線路遭雷擊引起發(fā)電機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分析

陳碧雨，唐 棟，鄭明友

（1.湖北能源集團(tuán)新能源發(fā)展有限公司，湖北武漢 430000；2.湖北能源集團(tuán)溇水水電有限公司，湖北鶴峰 445800）

差動(dòng)保護(hù)是發(fā)電機(jī)的主保護(hù)，隨著微機(jī)保護(hù)的采用，差動(dòng)保護(hù)的靈敏度得到了極大的提高，但是由于接線錯(cuò)誤或設(shè)備配置不當(dāng)，經(jīng)常會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的原因主要有：外部短路時(shí)的不平衡電流；電流互感器二次回路斷線；接線不正確或設(shè)備配置選型不當(dāng)?shù)?。筆者從事小水電站工作多年，現(xiàn)將工作中遇到的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)不正常動(dòng)作情況案例進(jìn)行分析，介紹處置成功的方法，探討處置類似問題的解決方案。

芭蕉河水電站坐落于湖北省恩施州鶴峰縣境內(nèi)，屬于流域梯級(jí)電站，上游一級(jí)電站裝機(jī)為2臺(tái)17 MW立式混流水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)1 MW臥式混流水輪發(fā)電機(jī)組，下游二級(jí)電站裝機(jī)為2臺(tái)8 MW立式混流水輪發(fā)電機(jī)組。蕉二級(jí)電站自建廠以來多次發(fā)生110 kV外送線路受強(qiáng)雷擊時(shí)，造成5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的事故。本文主要分析5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的事故及解決方案。

蕉二級(jí)電站2臺(tái)8 MW水輪發(fā)電機(jī)組電氣主接線圖（見圖1）采用雙機(jī)、單變?nèi)@組、10 kV單母線、35 kV單母線、110 kV單母線接線方式。機(jī)組出口開關(guān)柜、主變低壓側(cè)開關(guān)柜內(nèi)均裝有過電壓避雷器，二次設(shè)備采用微機(jī)監(jiān)控保護(hù)，電流電壓回路電纜均采用KVVP阻燃屏蔽控制電纜。

1 事故經(jīng)過

2013－06－22日5G機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)，電站附近有強(qiáng)雷雨天氣，于15時(shí)22分13秒110 kV雙蕉線有雷電流流過，B、C兩相放電計(jì)數(shù)器各動(dòng)作一次，同時(shí)，故障錄波裝置啟動(dòng)，查看波形記錄，波形凌亂。15時(shí)22分13.765秒5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警信息記錄顯示：5G機(jī)組甩負(fù)荷機(jī)組過速N＞144%Ne，至緊急事故停機(jī)。

2 事故現(xiàn)場(chǎng)檢查

機(jī)組保護(hù)裝置檢查，無異常；5G機(jī)組監(jiān)控屏及勵(lì)磁屏柜檢查，無異常；5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)范圍檢查，機(jī)組定子繞組無異常，轉(zhuǎn)子繞組無異常，機(jī)坑無異常氣味。機(jī)組機(jī)端至出口開關(guān)銅排無異常；5G機(jī)組機(jī)坑緊固螺栓、剪斷銷等部件檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。5G機(jī)組機(jī)尾電流互感器檢查，接線端子無松動(dòng)；機(jī)組繞組及出口銅牌電纜三相絕緣測(cè)試，相間為700 MΩ，相對(duì)地為500 MΩ，絕緣良好。檢查完畢后，下令啟5G機(jī)組至發(fā)電態(tài)分別帶負(fù)荷2 000、4 000、8 000 kW，并觀察保護(hù)裝置采樣值的變化，均無異常。

綜合5G機(jī)組以往差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況分析，此次屬于110 kV線路遭雷擊后，雷電流穿越引起5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

3 原因分析

3.1 從保護(hù)動(dòng)作期間的運(yùn)行工況及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析

1）5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作期間，機(jī)組運(yùn)行正常，電站周圍有強(qiáng)雷電天氣。

2）5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作期間，110 kV線路B、C相放電計(jì)數(shù)器各動(dòng)作一次，同時(shí)，故障錄波裝置記錄波形出現(xiàn)波動(dòng)，可以確定有雷電流通過。

3）5G機(jī)組自投產(chǎn)以來，發(fā)生過因110 kV線路遭受強(qiáng)雷擊引起5G機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作事故且事故現(xiàn)象及檢查結(jié)果基本相同。

因此，可以判定此次差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作與雷擊有關(guān)［1］。

3.2 從故障后設(shè)備檢查結(jié)果分析

5G機(jī)組保護(hù)差動(dòng)動(dòng)作中，A相差動(dòng)電流為5.022 A，相當(dāng)于故障點(diǎn)有較大的故障電流，保護(hù)范圍內(nèi)應(yīng)有明顯的故障點(diǎn)。但經(jīng)過檢查，一次設(shè)備均沒有明顯故障點(diǎn)且定子繞組的絕緣良好，二次設(shè)備也無故障現(xiàn)象，機(jī)組至發(fā)電態(tài)后均沒有發(fā)現(xiàn)任何故障。

因此，可以判定此次故障不是機(jī)組保護(hù)范圍內(nèi)的故障。

3.3 從差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告分析

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻，差動(dòng)電流5.022 A，制動(dòng)電流9.948 A；

整定值差動(dòng)電流2 A，制動(dòng)電流3.437，制動(dòng)系數(shù)0.45；

可知S＝3.022／6.511＝0.464＞0.45故在動(dòng)作范圍內(nèi)，保護(hù)裝置正常動(dòng)作。二次回路經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)跡象，且機(jī)組發(fā)電態(tài)采樣值正常及接線方式無誤，冬修冬試期間，檢驗(yàn)保護(hù)裝置均正常。采樣值顯示A相差動(dòng)電流明顯高于B、C兩相差動(dòng)電流，其不平衡電流在整定時(shí)已經(jīng)躲過，故不影響保護(hù)正常動(dòng)作。

因此，可以判斷與保護(hù)裝置及二次回路無關(guān)。

3.4 從差動(dòng)保護(hù)電流互感器因素分析

蕉二級(jí)電站5G發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)為保護(hù)機(jī)組定子繞組、引出線的相間短路而裝設(shè)，其動(dòng)作原理是基于被保護(hù)機(jī)組的機(jī)端和尾端的電流。在外部故障和正常運(yùn)行時(shí)，忽略被保護(hù)設(shè)備的泄漏電流和電容電流，被保護(hù)機(jī)組機(jī)端和尾端的電流是相等的，如果電流互感器選型伏安特性完全相同，則機(jī)尾端二次電流相位一致、大小相等，差動(dòng)電流為零，保護(hù)不動(dòng)作［2］。

5G發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，經(jīng)檢查動(dòng)作報(bào)告發(fā)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)動(dòng)作正常，差動(dòng)回路中有大于保護(hù)動(dòng)作值的不平衡電流產(chǎn)生。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，用于發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的兩組電流互感器型號(hào)不一致，對(duì)比兩組電流互感器的伏安勵(lì)磁特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也存在差異。

1）查閱圖紙及現(xiàn)場(chǎng)核查差動(dòng)保護(hù)電流互感器，機(jī)尾電流互感器6LH天津市某設(shè)備廠型號(hào)LMZ1－10，變比800／5，準(zhǔn)確等級(jí)10P15；開關(guān)柜內(nèi)電流互感器2LH廣東市某機(jī)電廠型號(hào)LDJ3－10W，變比800／5，準(zhǔn)確等級(jí)10P10。

2）查閱試驗(yàn)報(bào)告，兩組CT電流互感器的伏安特性拐點(diǎn)相差較大［3］，故其磁飽和程度需進(jìn)一步試驗(yàn)，便于更直觀將試驗(yàn)曲線合并（見圖2）。CT電流互感器10%誤差曲線是否與滿足目前電流互感器二次側(cè)負(fù)載特性［4］，因電流互感器至保護(hù)裝置二次電纜電路較長(zhǎng)其阻抗值是否滿足10%誤差曲線要求，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）電流互感器的安裝位置。電流互感器安裝在機(jī)端出口開關(guān)柜與機(jī)尾，電流互感器間的電纜、銅牌與定繞組共同構(gòu)成了LC濾波器，可以吸收多次諧波雷電流，這樣可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)尾電流互感器未受到大的影響，而機(jī)端電流互感器受到多次諧波電流的影響導(dǎo)致差流達(dá)到保護(hù)的定值，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作［5］。

據(jù)3.1、3.2項(xiàng)推定，外部雷電流穿越造成的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，那么假設(shè)機(jī)端電流互感器與機(jī)尾電流互感器的電流相角未受外部電流影響。

｜I1－I2｜＝5.022

｜I1＋I(xiàn)2｜＝9.948

I1＝7.485 A

I2＝2.463 A

5G機(jī)組帶負(fù)荷7 900 kW左右，換算二次電流約為2.8 A，與I2值相差不大，如果假設(shè)成立，那么可以認(rèn)為機(jī)尾未受到較大的外部雷電流多次諧波的影響。

綜上4方面可以認(rèn)定，此次差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作事故因雷電流穿越引起，與電流互感器型號(hào)及匹配情況、磁飽和程度、電流互感器的安裝位置、電流互感器二次側(cè)的負(fù)載等因素有關(guān)。

4 擬定處置方案

1）適當(dāng)提高制動(dòng)系數(shù)（0.1～0.9）至0.5，躲過因雷擊暫態(tài)影響。

2）考慮做磁飽和試驗(yàn)，驗(yàn)證互感器二次負(fù)載情況及出口開關(guān)處電流互感器與機(jī)尾電流互感器的匹配情況，考慮更換為按10%誤差特性同廠家同型號(hào)同變比同精度的電流互感器。

3）若以上不能解決，考慮差動(dòng)保護(hù)采樣電流從機(jī)端出口4LH電流互感器處采樣，此方案因縮小差動(dòng)保護(hù)范圍，銅排及電纜不在差動(dòng)保護(hù)范圍，只能依靠復(fù)合過流保護(hù)，存在一定的隱患。

5 處理措施

根據(jù)以上分析，選用第一種方法未取得理想結(jié)果，擬采取第二種方法：水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)端與機(jī)尾電流互感器雖然變比和CT誤差范圍均一致，但兩組電流互感器非同一廠家制造及CT10%誤差曲線M值存在區(qū)別，且報(bào)告顯示兩組電流互感器CT伏安勵(lì)磁特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線存在差異［6］，故推測(cè)在雷電波入侵后，外部雷電流流過機(jī)端－銅排－定子繞組－機(jī)尾，造成兩組電流互感器存在一組先進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。經(jīng)討論后，2014年12月現(xiàn)場(chǎng)利用10 kV開關(guān)柜改造機(jī)會(huì)，對(duì)差動(dòng)保護(hù)電流互感器重新選型，定制兩組同一廠家制造同性能參數(shù)的電流互感器。

6 處理效果

發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜內(nèi)電流互感器和機(jī)尾電流互感器改造更換后，5G機(jī)組運(yùn)行至今，期間110 kV線路經(jīng)歷了數(shù)次雷擊，沒有再發(fā)生因雷電引起的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的現(xiàn)象。

7 結(jié) 語

蕉二級(jí)站5G發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口跳閘，是由于發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)采樣電流互感器型號(hào)及性能參數(shù)不一致，即CT伏安勵(lì)磁特性曲線、10%誤差特性所允許的負(fù)載和一次側(cè)電流倍數(shù)不同，使得在外部短路時(shí)，電流互感器飽和點(diǎn)不一樣，即一側(cè)CT飽和，一側(cè)CT不飽和，使兩側(cè)CT采樣數(shù)據(jù)誤差增大，進(jìn)而產(chǎn)生的不平衡電流相應(yīng)增加較大，微機(jī)保護(hù)采樣運(yùn)算值至保護(hù)整定動(dòng)作值或大于整定動(dòng)作值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳閘出口。