某水電廠(chǎng)170MW 機(jī)組跳閘事件原因分析

肖 伍

(湖北黃龍灘水力發(fā)電廠(chǎng)，湖北十堰 442000)

1 事件概況

某年6 月19 日，某地區(qū)發(fā)生暴風(fēng)雷雨天氣，在17 時(shí)40 分～18 時(shí)40 分期間，多次出現(xiàn)落雷。18 時(shí)25 分17 秒402 毫秒，該地區(qū)A 電廠(chǎng)至220kV 某變電站的220kV 黃柏線(xiàn)路(簡(jiǎn)稱(chēng)為黃柏線(xiàn))C 相發(fā)生接地短路故障;18 時(shí)25 時(shí)17 秒898 毫秒，A 電廠(chǎng)機(jī)組升壓主變壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)為主變)間隙零序保護(hù)動(dòng)作，主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，3F 機(jī)組被迫停用;隨后，黃柏線(xiàn)C 相重合成功。

A 電廠(chǎng)3F、4F 機(jī)組容量均為170MW，出口電壓為13.8kV，單元接線(xiàn)，經(jīng)過(guò)3 號(hào)、4 號(hào)主變升壓至220kV 后共同通過(guò)唯一一條220kV 線(xiàn)路黃柏線(xiàn)送至變電站。跳閘事件發(fā)生前，3F、4F 機(jī)組均處于運(yùn)行狀態(tài)，3F 機(jī)組功率輸出為:P = 50MW，Q = 21Mvar，4F 機(jī)組功率輸出為:P =50MW，Q =15Mvar;3 號(hào)主變220kV 側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)放電間隙接地，4 號(hào)主變220kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地。故障后，4F 機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)。

2 現(xiàn)場(chǎng)事實(shí)信息收集

跳閘事件發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行值班人員立即將3F停機(jī)，并組織技術(shù)人員對(duì)設(shè)備及其保護(hù)進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如下:

(1)保護(hù)動(dòng)作情況。3 號(hào)主變間隙零序保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)裝置故障報(bào)告記錄間隙零序保護(hù)動(dòng)作電流為3.04A，大于保護(hù)整定值(1.25A)。黃柏線(xiàn)線(xiàn)路保護(hù)動(dòng)作(配置兩套保護(hù)裝置，為南瑞繼保公司RCS-931A 型保護(hù)裝置光纖縱差保護(hù)動(dòng)作和北京四方公司CSL101A 型保護(hù)裝置高頻距離保護(hù)動(dòng)作)，兩套裝置故障報(bào)告顯示均動(dòng)作于黃柏線(xiàn)C 相開(kāi)關(guān)跳閘，重合閘成功。

(2)保護(hù)裝置情況。技術(shù)人員對(duì)3 號(hào)主變間隙零序二次接線(xiàn)做了檢查，牢固可靠未發(fā)現(xiàn)異常，主變保護(hù)裝置(許繼公司W(wǎng)FB-802 型保護(hù)裝置)間隙零序保護(hù)通道采樣、零漂無(wú)異常。3 號(hào)主變220kV 側(cè)放電間隙有放電痕跡，3 號(hào)主變220kV 側(cè)中性點(diǎn)避雷器、黃柏線(xiàn)避雷器未動(dòng)作。其他一次設(shè)備均無(wú)異常。

(3)故障點(diǎn)情況。故障測(cè)距裝置顯示，故障點(diǎn)距A 電廠(chǎng)7.4km。

(4)事件調(diào)查情況:

1)經(jīng)與負(fù)責(zé)維護(hù)線(xiàn)路的供電公司技術(shù)人員聯(lián)系，得知雷擊后巡線(xiàn)人員發(fā)現(xiàn)黃柏線(xiàn)10 號(hào)桿塔C 相絕緣子有閃絡(luò)痕跡。經(jīng)查閱雷電信息系統(tǒng)，在線(xiàn)路跳閘時(shí)刻前后黃柏線(xiàn)附近有多次雷電活動(dòng)。其中，18 時(shí)25分17 秒在9 ～10 號(hào)桿塔附近的落雷 (雷電流－15.9kA，距線(xiàn)路552m)和14 ～15 號(hào)桿塔附近的落雷(雷電流－51.8kA，距線(xiàn)路88m)時(shí)間與本次跳閘事件時(shí)間基本吻合。

2)核對(duì)3 號(hào)主變零序保護(hù)定值，與通知單相一致。

3)4 號(hào)主變保護(hù)裝置(型號(hào)、保護(hù)定值與3F 機(jī)組相同)在故障期間未動(dòng)作。

4)3 號(hào)、4 號(hào)主變保護(hù)裝置最近一次檢驗(yàn)工作于2010 年3 月完成，檢驗(yàn)中，主變間隙零序保護(hù)、零序電流保護(hù)性能良好。

5)黃柏線(xiàn)地線(xiàn)與A 電廠(chǎng)接地網(wǎng)直接相連。經(jīng)檢查，判斷3 號(hào)機(jī)、黃柏線(xiàn)的相關(guān)一次、二次設(shè)備及回路無(wú)異常。

3 事件調(diào)查分析

3.1 繼電保護(hù)動(dòng)作情況

3.1.1 保護(hù)動(dòng)作時(shí)序分析

以某年6 月19 日18 時(shí)25 分17 秒402 毫秒為零時(shí)刻(0ms )，整理故障錄波信息，相關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序

光纖縱差保護(hù)和高頻距離保護(hù)均為瞬動(dòng)保護(hù)(延時(shí)為0ms)，考慮各類(lèi)因素的影響，對(duì)于區(qū)內(nèi)故障保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)間一般不大于35ms;主變間隙零序保護(hù)和線(xiàn)路單相重合閘延時(shí)分別為0.5s 和0.8s。根據(jù)保護(hù)延時(shí)定值，表1 中保護(hù)動(dòng)作時(shí)序是正確的。

3.1.2 線(xiàn)路保護(hù)及重合閘分析

根據(jù)保護(hù)裝置、故障錄波裝置以及測(cè)距裝置信息，故障點(diǎn)位于線(xiàn)路縱差和高頻距離保護(hù)范圍內(nèi)，線(xiàn)路光纖縱差和高頻距離保護(hù)為正確動(dòng)作。

3.1.3 3 號(hào)主變間隙零序保護(hù)分析

(1)間隙零序保護(hù)定值分析。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地的變壓器，應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)間隙放電的零序電流保護(hù)和零序過(guò)電壓保護(hù)裝置。

根據(jù)DL/T 559—2007 《220 ～750kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》、GB/T 14285—2006 《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，該廠(chǎng)主變間隙零序保護(hù)電壓和延時(shí)定值應(yīng)設(shè)置為180V、0.3 ～0.5s。間隙電流定值要確保間隙擊穿時(shí)有足夠的靈敏度，一般設(shè)定為100A (一次側(cè)數(shù)值)。對(duì)比3 號(hào)主變間隙零序保護(hù)定值(見(jiàn)表2)，定值滿(mǎn)足規(guī)程要求。

表2 3 號(hào)主變間隙零序保護(hù)定值

(2)間隙零序保護(hù)動(dòng)作行為分析。事件發(fā)生后，查閱了3 號(hào)機(jī)組主變保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告信息，見(jiàn)表3。

表3 3 號(hào)主變保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告信息

由于TA 繞組數(shù)量不夠，3 機(jī)組主變間隙零序TA電流未引入故障錄波裝置，裝置中的主變零序電流是由主變220kV 三相電流合成而來(lái)的。

接地故障發(fā)生后至線(xiàn)路C 相被切除前，3 號(hào)機(jī)組主變220kV 側(cè)合成零序電流幅值超過(guò)25A (二次值)，大于間隙零序電流定值1.25A，保護(hù)啟動(dòng)。

線(xiàn)路C 相被切除后，由于線(xiàn)路非全相運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生零序電流。故障錄波信息顯示:零序電流幅值在2.5～3.75A (二次值)范圍內(nèi);主變保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告信息顯示:零序電流為3.04A (二次值)。以上兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均大于間隙零序電流定值1.25A，滿(mǎn)足保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)動(dòng)作正確。

當(dāng)黃柏線(xiàn)C 相重合成功后，零序電流消失;但是由于重合延時(shí)定值(0.8s)大于3 號(hào)機(jī)組主變間隙零序保護(hù)延時(shí)定值(0.5s)，因此3 號(hào)機(jī)組主變間隙零序保護(hù)在黃柏線(xiàn)C 相重合前動(dòng)作。由于該電廠(chǎng)的發(fā)電機(jī)與主變之間沒(méi)有裝設(shè)斷路器(GCB)，主變間隙零序保護(hù)動(dòng)作出口于停機(jī)，導(dǎo)致了3 號(hào)機(jī)組的最終停機(jī)。由以上分析可知:在此次事件中，3 號(hào)主變間隙零序保護(hù)定值符合規(guī)范要求，故障情況滿(mǎn)足保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)動(dòng)作出口正確。

3.1.4 4 號(hào)主變零序電流保護(hù)分析

4 號(hào)主變零序電流保護(hù)在此次事件中未動(dòng)作，該保護(hù)定值情況見(jiàn)表4。

表4 黃柏線(xiàn)、4 號(hào)機(jī)組主變零序電流保護(hù)定值

對(duì)比表4 中電流定值，4 號(hào)主變與黃柏線(xiàn)零序電流保護(hù)可做到有效配合，保護(hù)定值滿(mǎn)足規(guī)程規(guī)定。

由于4 號(hào)機(jī)組保護(hù)未動(dòng)作，4 號(hào)機(jī)組的故障錄波裝置沒(méi)有記錄故障信息，但可以根據(jù)3 號(hào)機(jī)組相關(guān)信息分析保護(hù)的情況。

當(dāng)黃柏線(xiàn)C 相發(fā)生接地故障且3 號(hào)機(jī)組主變放電間隙被擊穿后，3 號(hào)機(jī)組主變中性點(diǎn)已相當(dāng)于直接接地，此時(shí)流過(guò)3 號(hào)機(jī)組和4 號(hào)機(jī)組的主變中性點(diǎn)的零序故障電流數(shù)值應(yīng)相差不大;該零序電流數(shù)值大于4號(hào)機(jī)組主變零序電流保護(hù)定值，保護(hù)啟動(dòng)。當(dāng)線(xiàn)路C相被切除后，由于3 號(hào)機(jī)組主變放電間隙絕緣未恢復(fù)，流過(guò)兩臺(tái)主變中性點(diǎn)的零序故障電流數(shù)值依然無(wú)較大差別。而此時(shí)因線(xiàn)路非全相運(yùn)行產(chǎn)生的零序電流數(shù)值(200 ～300A)小于零序電流保護(hù)定值(480A)，使保護(hù)返回。

另外，整個(gè)事件持續(xù)時(shí)間小于4 號(hào)機(jī)組主變零序電流保護(hù)延時(shí)定值。因此，4 號(hào)主變零序電流保護(hù)未動(dòng)作正確。

3.2 3 號(hào)主變放電間隙分析

3.2.1 3 號(hào)機(jī)組主變放電間隙數(shù)值分析

3 號(hào)主變中性點(diǎn)采用放電間隙與金屬氧化物避雷器并聯(lián)的方式接地。放電間隙實(shí)際設(shè)定為285mm，符合《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求實(shí)施細(xì)則》中第17.9 條規(guī)定的“220kV 變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的過(guò)電壓保護(hù)推薦棒間隙距離280 ～290mm”要求。

3.2.2 3 號(hào)主變放電間隙擊穿時(shí)刻分析

由于3 號(hào)主變間隙零序TA 電流未引入故障錄波裝置中，無(wú)法直接判斷3 號(hào)主變放電間隙被擊穿的時(shí)刻。但是，從保護(hù)動(dòng)作時(shí)序(見(jiàn)表1)和保護(hù)動(dòng)作定值(見(jiàn)表3)判斷，黃柏線(xiàn)發(fā)生接地故障瞬間3 號(hào)主變中性點(diǎn)放電間隙即被擊穿。

3.2.3 3 號(hào)主變放電間隙擊穿原因分析

3 號(hào)機(jī)組主變中性點(diǎn)放電間隙被擊穿的原因有三種可能:①雷電侵入波;②故障后主變中性點(diǎn)電壓偏移;③短路故障在主變中性點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓。

以下對(duì)這幾種原因的可能性進(jìn)行分析。

(1)雷電侵入波造成主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿的可能性分析。如果因雷電侵入波造成主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿，則黃柏線(xiàn)電廠(chǎng)側(cè)以及電廠(chǎng)220kV 母線(xiàn)避雷器也將會(huì)動(dòng)作，但是相應(yīng)避雷器并未動(dòng)作，因此可以排除雷擊黃柏線(xiàn)后，雷電侵入波造成3 號(hào)機(jī)組主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿的可能性。

(2)主變中性點(diǎn)偏移導(dǎo)致工頻電壓擊穿放電間隙的可能性分析。當(dāng)黃柏線(xiàn)C 相發(fā)生接地短路故障后，3 號(hào)機(jī)組主變中性點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生偏移，但是由于4 號(hào)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，且其主變中性點(diǎn)直接接地，因此3 號(hào)機(jī)組主變中性點(diǎn)電壓不會(huì)偏移太大。根據(jù)故障錄波信息顯示，故障后至黃柏線(xiàn)C 相被切除期間，220kV 母線(xiàn)合成零序電壓幅值不超過(guò)20kV，無(wú)法造成放電間隙擊穿，因此可以排除主變中性點(diǎn)偏移導(dǎo)致工頻電壓擊穿放電間隙的可能性。

(3)短路故障在主變中性點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致放電間隙擊穿的可能性分析。暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿又分為兩種情況:

1)接地網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿的可能性分析。如果電廠(chǎng)接地網(wǎng)良好，則接地電阻較小，要使接地網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿，需要很大的電流(數(shù)值達(dá)幾百千安)。2012 年4 月試研院對(duì)該廠(chǎng)接地網(wǎng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:全廠(chǎng)接地電阻為0.4Ω;其中3 號(hào)主變附近接地網(wǎng)良好。此外，運(yùn)行單位對(duì)3 號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組主變各接地點(diǎn)之間進(jìn)行的導(dǎo)通試驗(yàn)結(jié)果表明:主變間接地網(wǎng)導(dǎo)通良好。因此，可以排除因地電位升高引起間隙擊穿的可能。

2)主變中性點(diǎn)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致放電間隙擊穿的可能性分析。當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于非線(xiàn)性元件(例如電容)因素的影響，會(huì)在主變中性點(diǎn)側(cè)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓，過(guò)電壓的數(shù)值與主變220kV側(cè)端口電容、線(xiàn)路參數(shù)等因素有關(guān)。根據(jù)故障錄波信息顯示，在故障瞬間20kV 母線(xiàn)三相電壓均出現(xiàn)了暫態(tài)電壓(電壓尖峰)，三相合成零序電壓數(shù)值暫態(tài)電壓數(shù)值要比故障前后其他時(shí)刻的數(shù)值要大得多;但由于故障錄波裝置采樣率相對(duì)較低(每工頻周波采樣20 點(diǎn))，無(wú)法有效記錄暫態(tài)電壓的原始波形，實(shí)際暫態(tài)電壓最大數(shù)值可能要大于故障錄波記錄值。因此3號(hào)機(jī)組主變中性點(diǎn)放電間隙擊穿的原因可能是由于暫態(tài)過(guò)電壓而導(dǎo)致。

3.3 3 號(hào)主變中性點(diǎn)避雷器未動(dòng)作原因分析

3 號(hào)主變中性點(diǎn)避雷器按照規(guī)定定期開(kāi)展了預(yù)防性試驗(yàn)，該避雷器狀態(tài)良好;并且主變中性點(diǎn)避雷器選擇符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。此次跳閘事件中，由于短路故障產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓未達(dá)到避雷器的動(dòng)作閾值，因此避雷器未動(dòng)作。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次跳閘事件為雷擊造成黃柏線(xiàn)C 相發(fā)生接地短路故障，短路故障所產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致3 機(jī)組主變220kV 側(cè)中性點(diǎn)放電間隙被擊穿，放電間隙被擊穿后由工頻電流續(xù)流，使得放電間隙絕緣無(wú)法恢復(fù);另外，由于主變間隙零序保護(hù)延時(shí)定值小于線(xiàn)路重合閘延時(shí)，因此使得3 號(hào)主變間隙零序保護(hù)在線(xiàn)路重合成功前動(dòng)作，最終導(dǎo)致3 號(hào)機(jī)組停機(jī)。