發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)接地保護配合方案研究

馬 敏

（國家電投集團協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500）

0 引 言

發(fā)電廠的各種故障中，廠用電系統(tǒng)事故所占比例很大，尤其是低壓廠用電系統(tǒng)，其負荷多、分布廣、運行環(huán)境差以及日常檢修維護不到位等，導致設備故障率較高，其中單相接地短路發(fā)生的概率最大。目前，一些發(fā)電廠發(fā)生多起因380V 低壓廠用電末端負荷接地故障保護越級跳閘造成380 V 電機控制中心（Motor Control Center，MCC）段和動力中心（Power Center，PC）段母線失壓事故，部分發(fā)電廠因同時受其他因素影響，導致發(fā)電機組發(fā)生非計劃停運事故。因此，文章對發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)接地保護配合方案進行研究。

1 發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)接地保護配置現(xiàn)狀

發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)包括中性點直接接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)高阻接地系統(tǒng)2 種。根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5153—2014），對于中性點經(jīng)高電阻接地的低壓廠用電系統(tǒng)，低壓廠用母線上的饋線回路應裝設接地故障檢測裝置，且檢測裝置宜由反映零序電流的元件構(gòu)成，動作于接地信號；對于中性點直接接地的低壓廠用電系統(tǒng)，低壓廠用母線上的饋線回路應裝設單相接地短路保護，同時可用相間短路保護兼作單相接地短路保護，當單相接地短路保護靈敏度不夠時，應設單獨的單相接地短路保護裝置[1]。此外，低壓廠用電系統(tǒng)中性點接地方式為直接接地時：對于容量為100 kW 以上的電動機，宜裝設單相接地短路保護裝置；對100 kW 以下的電動機，若相間短路保護能滿足單相接地短路的靈敏性，則可由相間短路保護兼作接地短路保護，若不能滿足，則應單獨裝設接地短路保護，保護瞬時動作于斷路器跳閘。

由于下級所帶低壓負載較為重要，發(fā)電廠低壓廠用380 V 汽機變、鍋爐變、保安變通常采用中性點經(jīng)高阻接地方式，與其相應的380 V PC 和MCC 段是中性點不接地系統(tǒng)，母線進線開關和饋線開關均未配置接地保護，且該段通常安裝小電流選線裝置，負載接地時，通過小電流選線裝置報警來反映故障。其他的低壓干式變壓器，如檢修變和公用變等采用中性點直接接地方式，與其相應的380 V PC 和MCC 段為中性點直接接地系統(tǒng)，廠用電系統(tǒng)380V PC 進線開關、PC 段饋線開關、380V MCC 進線開關均配置接地保護，但是380 V MCC 段所帶負載不配置接地保護，其利用塑殼開關相間短路保護兼作接地短路保護。

基于以上保護配置方式，當發(fā)電廠低壓廠用380 V MCC 段較長饋線負載發(fā)生遠端金屬性接地或近端非金屬性接地故障時，保護越級跳閘的情況時有發(fā)生[2]。

2 發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)接地保護越級跳閘事故案例

2.1 案例一

2017 年7 月1 日05:07，某電廠程控啟動10A 皮帶機、9A皮帶機、8A皮帶機、A碎煤機、A高幅振動篩、7A 皮帶機以及L1 皮帶機進行上煤加倉操作。05:20，燃料運行人員監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)10A 皮帶機、9A 皮帶機及原煤倉料位和煤倉間輔助設備反饋異常，8A 皮帶機和7A 皮帶機跳閘，就地檢查發(fā)現(xiàn)7A 皮帶機、8A 皮帶機、9A 皮帶機停轉(zhuǎn)，10A 皮帶機仍在運行且頭部有焦糊味，就地拉繩跑偏無法停運。05:24，集控運行就地檢查發(fā)現(xiàn)8A 皮帶機和9A 皮帶機開關已分閘，且開關發(fā)出報警信號，10A 皮帶機開關在運行狀態(tài)未跳閘；380 V 公用PC B 段至煤倉間MCC 電源2 號開關跳閘，并報零序過流報警。立即通知電氣一次、二次工作人員檢查8A 皮帶機和9A 皮帶機開關跳閘原因，通知輸煤電氣專業(yè)人員檢查380 V 公用PC B 段至煤倉間MCC 電源開關2 零序過流故障跳閘的原因。05:40，10A 皮帶機制動器自動抱閘落下，且與皮帶摩擦產(chǎn)生焦糊味，燃料運行人員就地將制動器抱閘打開。05:50，檢修人員就地檢查380 V 公用PC 段煤倉間MCC 電源電源1、電源2 這2 路的開關，發(fā)現(xiàn)開關測控裝置（ST-400PC）有零序保護動作，接地零序電流為5.65 A（二次值）。09:00，燃料維護人員對沒有恢復送電的輔助設備進行絕緣測試，發(fā)現(xiàn)10A 皮帶機布袋除塵器空壓機的電機對地絕緣為0。14:00，燃料維護人員拆除空壓機電機，解體發(fā)現(xiàn)電機定子線圈C 相有燒痕，電機轉(zhuǎn)子有銹跡，外觀很舊，初步懷疑為翻新產(chǎn)品，聯(lián)系廠家處理。該案例中，10A 皮帶機布袋除塵器的空壓機電機故障，保護越級動作是該異常事件的根本原因。煤倉間MCC 段的10A 皮帶機布袋除塵器電控柜電源的塑殼開關型號為GE 公司的FDN160TD，額定電流為100 A，配有長延時保護和速斷保護，速斷電流為1 000 A，開關無零序保護。根據(jù)故障報告計算接地電流一次值為565 A（零序電流互感器的變比為100 ∶1），小于10A 皮帶機除塵系統(tǒng)電控柜電源開關的速斷保護定值1 000 A，因此10A 皮帶機除塵系統(tǒng)電控柜電源開關速斷保護未動作[2]。而煤倉間MCC 段進線電源2 開關測控裝置的零序保護整定電流為200 A，整定時間為0.2 s，故障電流大于煤倉間MCC 電源2 開關的測控裝置零序定值。同時，根據(jù)開關特性曲線，測算10A 皮帶機布袋除塵器電控柜電源開關長延時動作時限為4.5 s，遠大于煤倉間MCC 電源2 開關測控裝置的零序保護時間（0.2 s）。因此，當10A 皮帶機布袋除塵器空壓機電機故障時，10A 皮帶機布袋除塵器電控柜電源開關長延時保護未動作，故煤倉間MCC 電源2 開關測控裝置保護動作跳閘。380 V 公用PC 段至煤倉間MCC 電源進線2 開關的保護定值如表1 所示。380 V煤倉間MCC 段的10A 皮帶除塵系統(tǒng)電控柜電源開關的保護定值如表2 所示。

表1 380V 公用PC 段至煤倉間MCC 電源2 進線開關的保護定值

表2 380V 10A 皮帶除塵系統(tǒng)電控柜電源開關的保護定值

2.2 案例二

2018 年3 月13 日，某電廠2 號機組檢修，高加正常疏水管道改造完成后，焊接后需要進行熱處理，因此需要從除氧器平臺檢修箱接一路電源作為熱處理臨時電源。2018 年3 月14 日00:14，運行人員發(fā)現(xiàn)2 號機組汽機PC 段上2 號機組汽機檢修MCC 電源開關跳閘，2號機組汽機檢修MCC段母線失去電源供給。檢查該開關保護裝置的零序電流保護動作情況，動作電流為3 941 mA。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)檢修單位在臨時用電接線時，將熱處理電源直接接入2 號機組除氧器平臺檢修電源箱進線開關前的銅排，工作時發(fā)生熱處理電源接地，導致2 號機組汽機檢修MCC 進線開關零序保護動作，開關跳閘。

由于臨時用電接線不規(guī)范，發(fā)生故障時，檢修電源箱內(nèi)斷路器起不到保護作用。該電源上級開關2 號汽機檢修MCC 段的除氧器平臺檢修箱電源為GE 公司的FDN160TD 塑殼開關，配置了長延時和速斷保護，額定電流為160 A，速斷保護動作電流為1 280 A，塑殼開關本身沒有配置零序保護。根據(jù)故障報告，故障時接地電流一次值為394.1 A（零序電流互感器的變比為100 ∶1），小于2 號機組除氧器平臺檢修箱電源開關的速斷保護定值。2 號機組汽機PC 段上2 號機組汽機檢修MCC 段進線電源開關智能測控保護裝置的接地保護定值為240 A，整定時間為0.2 s，故障電流大于2 號機組汽機檢修MCC 段進線電源開關接地保護定值。因此，2 號機組汽機檢修MCC 段負載接地時，其電源開關接地保護動作，開關跳閘[3]。

3 發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)接地保護越級動作解決方案

發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)接地保護越級跳閘案例較為普遍，為解決此類故障，保障現(xiàn)場設備安全穩(wěn)定運行，提出以下幾種解決方案。

3.1 優(yōu)化保護定值和配合關系

（1）根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5153—2014），當?shù)蛪簭S用電系統(tǒng)末端未配置接地保護時，允許用相間短路保護切除單相接地短路故障。計算定值時，應考慮MCC 段電源開關與下一級負荷開關速斷保護配合，通過定值大小和整定時間的配合保證繼電保護裝置的選擇性。

此外，380 V 系統(tǒng)單相接地電流大小受多種因素影響，不同工況下的故障電流相差較大，難以估算，因此該方法難以兼顧各種工況。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，考慮僅在故障電流小于800 A 時進行配合，即下級空開額定電流在80 A 以下時進行配合。

（2）低壓廠用電系統(tǒng)末端未配置接地保護，可以取消上級的接地保護。此時，需要用干式變綜保裝置的接地保護與末級負載短延時保護配合。其優(yōu)點在于綜保裝置定值整定靈活性強，能滿足保護選擇性，缺點是保護電流定值較大，不能及時切除故障電流較小的單相接地故障，因此可能發(fā)展為較嚴重的單相故障或相間故障，進而嚴重損壞設備。

3.2 在發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)末級使用帶接地保護的開關

在發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)末級使用帶接地保護的開關，該方法是最簡單可靠的方法。對于末級負荷開關配置可以整定的接地保護，通過各級接地保護定值逐級配合，即可實現(xiàn)故障時保護裝置逐級動作。

一般情況下，低壓廠用電系統(tǒng)在設計時末級采用不帶接地保護的抽屜式開關，對于已投運的系統(tǒng)，需要進行開關改造，增加了實施難度和成本。目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了帶接地保護的塑殼空開，無須采用框架斷路器，一定限度上節(jié)約了安裝空間和成本，新建機組在設計階段可以綜合考慮該裝置[4,5]。

3.3 發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)末級開關配置獨立的接地保護

在發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)末級抽屜開關內(nèi)安裝接地保護裝置，將保護裝置和開口式專用電流互感器固定在抽屜安裝板上，無須改動一次線路，改造工程量較小，選擇投退保護出口驅(qū)動塑殼開關分勵線圈跳閘方式，實現(xiàn)零序保護。改造完成后，可以模擬故障從而進行保護調(diào)試，驗證保護功能的正確性與可靠性。該方法實施成本較小，操作可行性較高。

目前，國內(nèi)發(fā)電廠普遍采用優(yōu)化保護定值和配合關系方案，通過上級接地保護和下級速斷保護配合來實現(xiàn)選擇性，但是其缺點也較為明顯。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和廠家研發(fā)技術(shù)的不斷升級，在發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)末級使用帶接地保護的開關方案和發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)末級開關配置獨立的接地保護方案的可行性及可操作性也越來越高。

4 結(jié) 論

隨著發(fā)電廠安全管理水平的提高，廠用電系統(tǒng)運行安全可靠性越來越受到重視。因此，發(fā)電廠在設計選型階段，就應該重視低壓廠用電系統(tǒng)的保護越級動作問題，綜合考慮可靠性、選擇性以及經(jīng)濟性，選擇更適合該工程現(xiàn)場的接地保護配置方式，從而保證設備投產(chǎn)運營期的安全穩(wěn)定運行。