一起發(fā)電機(jī)刀閘熔斷接地故障保護(hù)動(dòng)作分析及改進(jìn)措施

周紅斌 朱建偉 王華有

某電廠#5、#6發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元接線經(jīng)#3B主變并入500kV系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)機(jī)端接有開(kāi)關(guān)、刀閘，簡(jiǎn)化接線如圖 1所示。其中#6發(fā)電機(jī)配置 2套電量RCS-985GW和1套非電量RCS-974AG保護(hù)裝置，定子接地保護(hù)零序電壓取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈電壓互感器261XHQ和機(jī)端電壓互感器263YH。#3B主變配置 2套電量 RCS-978C和 1套非電量 RCS-974AG保護(hù)裝置，RCS-978C零序電壓取自主變低壓側(cè)電壓互感器254YH、264YH。某年，#6發(fā)電機(jī)發(fā)生一起發(fā)電機(jī)出口刀閘262 C相熔斷導(dǎo)致母線接地的故障，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置定子零序電壓保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)出口開(kāi)關(guān)。在這起故障繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中，發(fā)電機(jī)刀閘熔斷間隙性接地、定子接地保護(hù)定值的原因，保護(hù)未及時(shí)動(dòng)作切除故障。本文將介紹這起發(fā)電機(jī)出口刀閘接地時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作行為，分析保護(hù)行為原因及采取的對(duì)應(yīng)措施。

圖1 #6發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化接線圖

1 繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程及分析

1.1 繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程

某年某月某日15∶29∶15，電廠#6發(fā)電機(jī)出口刀閘發(fā)熱熔斷間隙性接地，15∶30∶11，#6發(fā)電機(jī)2套保護(hù) 95%定子接地保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)程序停機(jī)。15∶30∶19，#6發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘。在刀閘接地過(guò)程中#3主變保護(hù)共出現(xiàn)三次零序電壓報(bào)警。

經(jīng)提取電廠SOE記錄及#6發(fā)電機(jī)、#3主變故障錄波，以264YH二次電壓為基礎(chǔ)進(jìn)行本次故障繼電保護(hù)動(dòng)作行為分析，故障詳細(xì)時(shí)序如圖2所示，264YH電壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 #6發(fā)電機(jī)刀閘接地故障時(shí)序圖

表1 #3主變低壓側(cè)電壓互感器264YH二次電壓

根據(jù)錄波圖，本次故障過(guò)程共分為10個(gè)節(jié)點(diǎn)：

1）15∶29∶15.516，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置起動(dòng)，此時(shí)主變低壓側(cè)零序電壓為66.71V（刀閘熔斷和開(kāi)關(guān)跳閘前，電壓互感器263YH、264YH在同一個(gè)電位點(diǎn)，即電壓值相等），發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告機(jī)端零序電壓78.29V，中性點(diǎn)零序電壓64.24V。

2）15∶19∶43.4832，#3 主變保護(hù)第一次低壓零序電壓報(bào)警，零序電壓38.84V。即故障初期，發(fā)電機(jī)出口刀閘C相接地為間隙性，機(jī)端零序電壓未能滿足零序電壓報(bào)警延時(shí)要求（如圖3所示），故在發(fā)電機(jī)保護(hù)起動(dòng)28s后，主變保護(hù)才發(fā)零序電壓報(bào)警。

3）15∶29∶45.4841，#3 主變保護(hù)零序電壓報(bào)警第一次復(fù)歸，機(jī)端零序電壓49.76V，此時(shí)的報(bào)警復(fù)歸也正是刀閘間隙性接地所致。

圖3 #6發(fā)電機(jī)刀閘接地故障時(shí)電壓錄波圖

4）15∶30∶04.068，#3主變保護(hù)裝置第二次低壓零序電壓報(bào)警，機(jī)端零序97.31V。

5）15∶30∶11.4053，發(fā)電機(jī)2套保護(hù)啟動(dòng)后56s定子零序電壓保護(hù)動(dòng)作（如圖4所示），保護(hù)出口起動(dòng)機(jī)組程序停機(jī)，先關(guān)導(dǎo)葉減負(fù)荷再滅磁解列，此時(shí)機(jī)端零序電壓98.59V。

圖4 #6發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告

6）15∶30∶18.2022，發(fā)電機(jī)C相電流消失，即刀閘C相已熔斷，主變零序電壓85.07V，表明在刀閘的主變側(cè)仍有接地。

7）15∶30∶19.214，在發(fā)電機(jī)程序停機(jī)過(guò)程中，#3主變保護(hù)零序電壓報(bào)警第二次復(fù)歸，零序電壓1.23V，刀閘主變側(cè)接地消失。

8）15∶30∶19.2744，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作后 8s，跳出口開(kāi)關(guān)，A、B相電流消失，此時(shí)主變零序電壓為1.21V。

9）15∶30∶45.8527，#3 主變保護(hù)裝置第三次低壓零序電壓報(bào)警，主變零序電壓59.61V，進(jìn)而說(shuō)明刀閘C相熔斷后主變側(cè)繼續(xù)出現(xiàn)接地。

10）15∶30∶56.7048，#3主變保護(hù)低壓側(cè)零序電壓報(bào)警第三次復(fù)歸，刀閘C相接地消失。

1.2 繼電保護(hù)動(dòng)作行為分析

#6發(fā)電機(jī)RCS-985GW定子接地保護(hù)由基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成100%定子接地保護(hù)?；阈螂妷罕Ｗo(hù)取中性點(diǎn)零序電壓為動(dòng)作量，共設(shè)置兩段，其中靈敏段需經(jīng)機(jī)端零序電壓閉鎖，保護(hù)動(dòng)作條件同時(shí)滿足中性點(diǎn)基波零序電壓和延時(shí)，當(dāng)延時(shí)不滿足時(shí)，定子接地保護(hù)啟動(dòng)元件返回[1]。

這起故障過(guò)程 10個(gè)節(jié)點(diǎn)中電壓互感器 264YH零序電壓3U0在不斷變化（見(jiàn)表1），最大98.59V，接近機(jī)端金屬性接地零序電壓100V，最小1.23V，與機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)零序電壓一致，故此次故障為機(jī)端出口刀閘C相間隙性接地。正是由于零序電壓的不穩(wěn)定，#3主變保護(hù)RCS-978C低壓側(cè)零序電壓共發(fā)出了三次告警，發(fā)電機(jī)保護(hù) RCS-985GW 在故障發(fā)生后56s“定子零序電壓”才動(dòng)作出口啟動(dòng)程序跳閘停機(jī)，期間零序電壓雖大于定子接地保護(hù)定值靈敏段10V、高定值段20V，但均由于不滿足延時(shí)5s要求，所以定子接地起動(dòng)元件不斷起動(dòng)、返回。

2 定子接地保護(hù)定值復(fù)核及改進(jìn)措施

查看原保護(hù)定值整定書(shū)，發(fā)現(xiàn)整定書(shū)按照《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則（DL/T 684—2012）》（下文簡(jiǎn)稱“導(dǎo)則”）定子接地零序電壓靈敏值取U = ( 0.05～ 0 . 1)的要求，則:

式中，nPT為消弧線圈 PT變比；Ut.n為發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓（機(jī)端電壓18kV）。

在式（1）中，消弧線圈 PT變比 nPT直接引用了額定變比(18/3)kV/100V。但在發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作報(bào)文中發(fā)現(xiàn)，單相接地故障發(fā)生后，機(jī)端測(cè)量到的基波零序電壓約為78.29V，中性點(diǎn)測(cè)量到的基波零序電壓約為64.24V（如圖6所示）。機(jī)端PT額定變比：(18/3)/(0.1/3)/(0.1/3)，中性消弧線圈PT額定變比：(18/3)/(0.1)，機(jī)端PT零序變比是中性點(diǎn)的 3倍。當(dāng)機(jī)端發(fā)生單相接地故障時(shí)，機(jī)端 PT二次回路零序電壓與中性點(diǎn) PT零序電壓應(yīng)該相等，但保護(hù)裝置報(bào)文顯示不相等。

圖5 發(fā)電機(jī)保護(hù)定子接地保護(hù)各側(cè)電壓采樣

由此可見(jiàn)，本次故障發(fā)電機(jī)保護(hù) RCS-985GW未及時(shí)切除故障的主要原因在于定子接地保護(hù)定值不合理。主要為電壓值整定計(jì)算時(shí)未使用正確數(shù)據(jù)、保護(hù)延時(shí)未按照“導(dǎo)則”要求取0.3～1.0s。

2.1 定子接地保護(hù)定值參數(shù)

電廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈串電阻器接地，并采用欠補(bǔ)償方式，發(fā)電機(jī)接線簡(jiǎn)化如圖6所示（圖中未標(biāo)勵(lì)磁變等設(shè)備）。

圖6 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化接線圖

其中，發(fā)電機(jī)消弧線圈電抗1070Ω、電阻4.927Ω；電阻器的電阻30Ω。實(shí)測(cè)消弧線圈PT變比為129.83，而額定變比為(18/3)kV/100V=103.92。

2.2 定子接地保護(hù)電壓值整定

1）定子接地保護(hù)靈敏值發(fā)電機(jī)保護(hù) RCS-985GW 定子接地保護(hù)靈敏段動(dòng)作零序電壓判據(jù)為 Un0＞ U0zd，Un0為中性點(diǎn)基波零序電壓，0zdU 為基波零序電壓定值。

根據(jù)導(dǎo)則要求，還需復(fù)核下列情況：

（1）發(fā)電機(jī)各種工況運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓的基波分量0U小于8.01V。

在#6發(fā)電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測(cè)中性點(diǎn)位移電壓的基波分量0U最大值為2.41V，滿足導(dǎo)則要求。

（2）#3主變高壓側(cè)接地故障時(shí)傳遞過(guò)電壓小于8.01V。

#3B主變500kV側(cè)接地短路，則高壓側(cè)基波零序電壓（取較大值）：

傳遞過(guò)電壓等值電路如圖7所示。

圖7 主變高壓側(cè)傳遞過(guò)電壓簡(jiǎn)化電路

消弧線圈等值電阻

消弧線圈等值電感

即主變高壓側(cè)接地故障傳遞零序電壓將不會(huì)導(dǎo)致定子接地保護(hù)動(dòng)作，故靈敏段接地零序定值取8.01V。

2）定子接地保護(hù)高定值

按《導(dǎo)則》要求，定子接地保護(hù)高定值取

2.3 定子接地保護(hù)動(dòng)作延時(shí)整定

保護(hù)動(dòng)作延時(shí)主要考慮主變高壓側(cè)外部故障切除后，主變低壓側(cè)傳遞過(guò)電壓振蕩問(wèn)題。主變低壓側(cè)LC振蕩等值電路如圖8所示。

圖8 LC振蕩電路

根據(jù)電路原理[2]中衰減電壓為

式中， V為電壓初值，

0兩者相差很小，式（9）中兩項(xiàng)可以相互抵消。

傳遞過(guò)電壓的幅值呈指數(shù)衰減，衰減的時(shí)間常數(shù)為

根據(jù)《導(dǎo)則》要求，在定子接地保護(hù)零序電壓值躲過(guò)變壓器耦合傳遞電壓值時(shí)，保護(hù)延時(shí)應(yīng)盡量取短，可取0.3～1.0s，據(jù)此保護(hù)延時(shí)定值取為0.5s。設(shè)電壓初值為傳遞過(guò)電壓的峰值，假設(shè)高壓側(cè)接地故障持續(xù) 0.1s切除，則切除后傳遞過(guò)電壓衰減到0.40s時(shí)（忽略保護(hù)裝置計(jì)算固有延時(shí)），電壓幅值衰減至：

該值遠(yuǎn)小于保護(hù)定值8.01V。

即傳遞過(guò)電壓振蕩在經(jīng)保護(hù)延時(shí)0.5s后，保護(hù)裝置將不會(huì)誤動(dòng)。實(shí)際上由于定子接地保護(hù)靈敏段零序電壓定值為保證區(qū)外故障不誤動(dòng)，已降低靈敏度，取值大于傳遞過(guò)電壓值，此時(shí)保護(hù)時(shí)間越短越有利于保護(hù)及時(shí)動(dòng)作切除故障。但鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電氣參數(shù)有些不確定的因素，包括如下。

1）主變耦合電容、機(jī)端設(shè)備電容參數(shù)不準(zhǔn)確，影響傳遞過(guò)電壓的結(jié)果。

2）中性點(diǎn)電阻參數(shù)不準(zhǔn)確，影響衰減時(shí)間常數(shù)的結(jié)果。

3）主變高壓側(cè) 500kV系統(tǒng)電壓在故障之前會(huì)大于500kV。

4）中性點(diǎn)PT集成在消弧線圈上，在調(diào)節(jié)檔位時(shí)，可能導(dǎo)致PT變比有變化。

在這些因素中，第3）、第4）的影響不會(huì)太大。第3）因素，相當(dāng)于考慮電壓比500kV略高，可以考慮1.1倍或者更高的系數(shù)。第4）個(gè)因素，可考慮10%左右的誤差，往惡劣的方向考慮，可取1.1倍的系數(shù)。如此在本項(xiàng)計(jì)算中，傳遞過(guò)電壓值為1.1×1.1×4.56=6.73V，也是滿足要求。而最大的影響因素在第1）、第2），現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量主變耦合電容，機(jī)端設(shè)備電容情況的輕微變化，將可能導(dǎo)致傳遞過(guò)電壓超過(guò)計(jì)算值的幾倍。綜合考慮這些不確定的因素，為保證區(qū)外故障時(shí)定子接地保護(hù)不誤動(dòng)，建議保護(hù)延時(shí)取0.5s。

2.4 改進(jìn)建議

目前國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的電壓值、延時(shí)普遍采用躲過(guò)主變高壓側(cè)傳遞過(guò)電壓而整定[3-4]，未充分考慮現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)測(cè)影響因素。本文故障分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了中性點(diǎn)消弧線圈 PT零序電壓量偏低的問(wèn)題，建議保護(hù)定值整定計(jì)算時(shí)，應(yīng)實(shí)測(cè)相關(guān)電氣參數(shù)[5]，如本次故障如若中性點(diǎn)PT變比準(zhǔn)確，基波零序電壓定子接地保護(hù)可能更早動(dòng)作跳閘，也可減少設(shè)備損失[6-7]。同時(shí)，定子接地保護(hù)延時(shí)的整定，為確保區(qū)外故障保護(hù)不誤動(dòng)[8-9]，不僅僅需考慮計(jì)算的傳遞過(guò)電壓值及過(guò)電壓衰減情況，還需結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，綜合考慮實(shí)測(cè)參數(shù)變化的因素，在保證保護(hù)不誤動(dòng)的前提下，盡量縮短保護(hù)延時(shí)[10]。

3 結(jié)論

近年來(lái)，發(fā)電機(jī)定子接地故障是發(fā)電機(jī)最頻繁故障之一，定子接地保護(hù)定值整定的合理性，直接影響發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。本文結(jié)合某電廠一起發(fā)電機(jī)出口刀閘熔斷接地保護(hù)跳閘事件，分析了故障繼電保護(hù)動(dòng)作行為，并就發(fā)現(xiàn)的定子接地保護(hù)定值、設(shè)備實(shí)測(cè)參數(shù)的問(wèn)題，結(jié)合《導(dǎo)則》從提供了發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值整定的一種方法，進(jìn)而保證電廠設(shè)備的安全和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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