一起斷路器機(jī)械故障電壓異常事件分析

李家漢，梁 剛，浦 通，劉遠(yuǎn)飛

（1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明650000； 3.云南送變電工程有限公司，云南 昆明650000）

1 引言

發(fā)電機(jī)在正常解列或并網(wǎng)早期機(jī)端電流極小，甚至無電流，在此過程中若發(fā)生非全相或單相接地故障，通過電流量很難反映或判別故障類型，在故障判別和診斷過程中電壓量就起到關(guān)鍵作用，而非全相運(yùn)行時(shí)故障電壓會(huì)呈現(xiàn)出和單相接地故障類似的特征，很難通過現(xiàn)象定性判別出故障類型，給故障排查帶來一定困難。大型發(fā)電機(jī)為滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，出口斷路器一般采用三相聯(lián)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，常規(guī)非全相保護(hù)由三相不一致輔助接點(diǎn)和負(fù)序電流判據(jù)構(gòu)成，不適用于三相聯(lián)動(dòng)斷路器，而發(fā)電機(jī)出口斷路器因?yàn)闄C(jī)械故障導(dǎo)致非全相事故在國內(nèi)時(shí)有發(fā)生。對未設(shè)置非全相保護(hù)的GCB，從保護(hù)一次系統(tǒng)角度考慮，維護(hù)人員熟練掌握故障分析方法，迅速根據(jù)保護(hù)裝置報(bào)警信號(hào)判別出故障類型對及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)、防止安全生產(chǎn)事故尤為重要。

2 事故簡介

2019 年01 月24 日22：27，某電廠1FB 減功率到零正常停機(jī)斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器，啟動(dòng)逆變滅磁過程中，監(jiān)控系統(tǒng)顯示變壓器A、B 套保護(hù)裝置零序電壓（低壓側(cè)）報(bào)警動(dòng)作，發(fā)電機(jī)A 套保護(hù)裝置注入式定子接地靈敏段報(bào)警動(dòng)作，報(bào)警信號(hào)一直持續(xù)，直至斷開隔離刀閘，切斷與系統(tǒng)側(cè)聯(lián)系，投入消諧裝置消除諧振后，裝置報(bào)警信號(hào)才復(fù)歸，隨即維護(hù)人員分專業(yè)展開現(xiàn)場檢查工作，事件詳細(xì)過程見表1。

表1 事件過程記錄時(shí)序

3 保護(hù)裝置動(dòng)作分析

3.1 變壓器保護(hù)動(dòng)作情況分析

3.1.1 主變低壓側(cè)零序電壓報(bào)警分析

分析故障錄波波形可知，22：27：28，主變低壓側(cè)零序電壓3U0達(dá)到10 V，并持續(xù)增大，此時(shí)零序電壓3U0大于低壓側(cè)零序電壓報(bào)警定值10 V，滿足主變低壓側(cè)零序電壓報(bào)警條件，延時(shí)4.5 s 后，報(bào)“主變低壓側(cè)零序電壓報(bào)警”；22：29：37，拉開隔離刀閘導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化引發(fā)主變低壓側(cè)諧振，零序電壓3U0大于報(bào)警定值，“主變低壓側(cè)零序電壓報(bào)警”持續(xù)報(bào)出，直至22：38：57，投入消諧裝置消除諧振后，主變低壓側(cè)零序電壓3U0降低至報(bào)警定值以下，“主變低壓側(cè)零序電壓報(bào)警”信號(hào)才復(fù)歸，以上時(shí)刻與變壓器保護(hù)裝置報(bào)警動(dòng)作時(shí)刻基本相符。

3.1.2 主變低壓側(cè)TV 斷線報(bào)警分析

分析故障錄波波形可知，22：29：37，拉開隔離刀閘后，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化引發(fā)主變低壓側(cè)諧振，主變低壓側(cè)負(fù)序電壓值U2達(dá)到2.668 V，負(fù)序電壓3U2大于8 V，滿足TV 斷線判據(jù)，延時(shí)10 s 后，報(bào)“主變低壓側(cè)TV 斷線”；22：38：57，投入消諧裝置消除諧振后，主變低壓側(cè)負(fù)序電壓U2降至2.667 V 以下，負(fù)序電壓3U2小于8 V，延時(shí)10 s 后，“主變低壓側(cè)TV 斷線”信號(hào)復(fù)歸，以上時(shí)刻與變壓器保護(hù)裝置報(bào)警動(dòng)作時(shí)刻基本相符。

3.2 發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作情況分析

查看發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文，22：27：34，發(fā)電機(jī)A 套保護(hù)裝置報(bào)“注入式接地靈敏信號(hào)”，發(fā)電機(jī)B 套保護(hù)裝置無報(bào)警信號(hào)。查看保護(hù)裝置定值單，發(fā)電機(jī)定子繞組高定值：報(bào)警定值5 kΩ，延時(shí)定值5 s；發(fā)電機(jī)定子繞組低定值：跳閘定值1 kΩ，延時(shí)定值0.5 s。查看發(fā)電機(jī)A 套保護(hù)裝置定子接地保護(hù)裝置報(bào)文顯示，定子接地電阻為2.04 kΩ，低于定子繞組高定值，高于定子繞組低定值，發(fā)電機(jī)A 套保護(hù)裝置報(bào)警動(dòng)作正確。22：28：58，制動(dòng)開關(guān)投入后閉鎖定子接地保護(hù)，發(fā)電機(jī)A 套保護(hù)注入式定子接地報(bào)警信號(hào)復(fù)歸。

4 事故原因分析

該電廠發(fā)電機(jī)機(jī)端額定電壓為20 kV，中性點(diǎn)經(jīng)接地變接地，發(fā)電機(jī)出口經(jīng)封閉母線與GCB 連接，變壓器與無窮大系統(tǒng)連接，發(fā)電機(jī)與變壓器低壓側(cè)之間組成了局部不接地系統(tǒng)。主變低壓側(cè)零序電壓一般由接地、斷相或諧振引起，根據(jù)事件過程及故障錄波記錄，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變零序電流互感器（ZCT1）在報(bào)警期間有零序電流約為0.36 A，由此可判斷發(fā)電機(jī)定子繞組至GCB 段未發(fā)生接地故障（若此段發(fā)生接地故障，中性點(diǎn)接地變零序回路無法形成），主變低壓側(cè)零序電壓產(chǎn)生可初步定性為兩種情況：①如圖1 所示，GCB 未斷開C 相導(dǎo)致局部不接地系統(tǒng)非全相運(yùn)行；②如圖2 所示，局部不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，且由錄波分析可知故障時(shí)最高相電壓高于1.5 倍的額定電壓，判定電壓最低相C相為接地相[1]。下文通過具體計(jì)算來分析兩種情形產(chǎn)生異常電壓情況。

圖1 假設(shè)GCB 的C 相未斷開導(dǎo)致系統(tǒng)非全相運(yùn)行示意

在對電壓進(jìn)行定量分析計(jì)算時(shí)，若系統(tǒng)對地絕緣電壓很高，可忽略系統(tǒng)對地電導(dǎo)，僅考慮系統(tǒng)對地電容[1]。設(shè)局部不接地系統(tǒng)故障時(shí)三相對地電容分別為CA、CB、CC，故障相對地電阻為R，主變低壓側(cè)三相電壓分別為

圖2 假設(shè)局部不接地系統(tǒng)發(fā)生C 相接地故障示意

根據(jù)基爾霍夫電流定律列節(jié)點(diǎn)電壓方程：

得中性點(diǎn)對地電壓：

該電廠局部不接地系統(tǒng)對地電容及接地變電阻參數(shù)見表2，其中PT 變比為20 kV/0.1 kV/（0.1 kV/3），代入相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算分析。

表2 局部不接地系統(tǒng)對地電容及接地變電阻參數(shù)

（1）假設(shè)此局部不接地系統(tǒng)發(fā)生C 相接地故障，則A、B、C 三相對地電容均為GCB 靠主變側(cè)電容，即：CA=CB=CC=Ct，中性點(diǎn)對地電壓為：

式中R為假設(shè)C 相發(fā)生接地故障時(shí)的實(shí)際接地電阻值，根據(jù)實(shí)際錄波數(shù)據(jù)，取零序電壓二次有效值U0為92～95 V，額定電壓Un為，帶入上式計(jì)算得接地電阻一次值R為1.342 9～1.738 9 Ω，此接地阻值偏小，接近等于零，C 相近似為金屬性接地故障。根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)發(fā)生金屬性接地故障且該故障持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，一次設(shè)備會(huì)出現(xiàn)不同程度的燒傷點(diǎn)，而現(xiàn)場檢查并未發(fā)現(xiàn)明顯的接地故障點(diǎn)，現(xiàn)場對局部不接地系統(tǒng)做絕緣試驗(yàn)，各處絕緣測試均合格，缺乏有力的證據(jù)證明發(fā)生了單相接地故障。

（2）假設(shè)此局部不接地系統(tǒng)GCB C 相未斷開造成非全相運(yùn)行，則A、B 兩相對地電容均為GCB 靠主變側(cè)電容，即：CA=CB=Ct，C 相對地電容為GCB 靠主變側(cè)電容加上3 倍的定子電容與GCB 發(fā)電機(jī)側(cè)電容之和，即：CC=Ct+3（Cg+Cd），C 相對地電阻為接地變電阻，即：R=Rn，則中性點(diǎn)對地電壓為：

將各項(xiàng)參數(shù)代入數(shù)值計(jì)算，中性點(diǎn)對地電壓，A、B、C 三相電壓一次值分別為：

將一次值折算到二次側(cè)，中性點(diǎn)對地電壓，A、B、C 三相電壓二次有效值分別為：

通過上述非全相運(yùn)行計(jì)算推導(dǎo)出的A 相電壓96.96 V，B 相電壓96.96 V，C 相電壓3.52 V，零序電壓93.89 V 分布特征與故障錄波數(shù)據(jù)記錄的主變低壓側(cè)各項(xiàng)電壓差值浮動(dòng)在合理區(qū)間內(nèi)，考慮故障錄波數(shù)據(jù)采樣率低和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算誤差的影響，計(jì)算的故障電壓與實(shí)際的故障電壓基本吻合。

結(jié)合以上兩種假設(shè)的計(jì)算分析，綜合考慮實(shí)際故障時(shí)C 相故障電壓波形平滑，無尖峰脈沖，一次設(shè)備絕緣正常，未有明顯的接地?zé)齻c(diǎn)，推斷此局部不接地系統(tǒng)未發(fā)生單相接地故障，而是由于GCB 本體偶發(fā)性的機(jī)械故障導(dǎo)致非全相運(yùn)行，造成主變低壓側(cè)對地三相電容極度不對稱，中性點(diǎn)發(fā)生偏移，三相電壓和零序電壓呈現(xiàn)和單相接地類似的故障特征，屬于虛假單相接地現(xiàn)象。而對于發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作情況，維護(hù)人員對相關(guān)回路及元器件進(jìn)行檢查未見異常，進(jìn)行發(fā)電機(jī)零起升壓、發(fā)變組零起升壓試驗(yàn)未發(fā)生異常報(bào)警信號(hào)，初步推斷注入式定子接地保護(hù)受到20 Hz 相角偏移的影響，導(dǎo)致測量電阻低于定值報(bào)警。

5 結(jié)論

本文分析了一起大型發(fā)電機(jī)減功率到零正常停機(jī)過程中，GCB 分閘時(shí)因開關(guān)本體偶發(fā)性的機(jī)械故障導(dǎo)致C 相未斷開，引起局部不接地系統(tǒng)非全相運(yùn)行，電壓呈現(xiàn)虛假單相接地現(xiàn)象的典型案列，通過對比GCB 單相接地故障和C 相未斷開非全相運(yùn)行的定量計(jì)算分析，結(jié)合繼電保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文、故障錄波波形和現(xiàn)場檢查結(jié)果推斷出了故障類型，分析了繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作結(jié)果正確性，針對此類電壓異?，F(xiàn)象給電站維護(hù)人員提供了一種故障分析及排查思路。