一起外線路故障引起發(fā)電機(jī)跳閘事件原因分析

摘 要：以一起某電廠110 kV外線路接地故障引起的全廠發(fā)電機(jī)跳閘事件為例，分別從保護(hù)裝置動(dòng)作記錄、波形回放、理論分析等方面深入分析該次跳閘事件的原因以及暴露出來(lái)的問(wèn)題，并根據(jù)某電廠系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況制定相應(yīng)的防范措施，為分析、防范此類跳閘事件提供參考。

關(guān)鍵詞：線路故障；波形回放；過(guò)激磁；差動(dòng)保護(hù)；發(fā)電機(jī)跳閘；孤島運(yùn)行；防范措施

中圖分類號(hào)：TM412 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0143-06

Abstract： Taking a plant generator tripping event caused by a ground fault on an external 110 kV line in a power plant as an example， the causes of this tripping event and the exposed problems are analyzed in depth from aspects such as protection device action recording， waveform playback， and theoretical analysis. Correspondent waterlogging preventive measures are formulated based on the actual operation conditions of a power plant system to provide reference for analyzing and preventing such tripping events.

Keywords： line fault; waveform playback; over-excitation; differential protection; generator tripping; island operation; preventive measure

發(fā)電機(jī)作為電廠的主要發(fā)電設(shè)備，其安全運(yùn)行對(duì)保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性的作用。由于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性，可能發(fā)生定子繞組相間短路、定子一相繞組內(nèi)的匝間短路、定子繞組單相接地、轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路勵(lì)磁電流消失等故障，影響發(fā)電機(jī)本身的安全，甚至危及整個(gè)電力系統(tǒng)。《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)提出了配置要求：電壓在3 kV及以上，容量在600 MW及以下的發(fā)電機(jī)，對(duì)定子繞組相間短路、定子匝間短路、定子繞組接地、發(fā)電機(jī)外部相間短路、定子鐵芯過(guò)勵(lì)磁和頻率異常等故障及異常運(yùn)行狀態(tài)，裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)。且需根據(jù)并網(wǎng)機(jī)組類型、容量的不同以及接線方式的差異，設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際且性能完善的繼電保護(hù)配置方案，以期在安全允許的時(shí)間內(nèi)，有選擇性地停機(jī)或故障報(bào)警，減少事故范圍，保護(hù)發(fā)電機(jī)、電力系統(tǒng)安全。

除發(fā)電機(jī)本身故障外，電網(wǎng)的故障沖擊也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，特別是對(duì)于沒(méi)有孤島運(yùn)行能力的機(jī)組，產(chǎn)生的影響更大。王少華等[1]研究了某水電站單回送出線路發(fā)生單相瞬時(shí)故障后線路短時(shí)非全相運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器繼電保護(hù)功能的影響，并針對(duì)受影響的繼電保護(hù)功能定值整定提出了相應(yīng)的技術(shù)防范措施。趙樹(shù)衛(wèi)[2]對(duì)龍煤鶴崗熱電廠直配線路系統(tǒng)沖擊進(jìn)行了分析，分析了線路故障，電網(wǎng)一般性擾動(dòng)等常見(jiàn)的電網(wǎng)故障或者運(yùn)行方式異常對(duì)發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的影響，并且提出具體應(yīng)對(duì)措施。劉萬(wàn)平等[3]從一起發(fā)電機(jī)運(yùn)行中與勵(lì)磁系統(tǒng)有關(guān)的電氣異常事件入手，利用發(fā)電機(jī)故障錄波圖對(duì)此異常事件進(jìn)行了深入分析，揭示了該機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在TV斷線判據(jù)設(shè)置上存在的隱患，并提出了相應(yīng)的對(duì)策和措施。那廣宇等[4]針對(duì)某220 kV線路故障導(dǎo)致關(guān)聯(lián)發(fā)電機(jī)組跳閘，并造成同一母線的其他發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)突增但保持在網(wǎng)運(yùn)行的情況，詳細(xì)介紹跳閘事故經(jīng)過(guò)，從多角度分析原因并提出解決方案，為電網(wǎng)運(yùn)行中規(guī)避類似事故起到借鑒作用，同時(shí)也提示發(fā)電企業(yè)提前排查隱患采取應(yīng)對(duì)措施。

本文以某電廠110 kV線路發(fā)生接地故障，相繼引起全廠4臺(tái)發(fā)電機(jī)全停，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大的事件為例，深入分析了造成事故擴(kuò)大的原因，充分闡述了此類電網(wǎng)故障沖擊對(duì)不具備孤島運(yùn)行能力的發(fā)電機(jī)的影響，揭露了某電廠在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)下的安全隱患并提出了相應(yīng)的防范措施。

1 全廠保護(hù)動(dòng)作及過(guò)程分析

1.1 接線及運(yùn)行方式介紹

某電廠建有4臺(tái)發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)容量為35 MW，每臺(tái)機(jī)組采用單元接線方式接入110 kV母線，110 kV母線采用單母線分段接線方式，電廠通過(guò)110 kV甲、乙2條出線與電網(wǎng)連接。正常運(yùn)行方式下，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)掛110 kV I母線，外接甲線運(yùn)行；2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)掛110 kV II母線，外接乙線運(yùn)行；110 kV母聯(lián)處于斷開(kāi)狀態(tài)，母線分列運(yùn)行。每臺(tái)發(fā)電機(jī)出口未設(shè)置高廠變，設(shè)一段10 kV廠用母線，下接10 kV焚燒段、汽機(jī)段、爐前公用段等廠用負(fù)荷，并設(shè)有廠用電快切裝置，4臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷存在交叉供電的情況。全廠設(shè)有一套給水空冷系統(tǒng)，由4臺(tái)給水空冷變組成，4臺(tái)機(jī)組共用。

事件發(fā)生前，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)掛110 kV I母線，外接甲線運(yùn)行；2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)掛110 kV II母線，外接乙線運(yùn)行，母聯(lián)斷開(kāi)。10 kV廠用電由4臺(tái)機(jī)組交叉供電，其中，1號(hào)給水空冷變、3號(hào)給水空冷變由2號(hào)發(fā)電機(jī)供電，2號(hào)給水空冷變、4號(hào)給水空冷變由3號(hào)發(fā)電機(jī)供電，全廠設(shè)備正常，無(wú)故障。

1.2 保護(hù)配置情況

110 kV甲線、乙線采用PCS-943N高壓輸電線路成套保護(hù)裝置，按要求配置了縱聯(lián)差動(dòng)、相間距離、接地距離、零序過(guò)流保護(hù)和重合閘等保護(hù)。

4臺(tái)發(fā)電機(jī)保護(hù)配置一致，采用PCS-985發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，配置了差動(dòng)、復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)、（基波）定子繞組接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)、負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、定子過(guò)電壓保護(hù)、逆功率保護(hù)和頻率異常保護(hù)。其中，頻率異常保護(hù)動(dòng)作于報(bào)警。

4臺(tái)給水空冷變采用PCS-9622D變壓器保護(hù)裝置，配置了差動(dòng)、高壓側(cè)過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、高壓側(cè)負(fù)序過(guò)負(fù)荷、高壓側(cè)零序過(guò)流和低壓側(cè)零序過(guò)流等保護(hù)。

1.3 保護(hù)動(dòng)作行為分析

1.3.1 動(dòng)作過(guò)程

電廠保護(hù)裝置接入了對(duì)時(shí)系統(tǒng)，全廠設(shè)備時(shí)間保持同步。根據(jù)電廠保護(hù)裝置、DCS后臺(tái)報(bào)文梳理了此次事件的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2022年5月6日15點(diǎn)45分，110 kV甲線接地距離Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，線路開(kāi)關(guān)跳閘；2號(hào)、4號(hào)給水空冷變比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器低頻切除動(dòng)作，跳開(kāi)發(fā)電機(jī)出口斷路器；2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)發(fā)電機(jī)出口斷路器。

1.3.2 保護(hù)動(dòng)作分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查、波形分析以及波形回放等方式進(jìn)行事故分析。

1）110 kV甲線保護(hù)動(dòng)作分析。首先，對(duì)110 kV甲線保護(hù)故障錄波進(jìn)行了分析，波形如圖1、圖2所示。根據(jù)波形可見(jiàn)：110 kV I段母線B相電壓驟降至0 V左右，同時(shí)110 kV I、II段母線零序電壓由0 V左右開(kāi)始增加，I段母線零序電壓大于II段母線零序電壓。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)，在110 kV甲線發(fā)生故障期間，甲線電纜溝上方有工程人員施工，進(jìn)行了地面挖掘，誤碰了B相電纜，導(dǎo)致甲線接地，線路保護(hù)正確動(dòng)作。

2）1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作分析。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)均未發(fā)現(xiàn)明顯故障。對(duì)1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)故障錄波進(jìn)行分析，波形如圖3、圖4所示。根據(jù)波形可見(jiàn)：在線路發(fā)生單相接地瞬間，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)A、B兩相電壓異常波動(dòng)明顯、電壓下降且中性點(diǎn)A、B兩相電流明顯增加。由于1號(hào)、3號(hào)機(jī)與故障線路直連，線路B相接地后電壓降至0，故障經(jīng)主變壓器后，反應(yīng)為發(fā)電機(jī)A、B兩相電壓下降，波形現(xiàn)象與現(xiàn)實(shí)故障一致。

甲線保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)甲線開(kāi)關(guān)后，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置低頻切除動(dòng)作，跳滅磁開(kāi)關(guān)，進(jìn)而聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器。在發(fā)電機(jī)跳閘前，發(fā)電機(jī)電壓、電流變化較大，變化無(wú)規(guī)律，波形如圖5、圖6所示。

甲線保護(hù)動(dòng)作后，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式。由于電廠孤島短路容量小，控制系統(tǒng)不具備快速調(diào)節(jié)的能力，發(fā)電機(jī)無(wú)法在孤島狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此電壓、電流呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化。在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用下，首先，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓上升，觸發(fā)了勵(lì)磁裝置V/Hz限制；其次，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，勵(lì)磁電流增大，當(dāng)勵(lì)磁電流增加至過(guò)勵(lì)限值時(shí)，過(guò)勵(lì)限制動(dòng)作，發(fā)電機(jī)電壓、頻率持續(xù)下降；當(dāng)頻率低至切除值時(shí)，勵(lì)磁裝置低頻切除動(dòng)作，跳滅磁開(kāi)關(guān)，進(jìn)而聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器，動(dòng)作正確。

3）2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作分析。2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)與甲線無(wú)直接聯(lián)系，不屬于故障范圍，但在故障切除后，事故卻擴(kuò)大至2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)，造成全廠停電。本文將對(duì)造成事故擴(kuò)大的原因進(jìn)行深入分析。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)均未發(fā)現(xiàn)明顯故障。

對(duì)2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)故障錄波進(jìn)行分析，波形如圖7、圖8所示。根據(jù)波形可見(jiàn)：在線路發(fā)生單相接地瞬間，2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)三相電壓變化不明顯，中性點(diǎn)電流稍有增加，未觸發(fā)任何保護(hù)動(dòng)作。

接著，甲線跳閘，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)入孤島運(yùn)行階段，由3號(hào)發(fā)電機(jī)供電的2號(hào)給水空冷變、4號(hào)給水空冷變差動(dòng)保護(hù)跳閘。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，空冷變內(nèi)部無(wú)故障；查看保護(hù)裝置的差流和制動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)計(jì)算，保護(hù)動(dòng)作正確，裝置邏輯正確。

為查清空冷變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的原因，對(duì)事件發(fā)生時(shí)，2號(hào)、4號(hào)給水空冷變保護(hù)裝置的波形進(jìn)行了回放。根據(jù)波形回放發(fā)現(xiàn)，空冷變差流中各次諧波含量增加，其中三次諧波、五次諧波占比均超過(guò)20%，如圖9所示。

變壓器鐵芯一般使用冷軋硅鋼片，在過(guò)電壓工況下，變壓器勵(lì)磁電流將激增，波形嚴(yán)重畸變，且含較多的三次、五次諧波分量[5]。給水空冷變的差流諧波分析，與變壓器處于過(guò)激磁狀態(tài)下的諧波變化一致，給水空冷變處于過(guò)激磁狀態(tài)。

根據(jù)變壓器過(guò)激磁特性可知：當(dāng)變壓器工作在額定磁密及以下時(shí)，勵(lì)磁電流很小，與磁密呈線性關(guān)系，相對(duì)變壓器額定電流可忽略不計(jì)[6]；但是，當(dāng)變壓器鐵心的磁密度超過(guò)額定磁密后，勵(lì)磁電流隨磁密增加飛速增大[7]，如圖10所示。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁勢(shì)平衡式為[8]

電流表示式為

變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的負(fù)載關(guān)系如圖11所示。

初級(jí)電流等于負(fù)載電流與勵(lì)磁電流之和，正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流較小，變壓器簡(jiǎn)化等效電路中可以忽略不計(jì)，若是勵(lì)磁電流占比較大，則變壓器高低壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生差流。

在1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)孤島運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)及10 kV廠用系統(tǒng)電壓頻率、電壓大小均在波動(dòng)，系統(tǒng)諧波含量增大，在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓上升階段，給水空冷變進(jìn)入過(guò)激磁狀態(tài)。此時(shí)給水空冷變的勵(lì)磁電流大幅增加，其中五次諧波占比增加較大，而此電流不能流入給水空冷變低壓側(cè)，因此在差動(dòng)回路中形成了較大的不平衡電流，由于給水空冷變保護(hù)裝置未設(shè)置五次諧波閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能，無(wú)法識(shí)別變壓器是否處于過(guò)激磁狀態(tài)，故造成比率差動(dòng)動(dòng)作，2號(hào)、4號(hào)給水空冷變跳閘。

2號(hào)、4號(hào)給水空冷變用于2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)組，在給水空冷變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘后，400 V給水空冷段母線失壓，2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)真空由-75.4 kPa迅速降低至-55 kPa，真空低保護(hù)動(dòng)作，逆功率保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)發(fā)電機(jī)出口斷路器，事故范圍擴(kuò)大至2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)，最終導(dǎo)致全廠停電。

2 暴露的問(wèn)題

本次事件是由外線路接地故障引起的發(fā)電機(jī)跳閘事故，事故本身只涉及1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)所在的系統(tǒng)，但卻擴(kuò)大至2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)致全廠失電。暴露了電廠在設(shè)計(jì)、保護(hù)配置方面的問(wèn)題，具體問(wèn)題如下。

第一，廠用電設(shè)計(jì)不夠合理，不滿足廠用電源的對(duì)應(yīng)供電性。本機(jī)、爐的廠用負(fù)荷按設(shè)計(jì)原則應(yīng)由本機(jī)組供電，但該廠10 kV廠用電由4臺(tái)發(fā)電機(jī)交叉供電，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)組的給水空冷變由2號(hào)發(fā)電機(jī)供電，2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)組的給水空冷變由3號(hào)發(fā)電機(jī)供電，這種不對(duì)應(yīng)的供電設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后，故障往2號(hào)、4號(hào)機(jī)發(fā)展的后果，最終導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

第二，發(fā)電機(jī)保護(hù)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量起著舉足輕重的作用[9]。從本次事故可見(jiàn)，該廠發(fā)電機(jī)保護(hù)配置不合理。在甲線保護(hù)動(dòng)作切除故障后，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)入孤島運(yùn)行，由于未設(shè)置快速動(dòng)2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=作的電氣量保護(hù)，導(dǎo)致整個(gè)孤島系統(tǒng)的電壓、頻率長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)，2號(hào)、4號(hào)空冷變進(jìn)入過(guò)激磁狀態(tài)，最終差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致事故擴(kuò)大至2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)。若在1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)孤島運(yùn)行后，能通過(guò)電氣量保護(hù)快速、直接將發(fā)電機(jī)切除，則10 kV 2號(hào)、4號(hào)空冷變能在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)快切裝置轉(zhuǎn)至由2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)供電，可避免事故擴(kuò)大。

3 總結(jié)與建議

本次事件的起因是甲線外部故障，導(dǎo)致B相接地。在切2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=除外部線路后，由于廠內(nèi)系統(tǒng)孤島短路容量很小，1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)無(wú)法維持孤島運(yùn)行，且機(jī)組控制系統(tǒng)不具備快速調(diào)節(jié)的能力，因此發(fā)電機(jī)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)端電壓、頻率大幅波動(dòng)。在此期間，發(fā)電機(jī)沒(méi)有任何的電量保護(hù)動(dòng)作于停機(jī)，最終通過(guò)勵(lì)磁裝置低頻切除動(dòng)作，跳滅磁開(kāi)關(guān)，聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器。

由于1號(hào)、3號(hào)發(fā)電機(jī)孤島運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，2號(hào)、4號(hào)給水空冷變進(jìn)入過(guò)激磁狀態(tài)。由于勵(lì)磁電流只流過(guò)其電源側(cè)，因此形成不平衡電流，反應(yīng)到差動(dòng)回路，導(dǎo)致比率差動(dòng)動(dòng)作。2號(hào)、4號(hào)給水空冷變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘后，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大至2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)，最終2號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)跳閘。

根據(jù)本次事件的分析，本文提出以下建議，以期為防范同類型事件提供參考。

1）從設(shè)計(jì)層面上避免此類事故的發(fā)生，在廠用電設(shè)計(jì)時(shí)，盡量滿足廠用電源的對(duì)應(yīng)供電性，本爐、本機(jī)的廠用負(fù)荷，盡量由自身系統(tǒng)供電，不同機(jī)組廠用電可通過(guò)快切、備自投等方式互為備用。

2）發(fā)電機(jī)保護(hù)配置方面，建議對(duì)不具備孤島運(yùn)行能力，且對(duì)外僅有單線路供電的發(fā)電機(jī)設(shè)置過(guò)激磁、頻率保護(hù)并動(dòng)作于跳閘，防止此類事故的發(fā)生。

3）變壓器過(guò)壓工況下容易進(jìn)入過(guò)激磁狀態(tài)，為防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，建議可投入五次諧波閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能。

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