分及其技术原理
首先来看一下大型水电厂直流电源的组成和运行情况，一般情况下，大型水电厂多采用蓄电池组浮充电的方式给厂内继电保护、自动装置等二次设备提供工作电源。直流蓄电池组电压差一般为220V，正负极各为110V，蓄电池采用铅酸蓄电池的较多，多由110个左右的蓄电池分两组串联组成。运行时，将蓄电池组与交流整流线路并联连接到负载电路上，由交流整流线路给负载供电的同时给蓄电池浮充电，以确保蓄电池组始终处于充满电的状态。当负载较轻而电源线路电压较高时，蓄电池组进行充电运行，当负载较重或交流整流电源发生意外中断时，利用蓄电池的高倍率放电特性进行放电，分担部分或全部负载。这样，蓄电池组便起到直流稳压和备用电源的作用，从而为水电厂重要的二次设备提供可靠的直流电源。
3. 水电厂继电保护装置的直流部分
水电厂继电保护装置的直流部分主要是其电源部分，保护装置将从水电厂直流系统输入的220V直流电源，经过自身电源模块变换出5V和24V两种规格的直流电压，其中直流5V电压主要给保护装置的CPU电子插件和OUT电子插件使用，24V直流电压主要给保护装置判别保护范围内高压开关位置等信号输入的电子插件使用。
由于大型水电厂的直流系统通常采用分段统一供电的运行方式，所以直流负载数量很多，而且，还经常出现同一负载交直流共同使用的现象，因此，特殊故障情况下极易出现交流电量进入直流系统大面积危害直流负载的故障，其中就包括对继电保护装置正常安全运行的破坏。交流电量进入直流系统对继电保护装置的主要破坏分析
由于水电厂继电保护装置的直流部分主要关联到保护装置的CPU电子插件、OUT电子插件使用及外围高压开关位置判别插件，下面我们就逐一分析交流进入直流系统时对它们的破坏现象。
首先是交流电量进入直流系统时对CPU电子插件的破坏。继电保护的CPU电子插件所使用的5V直流电压是经过电源模块变压后输出的，因此，保护装置的电源模块是否具有滤波功能直接影响CPU电子插件的正常运行。根据保护规程要求：当采用蓄电池组作直流电源时，由浮充电设备引起的波纹系数不应大于5%，所以，在理论上保护装置的电源模块可以不具有滤波功能。从一些发生的类似故障也可以看出，水电厂交流电量混入直流系统时，多数会出现继电保护装置工作异常现象，这说明保护装置的电源模块并不具有滤波功能。由于保护装置本身所具有的自检程序，就是交流电量混入保护装置的CPU电子插件电源，保护装置也不会出现勿动，但是，它还是会造成保护装置CPU电子插件的运行不稳定，给保护装置和发电机组带来潜在不可低估的危险隐患。 其次是交流电量进入直流系统对保护装置OUT电子插件造成的破坏，由于保护装置CPU电子插件的工作电源在混入交流成分时并不会造成该插件勿动，因此，对于由CPU电子插件控制的OUT电子插件而言，其工作电源混入交流成分时的破坏水平不会高于CPU电子插件从而造成保护勿动。
对于开关位置判别插件来说，在它的工作电源中混入交流成分破坏性是很大的，它直接会造成保护装置对开关位置的误判，这些都与开关位置判别插件的工作原理密切相关。开关位置判别插件是直流回路串入代表高压开关实际位置的辅助接点，由辅助接点随着高压开关的分合而接通或断开进行开关位置判别，这个回路还串有发光二极管，当回路接通时，发光二极管接通直流回路，再由插件的感光元件将光信号还原为高电位的电信号。相反，回路的辅助触点断开时，发光二极管熄灭，插件的感光元件在没有光信号感应的情况下会输出一个低电位的电信号。插件根据电信号的高低判断一次高压开关的具体实际状态。当交流电量混入直流系统时，交流电量极性和大小的变化将会使发光二极管出现异常发光状态从而引起保护插件误判，进而可能引起保护装置勿动。2010年5月，公伯峡水电厂5号机组二次盘柜检修期间，由于甩除二次接线的时候，错误的造成瞬时性的交流电量误入直流系统，该错误直接造成接于该段直流的6套变压器发电机保护装置和2套母线差动保护装置瞬时全部开放进入故障判别状态，并且，配套的3台机组故障录波装置也均有开关量启动录波现象，并上传中央控制室信号，这些异常状态严重威胁到大型水电厂一次机组设备的运行安全。
4. 继电保护设备直流系统受到交流电量干扰时的防护
在继电保护装置的电源模块上，加装具有滤波功能的回路是防止保护装置直流部分受到交流干扰破坏的主要方法。电容滤波是利用电容对特定频率的等效容抗小，近似短路来实现的。 容抗Xc=1/（ωC）=1/（2πfC），例如：滤频用2000uF电容---它对50Hz信号的等效容抗只有1.6欧姆，容抗非常小，因此在继电保护装置的直流电源回路加装滤波电容将是解决交流电干扰直流负载的有效方法。
5. 小结
解决继电保护装置的直流电源受交流成分混入造成干扰破坏的问题，是确保保护装置及水电厂发电机组安全稳定运行的重要技术思考，由于它需要进一步的在具体设备情况下展开试验，所以，具体解决保护装置直流电源抗交流干扰工作还需进一步细致的从理论和试验方面展开。
作者简介：
李明奎（1977年-）大专学历，助工，长期从事现场继电保护工作。
关键词：大型水电厂 继电保护 直流和交流 干扰与防护
随着水电厂装机容量的不断增大，大型水电厂作为重要社会动力电源提供者的地位日益突出，因此，大型水电厂发电机组运行质量的好坏与否直接关系到整个社会动力电源的基本需求。在保障大型水电厂发电机组运行质量的诸多技术环节当中，水电厂配置的继电保护设备有着首屈一指的重要地位，因此，对水电厂继电保护设备运行状况的持续深入关注和研究是保证继电保护设备安全稳定高效运行的基本态度，从而也为水电厂发电机组的安全稳定高效运行打下坚实基础，并最终为社会生活提供高质量的动力电源。在如何高效保障水电厂继电保护设备安全稳定运行的众多环节当中，继电保护设备的直流系统会受到格外的关注，这主要取决于继电保护设备和水电厂直流供电的系统的连接方式上，另外，水电厂直流系统出现异常将会对全厂的继电保护设备造成大面积的运行破坏，从而危及全厂发电机组的安全稳定运行。在对水电厂直流供电系统的诸多干扰中，交流电量混入直流系统是水电厂较为常见并且危害最为严重的故障现象。鉴于直流电量和交流电量的基本物理特性，以及水电厂继电保护设备直流部分的技术原理，本文将对水电厂继电保护设备直流部分受到交流电量干扰的异常现象、技术原理和防护方法进行仔细的分析和讨论。
1. 直流电量和交流电量的基本物理特性
电源的电动势形成了电压，继而产生了电场力，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成了电流。电流的大小称为电流强度，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1安培。其数学表达式I=q/t。对于电量来说，在电场力的压力下出现了电压、电流和电阻三个基本的描述电量的物理量。对于直流电量，它完全遵循I=U/R的物理描述（U代表电场力，I代表单位时间内流动的电荷，R代表电流阻力） ，其中，U的极性是稳定不变的，即电荷移动方向不变。
交流电量与直流电量有很大不同，交流电量是导电体受到磁势差的不断作用造成，为了能量转换的方便，人们推动有一定数量的磁极，让磁场去不间断扫动一些含自由电荷丰富的导电体以形成交流电源，所以，在交流电源中，特别是大型水电机组，频率遵循P=60*f/n公式（f=发电频率，n=电机转速，P=电机极数），于是有了50HZ交流标准频率的国家规定，即：交流电量的电势极性每秒钟有50次变化，所以，正弦交流电流的数学表达式为i=I（m）sin2πft 。如果认为直流的频率是0的话，那么这就是交流电量和直流电量在极性变化方面的重要区别。由于直流电量和交流电量在这些方面的基本差异，所以，在对不同性质的负载作用时，两者所表现出来的基本物理现象也有着巨大差异。这些巨大差异就有可能出现巨大的破坏力，这就是下面要讨论的水电厂使用直流电源的继电保护设备混入交流电量时引发的异常与故障。
2. 水电厂继电保护的直流电源部分及其技术原理
首先来看一下大型水电厂直流电源的组成和运行情况，一般情况下，大型水电厂多采用蓄电池组浮充电的方式给厂内继电保护、自动装置等二次设备提供工作电源。直流蓄电池组电压差一般为220V，正负极各为110V，蓄电池采用铅酸蓄电池的较多，多由110个左右的蓄电池分两组串联组成。运行时，将蓄电池组与交流整流线路并联连接到负载电路上，由交流整流线路给负载供电的同时给蓄电池浮充电，以确保蓄电池组始终处于充满电的状态。当负载较轻而电源线路电压较高时，蓄电池组进行充电运行，当负载较重或交流整流电源发生意外中断时，利用蓄电池的高倍率放电特性进行放电，分担部分或全部负载。这样，蓄电池组便起到直流稳压和备用电源的作用，从而为水电厂重要的二次设备提供可靠的直流电源。
3. 水电厂继电保护装置的直流部分
水电厂继电保护装置的直流部分主要是其电源部分，保护装置将从水电厂直流系统输入的220V直流电源，经过自身电源模块变换出5V和24V两种规格的直流电压，其中直流5V电压主要给保护装置的CPU电子插件和OUT电子插件使用，24V直流电压主要给保护装置判别保护范围内高压开关位置等信号输入的电子插件使用。
由于大型水电厂的直流系统通常采用分段统一供电的运行方式，所以直流负载数量很多，而且，还经常出现同一负载交直流共同使用的现象，因此，特殊故障情况下极易出现交流电量进入直流系统大面积危害直流负载的故障，其中就包括对继电保护装置正常安全运行的破坏。交流电量进入直流系统对继电保护装置的主要破坏分析
由于水电厂继电保护装置的直流部分主要关联到保护装置的CPU电子插件、OUT电子插件使用及外围高压开关位置判别插件，下面我们就逐一分析交流进入直流系统时对它们的破坏现象。
首先是交流电量进入直流系统时对CPU电子插件的破坏。继电保护的CPU电子插件所使用的5V直流电压是经过电源模块变压后输出的，因此，保护装置的电源模块是否具有滤波功能直接影响CPU电子插件的正常运行。根据保护规程要求：当采用蓄电池组作直流电源时，由浮充电设备引起的波纹系数不应大于5%，所以，在理论上保护装置的电源模块可以不具有滤波功能。从一些发生的类似故障也可以看出，水电厂交流电量混入直流系统时，多数会出现继电保护装置工作异常现象，这说明保护装置的电源模块并不具有滤波功能。由于保护装置本身所具有的自检程序，就是交流电量混入保护装置的CPU电子插件电源，保护装置也不会出现勿动，但是，它还是会造成保护装置CPU电子插件的运行不稳定，给保护装置和发电机组带来潜在不可低估的危险隐患。 其次是交流电量进入直流系统对保护装置OUT电子插件造成的破坏，由于保护装置CPU电子插件的工作电源在混入交流成分时并不会造成该插件勿动，因此，对于由CPU电子插件控制的OUT电子插件而言，其工作电源混入交流成分时的破坏水平不会高于CPU电子插件从而造成保护勿动。
对于开关位置判别插件来说，在它的工作电源中混入交流成分破坏性是很大的，它直接会造成保护装置对开关位置的误判，这些都与开关位置判别插件的工作原理密切相关。开关位置判别插件是直流回路串入代表高压开关实际位置的辅助接点，由辅助接点随着高压开关的分合而接通或断开进行开关位置判别，这个回路还串有发光二极管，当回路接通时，发光二极管接通直流回路，再由插件的感光元件将光信号还原为高电位的电信号。相反，回路的辅助触点断开时，发光二极管熄灭，插件的感光元件在没有光信号感应的情况下会输出一个低电位的电信号。插件根据电信号的高低判断一次高压开关的具体实际状态。当交流电量混入直流系统时，交流电量极性和大小的变化将会使发光二极管出现异常发光状态从而引起保护插件误判，进而可能引起保护装置勿动。2010年5月，公伯峡水电厂5号机组二次盘柜检修期间，由于甩除二次接线的时候，错误的造成瞬时性的交流电量误入直流系统，该错误直接造成接于该段直流的6套变压器发电机保护装置和2套母线差动保护装置瞬时全部开放进入故障判别状态，并且，配套的3台机组故障录波装置也均有开关量启动录波现象，并上传中央控制室信号，这些异常状态严重威胁到大型水电厂一次机组设备的运行安全。
4. 继电保护设备直流系统受到交流电量干扰时的防护
在继电保护装置的电源模块上，加装具有滤波功能的回路是防止保护装置直流部分受到交流干扰破坏的主要方法。电容滤波是利用电容对特定频率的等效容抗小，近似短路来实现的。 容抗Xc=1/（ωC）=1/（2πfC），例如：滤频用2000uF电容---它对50Hz信号的等效容抗只有1.6欧姆，容抗非常小，因此在继电保护装置的直流电源回路加装滤波电容将是解决交流电干扰直流负载的有效方法。
5. 小结
解决继电保护装置的直流电源受交流成分混入造成干扰破坏的问题，是确保保护装置及水电厂发电机组安全稳定运行的重要技术思考，由于它需要进一步的在具体设备情况下展开试验，所以，具体解决保护装置直流电源抗交流干扰工作还需进一步细致的从理论和试验方面展开。
作者简介：
李明奎（1977年-）大专学历，助工，长期从事现场继电保护工作。