一起機(jī)端斷路器非全相合閘案例的分析與思考

魏 揚(yáng)，吳禮貴

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

大型發(fā)電機(jī)變壓器組因配置廠用電的要求，需在發(fā)電機(jī)出口配置機(jī)端斷路器（GCB）。根據(jù)規(guī)程要求，發(fā)電機(jī)出口斷路器操作機(jī)構(gòu)需采用三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)[7-10]。一般認(rèn)為，三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生非全相合閘狀況，但隨著操作次數(shù)的增多、機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損或者設(shè)計(jì)上的缺陷，GCB非全相故障案例越來(lái)越多[5]。本文介紹了一起帶GCB機(jī)組非全相合閘并網(wǎng)的實(shí)例，通過(guò)分析和研究，提出了增設(shè)機(jī)端斷路器非全相保護(hù)的必要性與可行性。

1 事件過(guò)程

某電廠某機(jī)組開(kāi)機(jī)并網(wǎng)過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)A/B套主變壓器低壓側(cè)接地、發(fā)電機(jī)保護(hù)A/B套總出口動(dòng)作、電氣保護(hù)總出口動(dòng)作等信號(hào)，并網(wǎng)不成功?，F(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)電機(jī)保護(hù)A、B盤零序電壓定子接地保護(hù)動(dòng)作，注入式定子接地保護(hù)未動(dòng)作。兩套發(fā)電機(jī)保護(hù)采樣一致、TV自產(chǎn)零序和開(kāi)口三角零序均存在零序電壓，排除二次回路及保護(hù)采樣問(wèn)題，判定一次系統(tǒng)存在異常。事件過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 事件過(guò)程記錄時(shí)序Table 1 Event process recording sequence

2 故障錄波數(shù)據(jù)分析

2.1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前0～14ms，發(fā)電機(jī)側(cè)和主變壓器低壓側(cè)三相電壓對(duì)稱（有效值約為57.6V），無(wú)零序電流，無(wú)零序電壓，三相電流為零。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，GCB及隔刀兩側(cè)的一次設(shè)備無(wú)異常，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前波形圖和向量圖Figure 1 Waveform diagram and vector diagram before generator grid connection

2.2 GCB合閘時(shí)刻

GCB合閘并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)側(cè)C相電壓和主變壓器低壓側(cè)C相電壓幅值相位基本保持一致，幅值由合閘前57.7V緩慢降至50V。主變壓器低壓側(cè)A、B相電壓發(fā)生明顯偏移，且A相電壓幅值急劇上升至119.25V，B相電壓幅值先降至42.3V后再回升至73V左右。發(fā)電機(jī)側(cè)A、B相電壓偏移幅度較小，幅值均緩慢升高至62V，如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后波形圖和向量圖Figure 2 Waveform diagram and vector diagram after generator grid connection

分析主變壓器低壓側(cè)波形，虛擬出主變壓器低壓側(cè)線電壓通道，可以看到Uab、Ubc和Uca幅值固定100V，且相位差120°保持不變，排除主變壓器低壓側(cè)PT故障，如圖3所示。機(jī)端自產(chǎn)零序電壓與外接零序電壓采樣一致，排除機(jī)端PT故障。

圖3 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后主變壓器低壓側(cè)Ubc和Uac電壓Figure 3 UBC and UAC voltage at low voltage side of main transformer after generator grid connection

通過(guò)故障錄波和保護(hù)動(dòng)作分析，判斷為發(fā)電機(jī)C相與系統(tǒng)C相形成電氣連接，A、B相未形成電氣連接，出現(xiàn)機(jī)端非全相運(yùn)行異常狀態(tài)。根據(jù)一次連接分析可確定，主變壓器低壓側(cè)C相通過(guò)發(fā)電機(jī)C相繞組及中性點(diǎn)接地變接地，形成了一個(gè)類似于主變壓器低壓側(cè)C相接地的電氣故障現(xiàn)象，如圖4所示。此時(shí)，因發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓頻率不同步，三相電壓逐步發(fā)生偏移，且主變壓器低壓側(cè)三相電壓幅值變化更大[3]，造成變壓器低壓側(cè)零序電壓率先達(dá)到報(bào)警定值10V，A、B套變壓器保護(hù)均發(fā)主變壓器低壓側(cè)接地信號(hào)。

圖4 主變壓器低壓側(cè)電氣連接圖Figure 4 Electrical connection diagram at low voltage side of main transformer

圖5為并網(wǎng)前后機(jī)端電流波形，從圖5可知，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，機(jī)端三相電流一直為零。正常情況下，成功并網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流，進(jìn)一步驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器或隔離刀閘未能和系統(tǒng)進(jìn)行有效連接，且有兩相為故障相。機(jī)端與主變壓器低壓側(cè)只有一相有電氣連接，屬于非全相運(yùn)行狀態(tài)。由于發(fā)電機(jī)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，主變壓器低壓側(cè)為三角形接線，故其零序網(wǎng)絡(luò)與正序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)“不通”，沒(méi)有電流[6]。

圖5 并網(wǎng)前后機(jī)端電流波形Figure 5 Generator terminal current waveform before and after grid connection

3 斷口兩側(cè)電壓理論分析

帶機(jī)端斷路器的機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，GCB兩側(cè)均有電動(dòng)勢(shì)。GCB合閘后處于非全相運(yùn)行狀態(tài)（僅C相形成電氣連接），主變壓器低壓側(cè)C相繞組雖然類似于經(jīng)接地變電阻接地的虛假接地情況，但因受機(jī)端C相電壓的牽制，低壓側(cè)C相電壓始終保持與機(jī)端C相電壓相同。此時(shí)主變壓器低壓側(cè)三相電壓不同步，主變壓器中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移。下面用疊加原理，分別對(duì)機(jī)端側(cè)和主變壓器低壓側(cè)三相電壓展開(kāi)理論分析計(jì)算。

3.1 機(jī)端三相電壓分析

分別對(duì)斷路器兩側(cè)電壓量進(jìn)行定量分析，發(fā)電機(jī)機(jī)端至主變壓器低壓側(cè)均為不接地系統(tǒng)。機(jī)端三相電壓分別為：

根據(jù)基爾霍夫電流定律：

得出機(jī)端中性點(diǎn)對(duì)地電壓為：

由于GCB A相和B相兩側(cè)未形成有效連接造成非全相運(yùn)行，則機(jī)端A、B兩相對(duì)地阻抗均為GCB靠發(fā)電機(jī)側(cè)電容、定子單相對(duì)地電容與中性點(diǎn)接地電阻之和，即：ZAG=ZBG=1/Rn+jω（Cg+Cd），C相對(duì)地阻抗為3倍主變壓器側(cè)電容加上定子單相對(duì)地電容、GCB發(fā)電機(jī)側(cè)電容與中性點(diǎn)接地電阻之和，即：ZCG=1/Rn+jω（3Ct+Cg+Cd），機(jī)端斷路器兩側(cè)對(duì)地電容及接地變電阻參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)端斷路器兩側(cè)對(duì)地電容及接地變壓器電阻參數(shù)Table 2 Parameters of grounding capacitance and grounding transformer resistance on both sides of terminal circuit breaker

將上述參數(shù)代入計(jì)算，中性點(diǎn)對(duì)地電壓，機(jī)端A、B、C三相電壓一次值分別為：

將一次值折算到二次側(cè)，機(jī)端開(kāi)口三角電壓，機(jī)端A、B、C三相電壓一次值分別為：

3.2 主變壓器低壓側(cè)三相電壓分析

當(dāng)GCB非全相運(yùn)行時(shí)，機(jī)端三相電勢(shì)和系統(tǒng)三相電勢(shì)頻率不同步，三相電壓逐步發(fā)生偏移。隨著時(shí)間的推移，兩側(cè)電勢(shì)的相角差逐步增大，不同的相角差對(duì)應(yīng)的計(jì)算值均不同。為分析某時(shí)刻兩側(cè)電勢(shì)理論值，選取系統(tǒng)側(cè)超前機(jī)端側(cè)30°時(shí)刻進(jìn)行定量分析。故障時(shí)刻的錄波圖如圖6所示。

圖6 GCB合閘后主變壓器高壓側(cè)電壓超前機(jī)端側(cè)電壓30°時(shí)刻錄波圖Figure 6 Oscillogram when the voltage at the high voltage side of the main transformer is 30° ahead of the voltage at the generator end after GCB is closed

此時(shí)系統(tǒng)側(cè)三相電壓為：

同理，根據(jù)基爾霍夫電流定律：

得出主變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓為：

由于GCB A相和B相兩側(cè)未形成有效連接造成非全相運(yùn)行，則主變壓器低壓側(cè)A、B兩相對(duì)地阻抗均為GCB靠主變壓器低壓側(cè)電容，即：ZAS=ZBS=jωCt，C相對(duì)地阻抗為中性點(diǎn)接地電阻加上主變壓器側(cè)電容與3倍定子單相對(duì)地電容、GCB發(fā)電機(jī)側(cè)電容之和，即：

將參數(shù)代入計(jì)算，主變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓，主變壓器低壓側(cè)A、B、C三相電壓一次值分別為：

將一次值折算到二次側(cè)，主變壓器低壓側(cè)A、B、C三相電壓一次值分別為：

上述計(jì)算表明，若機(jī)端側(cè)無(wú)電勢(shì)，機(jī)端斷路器非全相運(yùn)行時(shí)，主變壓器低壓側(cè)三相電壓變化特征與定子單相接地高度類似。

帶機(jī)端斷路器的機(jī)組在停機(jī)且主變壓器倒掛運(yùn)行時(shí)，因GCB機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的GCB非全相運(yùn)行，主變壓器低壓側(cè)零序電壓滿足動(dòng)作值會(huì)使主變壓器低壓側(cè)接地告警動(dòng)作。

結(jié)合圖6錄波數(shù)據(jù)分析，由于機(jī)端C相電壓的牽制，主變壓器低壓側(cè)C相電壓幅值和相位始終保持一致。疊加兩側(cè)的電動(dòng)勢(shì)對(duì)三相電壓的影響，中性點(diǎn)發(fā)生偏移，主變壓器低壓側(cè)三相電壓矢量圖如圖7所示。

圖7 特殊時(shí)刻主變壓器低壓側(cè)三相電壓矢量圖Figure 7 Three phase voltage vector diagram at low voltage side of main transformer at special time

若不考慮機(jī)端電動(dòng)勢(shì)對(duì)主變壓器低壓側(cè)三相電壓的影響，經(jīng)理論計(jì)算可得，低壓側(cè)A相電壓和B相電壓的相對(duì)幅值和相位如圖中黑色A和黑色B所示，A相電壓和B相電壓幅值相等，相位差60°，C相電壓近似為零，此時(shí)中性點(diǎn)為O1點(diǎn)。

通過(guò)計(jì)算得出，受兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)綜合影響下，機(jī)端斷路器發(fā)生AB兩相斷相故障時(shí)，主變壓器低壓側(cè)A相電壓為84.117∠34.87°V，B相電壓 43.8387∠ -61.9224°V，C相電壓 55.5341 ∠ 117.3744°V，零序電壓 50.1988 ∠ 42.4897°V。三相電壓及零序電壓理論計(jì)算值與故障錄波數(shù)據(jù)記錄的采樣基本吻合。

綜合機(jī)端三相電壓和主變壓器低壓側(cè)三相電壓分析可知，當(dāng)GCB非全相運(yùn)行時(shí)，GCB兩側(cè)的三相電壓和開(kāi)口三角零序電壓均特征呈現(xiàn)和定子單相接地類似的故障特征，屬于“虛假”定子接地，當(dāng)故障量達(dá)到基波零序電壓定子接地保護(hù)動(dòng)作值時(shí)保護(hù)動(dòng)作，符合理論分析。

4 GCB非全相保護(hù)現(xiàn)狀

主變壓器高壓側(cè)斷路器（500kV）一般為分相操作機(jī)構(gòu)，通過(guò)分相斷路器輔助接點(diǎn)構(gòu)成非全相保護(hù)，是斷路器保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)配置[4]。機(jī)端斷路器（GCB）及其隔刀均為三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不存在分相的輔助接點(diǎn)，無(wú)法通過(guò)斷路器輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非全相保護(hù)。GCB并網(wǎng)初期，若單相斷線，由于導(dǎo)葉開(kāi)度小及發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)側(cè)相差很小，負(fù)序電流較??；若兩相斷線，因發(fā)電機(jī)為高阻接地，一次側(cè)基本無(wú)電流。綜上所述，GCB非全相保護(hù)無(wú)法通過(guò)輔助接點(diǎn)或電流保護(hù)快速檢測(cè)出故障。

GCB及隔刀采用三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般認(rèn)為其不會(huì)發(fā)生非全相故障，但隨著操作次數(shù)增加，機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，甚至設(shè)計(jì)缺陷，GCB非全相故障越來(lái)越多[5]。目前，規(guī)程未要求GCB開(kāi)關(guān)配置非全相保護(hù)，因此在并網(wǎng)初期無(wú)法快速檢測(cè)出非全相工況。

查閱相關(guān)文件，目前已投入的GCB非全相保護(hù)，一般利用GCB斷線故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端基波零序電壓與主變壓器低壓側(cè)基波零序電壓量的故障特征，采用斷口兩側(cè)電壓相量差構(gòu)成GCB非全相保護(hù)原理，保護(hù)判據(jù)不依賴電流量，且不受電壓互感器斷線的影響，可快速檢測(cè)機(jī)組并網(wǎng)初期和解列時(shí)的GCB非全相故障，該種原理保護(hù)已在廣州抽水蓄能、深圳抽水蓄能、彭水、龍灘和烏東德等水電站得到應(yīng)用[2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了一起并網(wǎng)初期，因機(jī)端斷路器機(jī)械故障導(dǎo)致的非全相案例，結(jié)合保護(hù)動(dòng)作報(bào)文和故障錄波圖，對(duì)故障發(fā)生時(shí)刻的GCB兩側(cè)電壓量進(jìn)行理論分析，給采用同類型接線方式的發(fā)電廠提供增設(shè)GCB非全相保護(hù)的思路。通過(guò)增設(shè)GCB非全相保護(hù)，可快速實(shí)現(xiàn)機(jī)組在并網(wǎng)和解列工況下的非全相識(shí)別，提升發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行水平。