發(fā)電機(jī)斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作分析

李振軍

(國(guó)家能源集團(tuán)秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003)

0 引言

發(fā)電機(jī)斷路器斷口閃絡(luò)事故不僅會(huì)造成斷路器本身的損壞，還會(huì)因開(kāi)關(guān)滅弧室絕緣水平降低而誘發(fā)接地故障，引起事故擴(kuò)大甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；斷口閃絡(luò)時(shí)還會(huì)在發(fā)電機(jī)上出現(xiàn)負(fù)序電流，產(chǎn)生有危害的沖擊轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子上生成附加損耗，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。因而在大型機(jī)組上裝設(shè)斷口閃絡(luò)保護(hù)是一種必要的安全措施。

1 系統(tǒng)及設(shè)備概況

某廠電氣系統(tǒng)接線(xiàn)方式為220 kV 系統(tǒng)雙母線(xiàn)帶旁路，正常運(yùn)行中兩條母線(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，母聯(lián)開(kāi)關(guān)合入。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組分別接入兩條220 kV 母線(xiàn)，兩條220 kV 線(xiàn)路也分別接入兩條220 kV 母線(xiàn)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組配有一臺(tái)啟動(dòng)變，即1 號(hào)機(jī)組、1 號(hào)線(xiàn)路接入五母線(xiàn)，2 號(hào)機(jī)組、2 號(hào)線(xiàn)路、1 號(hào)啟動(dòng)變接入四母線(xiàn)。

220 kV 系統(tǒng)設(shè)有兩套母線(xiàn)差動(dòng)及失靈保護(hù)，分別為南京南瑞的PCS-915 和長(zhǎng)圓深瑞的BP-2C型母差保護(hù)母線(xiàn)保護(hù)裝置，均具有斷路器失靈保護(hù)出口功能。線(xiàn)路設(shè)有兩套縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，分別為南京南瑞的RCS-931AM 和北京四方的CSC-103B型保護(hù)，還有一套斷路器失靈保護(hù)為南京南瑞的RCS-923C 型保護(hù)。發(fā)變組電量保護(hù)采用雙重化配置，保護(hù)A、B 兩柜相互獨(dú)立，A、B 柜采用南瑞公司的PCS-985B 發(fā)電機(jī)變壓器成套保護(hù)裝置；保護(hù)C 柜為非電量保護(hù)，采用南瑞公司的PCS-974A-G 非電量保護(hù)裝置。2 號(hào)機(jī)組發(fā)變組出口主開(kāi)關(guān)為西開(kāi)電氣的LW15B-252/Y 型開(kāi)關(guān)。

2 事件經(jīng)過(guò)

2022-06-18 ，2 號(hào)機(jī)組熱備后按電網(wǎng)調(diào)度命令正常啟動(dòng)，09:29 汽輪機(jī)定速3 000 r/min，09:50發(fā)電機(jī)升壓至額定電壓15.7 kV 等待并網(wǎng)。09:56 2 號(hào)發(fā)變組斷路器閃絡(luò)保護(hù)首先動(dòng)作，出口啟動(dòng)220 kV 母線(xiàn)失靈保護(hù)，兩套母線(xiàn)失靈保護(hù)均正確動(dòng)作，切除220 kV 母聯(lián)開(kāi)關(guān)及220 kV 四母線(xiàn)所帶1 號(hào)啟動(dòng)變開(kāi)關(guān)、2 號(hào)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，2 號(hào)線(xiàn)路保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)跳，2 號(hào)發(fā)電機(jī)滅磁，2 號(hào)機(jī)組廠用電系統(tǒng)失電，經(jīng)檢查確認(rèn)各保護(hù)動(dòng)作正確，現(xiàn)場(chǎng)檢查220 kV 母聯(lián)開(kāi)關(guān)及刀閘，1 號(hào)啟動(dòng)變、2 號(hào)線(xiàn)路等開(kāi)關(guān)及刀閘正常。

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)2 號(hào)發(fā)電機(jī)出口四母線(xiàn)側(cè)刀閘A 相靠開(kāi)關(guān)側(cè)引線(xiàn)至2 號(hào)發(fā)電機(jī)出口主開(kāi)關(guān)接線(xiàn)端側(cè)有明顯放電痕跡，放電處瓷瓶有破損情況，其他設(shè)備均正常。立即拉開(kāi)2 號(hào)發(fā)電機(jī)出口四母線(xiàn)側(cè)刀閘，將故障點(diǎn)隔離。按電網(wǎng)調(diào)度命令，14:10 合入2 號(hào)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，向220 kV 四母線(xiàn)送電，母線(xiàn)充電正常。14:13 合入220 kV 母聯(lián)開(kāi)關(guān)，恢復(fù)雙母線(xiàn)運(yùn)行方式。15:10 合入1 號(hào)啟動(dòng)變主開(kāi)關(guān)，2 號(hào)機(jī)組廠用電系統(tǒng)恢復(fù)供電。

3 保護(hù)原理及動(dòng)作邏輯

3.1 斷口閃絡(luò)保護(hù)的動(dòng)作意義

大型發(fā)電機(jī)—變壓器組在進(jìn)行同步并列的過(guò)程中或發(fā)電機(jī)剛剛解列時(shí)，隨著發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)等效電勢(shì)之間的角度φ不斷變化，作用在發(fā)變組主斷路器斷口上的電壓也不斷變化。當(dāng)φ=180°時(shí)，其值最大，有2 倍的運(yùn)行電壓作用于斷口；當(dāng)斷路器斷口兩側(cè)電勢(shì)大于斷口介質(zhì)擊穿電壓時(shí)，可能會(huì)造成斷口閃絡(luò)事故。由于發(fā)電機(jī)—變壓器組采用的是單元接線(xiàn)，發(fā)電機(jī)出口無(wú)開(kāi)關(guān)，發(fā)電機(jī)在斷口閃絡(luò)時(shí)仍將對(duì)故障點(diǎn)提供能量，這在一定程度上加劇了故障程度，因此閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作后發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)立即滅磁降低斷口電壓。啟動(dòng)失靈保護(hù)，切除機(jī)組所在母線(xiàn)上的各電源支路或跳掉相對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路，阻斷故障點(diǎn)能量來(lái)源，降低故障對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)的影響。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》的4.8.7 規(guī)定如下：發(fā)—變組接入220 kV 及以上系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)配置高壓側(cè)斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)。斷口閃絡(luò)保護(hù)的動(dòng)作條件是斷路器處于斷開(kāi)位置但有負(fù)序電流出現(xiàn)。

負(fù)序電流I2.OP的整定應(yīng)躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)高壓側(cè)最大不平衡電流，一般可?。?/p>

式(1)中：ITN為變壓器高壓側(cè)額定電流。

斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)延時(shí)需躲過(guò)斷路器合閘三相不一致時(shí)間，一般整定為0.1 ～0.2 s。當(dāng)機(jī)端有斷路器時(shí)，動(dòng)作于機(jī)端斷路器跳閘；當(dāng)機(jī)端沒(méi)有斷路器時(shí)，動(dòng)作于滅磁同時(shí)啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)。

本機(jī)組的閃絡(luò)保護(hù)定值：斷路器閃絡(luò)負(fù)序電流定值為0.26 A；發(fā)電機(jī)滅磁與啟動(dòng)失靈為同一時(shí)限，定值為0.1 s。

3.3 斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)原理

發(fā)電機(jī)在進(jìn)行并列過(guò)程中，當(dāng)斷路器兩側(cè)電壓方向?yàn)?80°時(shí)，斷口易發(fā)生閃絡(luò)。斷路器斷口閃絡(luò)只考慮一相或兩相，不考慮三相閃絡(luò)。斷路器閃絡(luò)保護(hù)取主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)CT 電流。判據(jù)如下：

1) 斷路器三相位置接點(diǎn)均為斷開(kāi)狀態(tài)。

2) 負(fù)序電流大于整定值。

3) 發(fā)電機(jī)已加勵(lì)磁，機(jī)端電壓大于一固定值。

相電流判據(jù)和零序電流判據(jù)可進(jìn)行投退，斷路器閃絡(luò)保護(hù)一般第一時(shí)限保護(hù)動(dòng)作于滅磁，第二時(shí)限動(dòng)作于啟動(dòng)斷路器失靈。斷路器閃絡(luò)保護(hù)邏輯如圖1 所示。

圖1 斷路器閃絡(luò)保護(hù)邏輯

4 保護(hù)動(dòng)作行為分析

4.1 相關(guān)保護(hù)動(dòng)作行為

4.1.1 發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作行為

09:56:02.021，發(fā)變組A 套PCS-985B 保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.121，發(fā)變組保護(hù)A 套PCS-985B斷路器閃絡(luò)保護(hù)Ⅰ時(shí)限動(dòng)作，出口起動(dòng)失靈，跳滅磁開(kāi)關(guān)。

09:56:02.022，2 號(hào) 發(fā) 變 組B 套PCS-985B保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.122，2 號(hào) 發(fā) 變 組 保 護(hù)B 套PCS-985B 斷路器閃絡(luò)保護(hù)Ⅰ時(shí)限動(dòng)作，出口起動(dòng)失靈，跳滅磁開(kāi)關(guān)。

4.1.2 220 kV 母線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作行為

09:56:02.015，母線(xiàn)保護(hù)A 套PCS-915SA保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.137，母線(xiàn)保護(hù)A 套PCS-915SA失靈保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.387，母線(xiàn)保護(hù)A 套PCS-915SA失靈保護(hù)跳母聯(lián)開(kāi)關(guān)。

09:56:02.637，母線(xiàn)保護(hù)A 套PCS-915SA Ⅰ母失靈保護(hù)動(dòng)作，出口跳220 kV 四母所帶2 號(hào)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)、1 號(hào)啟動(dòng)變開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)、2 號(hào)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)。

09:56:02.014，母線(xiàn)保護(hù)B 套BP-2C 失靈保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.384，母線(xiàn)保護(hù)B 套BP-2C 失靈保護(hù)跳母聯(lián)2245 開(kāi)關(guān)。

09:56:02.634，母線(xiàn)保護(hù)B 套BP-2C Ⅰ母失靈保護(hù)動(dòng)作，出口跳220 kV 四母所帶2 號(hào)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)、1 號(hào)啟動(dòng)變開(kāi)關(guān)、2 號(hào)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)。

4.1.3 線(xiàn)路保護(hù)動(dòng)作行為

09:56:02.014，2 號(hào) 線(xiàn) 路RCS-931AM 線(xiàn) 路保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.652，2 號(hào) 線(xiàn) 路RCS-931AM 線(xiàn) 路保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)跳。

09:56:02.693，2 號(hào)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)三相跳閘。

09:56:02.019，2 號(hào)線(xiàn)路CSC-103B 線(xiàn)路保護(hù)啟動(dòng)。

09:56:02.652，2 號(hào)線(xiàn)路CSC-103B 線(xiàn)路保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)跳。

09:56:02.693，2 號(hào)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)三相跳閘。

4.2 保護(hù)動(dòng)作行為分析

經(jīng)查閱發(fā)電機(jī)故障錄波器，閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作時(shí)主變高壓側(cè)電流錄波圖二次負(fù)序電流最大值為5.86 A，而定值為0.26 A，實(shí)際負(fù)序電流遠(yuǎn)大于負(fù)序電流整定值，閃絡(luò)保護(hù)正確動(dòng)作。兩套發(fā)變組保護(hù)斷路器閃絡(luò)保護(hù)全部啟動(dòng)，出口起動(dòng)失靈，跳滅磁開(kāi)關(guān)。符合閃絡(luò)保護(hù)的動(dòng)作邏輯，保護(hù)動(dòng)作正確。隨后，發(fā)變組保護(hù)啟動(dòng)了兩套母線(xiàn)差動(dòng)及失靈保護(hù)，母線(xiàn)差動(dòng)及失靈保護(hù)動(dòng)作切除了母聯(lián)開(kāi)關(guān)和故障母線(xiàn)上的所有元件，保護(hù)動(dòng)作符合邏輯。

線(xiàn)路保護(hù)啟遠(yuǎn)跳的問(wèn)題需要說(shuō)明。線(xiàn)路保護(hù)的啟遠(yuǎn)跳，實(shí)際上就是線(xiàn)路的失靈保護(hù)，啟動(dòng)后通過(guò)線(xiàn)路保護(hù)光纖通道將線(xiàn)路對(duì)側(cè)的電源開(kāi)關(guān)跳閘，使線(xiàn)路失電。本次事故的故障點(diǎn)，在2 號(hào)發(fā)變組主開(kāi)關(guān)與出口刀閘引線(xiàn)處，因當(dāng)時(shí)出口刀閘在合入狀態(tài)，所以故障點(diǎn)也就相當(dāng)于在母線(xiàn)上。對(duì)于線(xiàn)路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)，屬于區(qū)外故障，而啟遠(yuǎn)跳應(yīng)該在區(qū)外故障不能可靠消除時(shí)才能啟動(dòng)。在母線(xiàn)差動(dòng)及失靈保護(hù)啟動(dòng)后，準(zhǔn)確地切除了線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，而線(xiàn)路保護(hù)也啟動(dòng)了遠(yuǎn)跳，遠(yuǎn)跳是否應(yīng)該啟動(dòng)需要探討。從各保護(hù)的動(dòng)作行為上看，634 ms 母線(xiàn)保護(hù)B 套失靈保護(hù)動(dòng)作出口去跳線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，至693 ms 線(xiàn)路開(kāi)關(guān)跳閘，而兩套線(xiàn)路保護(hù)的啟遠(yuǎn)跳時(shí)間都是在652 ms。由上述各保護(hù)的啟動(dòng)及動(dòng)作時(shí)間節(jié)點(diǎn)看，線(xiàn)路保護(hù)啟遠(yuǎn)跳是在母線(xiàn)失靈保護(hù)動(dòng)作而線(xiàn)路開(kāi)關(guān)未跳閘之間啟動(dòng)的，所以線(xiàn)路保護(hù)啟遠(yuǎn)跳是合理的。

5 原因分析

由事故現(xiàn)場(chǎng)勘查情況和保護(hù)動(dòng)作情況看，事故原因應(yīng)為機(jī)組并列過(guò)程中發(fā)生了A 相閃絡(luò)故障，對(duì)故障原因做如下分析。

1) 瓷套絕緣發(fā)生沿面閃絡(luò)主要由兩個(gè)因素決定：一是環(huán)境污染造成絕緣子表面積污，二是具備使絕緣子受潮的氣象條件。6 月18 日當(dāng)天，天氣預(yù)報(bào)氣溫度為18～26 ℃，濕度85 %，且在之前一段時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)了低溫高濕的大氣溫度及濕度。本次發(fā)生事故的現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)密閉空間的開(kāi)關(guān)站，在開(kāi)關(guān)站內(nèi)雖有兩臺(tái)10 匹工業(yè)空調(diào)運(yùn)行，但因空調(diào)除濕效果有限，室內(nèi)濕度仍在70 %以上，而且室內(nèi)空間相對(duì)巨大，空調(diào)也不足以促使室內(nèi)空氣循環(huán)流通，無(wú)法有效降低室內(nèi)濕度，特別是在3 m 高度以上的空間，是空調(diào)力所不能及的，除濕作用更加有限，并網(wǎng)時(shí)開(kāi)關(guān)已經(jīng)有結(jié)露現(xiàn)象。因環(huán)境因素影響，致使開(kāi)關(guān)瓷套外絕緣水平降低。

2) 事故發(fā)生時(shí)，2 號(hào)發(fā)電機(jī)已經(jīng)升壓至額定電壓，處于待并網(wǎng)期間，此時(shí)主開(kāi)關(guān)斷口兩側(cè)承受電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電壓與發(fā)電機(jī)側(cè)額定電壓，主開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓隨待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間電動(dòng)勢(shì)的角度差改變而不斷變化，當(dāng)兩側(cè)電壓相位相差180°時(shí)達(dá)最大值，最大值為2 倍額定電壓，這是事故的一個(gè)誘因。

3) 經(jīng)實(shí)際測(cè)算，發(fā)變組主開(kāi)關(guān)本體放電點(diǎn)與220 kV 四母線(xiàn)引線(xiàn)上的放電點(diǎn)的距離大約為1.94 m，經(jīng)查閱DL/T 5352—2018《高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.4，屋內(nèi)配電裝置的安全凈距不應(yīng)小于2 m，所以?xún)煞烹婞c(diǎn)之間的距離小于規(guī)定值。同時(shí)由于220 kV 開(kāi)關(guān)站內(nèi)濕度大，空氣絕緣強(qiáng)度降低，放電電壓下降，最終導(dǎo)致出口刀閘側(cè)引線(xiàn)與主開(kāi)關(guān)A相本體接線(xiàn)端外放電，相關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成開(kāi)關(guān)瓷套有小部分破損。

所以，本次事故的主要原因是，開(kāi)關(guān)站內(nèi)空氣濕度過(guò)大，使空氣絕緣強(qiáng)度降低，又因最小安全凈距偏小，在發(fā)電機(jī)側(cè)與系統(tǒng)側(cè)兩側(cè)電壓達(dá)到最大值時(shí)，造成主開(kāi)關(guān)與出口刀閘引線(xiàn)間空氣擊穿，閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作。

6 預(yù)控措施

1) 220 kV 開(kāi)關(guān)站內(nèi)應(yīng)增加配備除濕設(shè)備?，F(xiàn)使用的空調(diào)設(shè)備已不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的除濕需要，根據(jù)室內(nèi)面積應(yīng)配備合理數(shù)量的專(zhuān)業(yè)除濕設(shè)備，且增加具備室內(nèi)內(nèi)循環(huán)功能的設(shè)備，使室內(nèi)空氣流通起來(lái)，才能更好地利用除濕設(shè)備有效降低室內(nèi)濕度。

2) 加強(qiáng)設(shè)備防污閃管理、控制工作，根據(jù)機(jī)組檢修、線(xiàn)路停電時(shí)間制定合理詳細(xì)的檢修計(jì)劃，及時(shí)進(jìn)行清掃除污工作。

3) 加強(qiáng)設(shè)備的絕緣管理，絕緣降低時(shí)應(yīng)及時(shí)利用設(shè)備停運(yùn)機(jī)會(huì)通過(guò)噴涂PRTV 防污閃涂料等手段提高設(shè)備絕緣能力。

4) 對(duì)220 kV 系統(tǒng)各開(kāi)關(guān)與出口刀閘之間引線(xiàn)的最小安全凈距進(jìn)行測(cè)量，偏小的應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

7 結(jié)束語(yǔ)

因設(shè)備外絕緣故障引起閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作，需要從保護(hù)動(dòng)作的過(guò)程進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作的原因分析，找出故障的誘發(fā)因素，才能采取有效的處理和防范措施，避免同類(lèi)故障的重復(fù)發(fā)生，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。