發(fā)電機斷路器失靈保護判據(jù)問題探討

兀鵬越 孫鋼虎 徐 金 許寅智 劉國榮

（1.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710043；2.南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100；3.西北電力建設(shè)第一工程公司，陜西 渭南 714000）

按照《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》[1]中11.6條的要求：“發(fā)電機變壓器組的主斷路器出現(xiàn)非全相運行時，其相關(guān)保護應(yīng)及時起動斷路器失靈保護，在主斷路器無法斷開時，斷開與其相連在同一母線上的所有電源。”因此，發(fā)電機出口斷路器有必要裝設(shè)失靈保護。

由于傳統(tǒng)上對于發(fā)電機出口斷路器應(yīng)用較少，在實際工程中也遇到了一些問題，例如發(fā)電機出口斷路器的失靈保護配置及整定。《繼電保護及安全自動裝置規(guī)程》[2]、《大型發(fā)變組保護整定計算導(dǎo)則》[3]中對此沒有明確說明，目前工程上的一般做法，僅僅是將常規(guī)的線路斷路器失靈保護簡單套用到發(fā)電機斷路器了事，而忽視了這兩者之間有著根本的區(qū)別，這在某些情況下有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

本文分析了某廠一起發(fā)電機斷路器失靈保護誤動事故的原因，并進一步對發(fā)電機失靈保護的有關(guān)判據(jù)進行了探討，指出存在的問題，并提出了新的保護判據(jù)，以期引起同行對此問題的重視，進一步完善此保護。

1 某廠1號機組系統(tǒng)接線

某廠 1號機組是一臺百萬千瓦等級的燃煤機組，以發(fā)電機－變壓器單元接線接入500kV配電裝置，發(fā)電機經(jīng)出口斷路器與1號主變、1A高廠變和1B高廠變相連。發(fā)電機中性點采用經(jīng)接地變壓器的高阻接地方式。發(fā)電機出口斷路器由ABB制造，額定電流28000A，額定短路切斷電流160kA，液壓彈簧三相機械聯(lián)動操作機構(gòu)。發(fā)變組保護采用南瑞繼保RCS-985微機成套保護裝置。

圖1 某廠1號機組系統(tǒng)圖

2 事故經(jīng)過

在2009年6月22日1號機組的首次整套起動試驗過程中，當(dāng)機端電壓升至額定電壓運行不久，17時 47分，發(fā)電機定子接地保護、發(fā)電機斷路器失靈保護動作，起動“全停 I”出口，跳 500kV升壓站斷路器 5011、5012、發(fā)電機斷路器 801、滅磁開關(guān)、6kV高壓廠用電源斷路器61A、61B、61C、61D，由于該機組備用電源不設(shè)置快速事故切換方式，而備自投裝置也未投運，因此備用電源沒有切換，高廠變跳閘后導(dǎo)致全廠廠用電失電。幸虧柴油發(fā)電機組自動緊急起動成功，保安段及時恢復(fù)供電，機組安全停機。

保護動作故障錄波如圖2所示：發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子C相電壓突然完全消失，同時A、B相電壓上升為100V，零序電壓58V，發(fā)電機中性點出現(xiàn)零序電流 13A，外接電源式定子接地保護顯示接地電阻由3000kΩ迅速下降為 0，以上故障持續(xù)延時達到定值0.5s后保護跳閘，發(fā)電機機端電壓消失，零序電壓零序電流均消失。當(dāng)機組跳閘后，“零序電壓+三次諧波”式定子接地保護可以復(fù)歸，但外加電源式定子接地保護仍可測得C相接地電阻為0。

圖2 保護動作波形

停機檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機出口斷路器C相與封母的軟連接銅皮斷裂翹起，與封母外殼內(nèi)壁接觸，發(fā)電機機端金屬性一點接地，接地點如圖1中箭頭位置。發(fā)變組保護A柜的注入式定子接地保護和B柜的“基波零序+三次諧波”定子接地保護同時正確動作，跳滅磁開關(guān)、關(guān)主汽門及跳開發(fā)電機斷路器[4]。

但是，在定子接地保護動作的同時，發(fā)變組保護C柜的RCS-974FG保護裝置中的非電量跳閘保護“發(fā)電機斷路器失靈保護”卻誤動作，跳開主變、廠變，導(dǎo)致事故范圍擴大。

3 失靈保護誤動原因分析

3.1 發(fā)電機斷路器失靈保護原理[5]

1號機組發(fā)電機斷路器失靈保護邏輯如圖 3所示，由相電流元件、負序電流元件、零序電流元件中任一判據(jù)滿足，再與發(fā)電機保護起動失靈和斷路器位置與門后延時跳相鄰斷路器。其基本原理同一般變電站斷路器失靈保護基本相同。

圖3 發(fā)電機斷路器失靈保護的邏輯圖

3.2 失靈保護誤動原因

發(fā)電機斷路器失靈保護接線圖如圖4所示。圖4（a）中，保護由RCS-974FG保護裝置實現(xiàn)，發(fā)電機電流及保護動作觸點、斷路器位置構(gòu)成完整的保護邏輯，所有判據(jù)條件滿足后，失靈保護動作，圖4（b）中的TJ1-2觸點閉合。圖4（b）回路是為了防止失靈保護誤動，再次與發(fā)電機保護動作觸點串聯(lián)后才動作于最后的出口跳閘。

由于技術(shù)人員對保護原理不清楚，在實際接線中，錯誤地將 8LD3處與 8FD18直接短接，如圖3（b）所示虛線部分，導(dǎo)致斷路器失靈保護的電流判據(jù)和斷路器位置判據(jù)被忽略，發(fā)電機保護動作后就直接跳閘于發(fā)電機短路器失靈保護出口。

圖4 發(fā)電機斷路器失靈保護接線圖

4 發(fā)電機斷路器失靈分析

4.1 問題的提出

以上事故中，查明發(fā)電機斷路器失靈保護誤動的原因是接線錯誤，導(dǎo)致電流判據(jù)不起作用。修改了錯誤的接線后，保護原理與設(shè)計意圖相符合。而且在以后的幾次發(fā)電機保護動作時，失靈保護也沒有再動作。看起來這個問題似乎已經(jīng)圓滿解決了，但是，從另一個角度來思考：如果在這次定子接地事故中，發(fā)電機斷路器拒動了的話，發(fā)電機斷路器失靈保護會正確動作嗎？

4.2 定子接地時斷路器失靈分析

發(fā)電機中性點通過高阻接地變壓器接地，屬于小電流接地系統(tǒng)。發(fā)電機機端一點金屬性接地時，接地一次電流理論值只有 18A，這次發(fā)電機定子接地保護動作時故障錄波器實測的接地電流一次值為13A。而有關(guān)規(guī)程中[2-3]，對負序和零序過電流元件的整定計算原則沒有明確的規(guī)定。所以負序電流元件整定值按躲過發(fā)電機長期允許的最大負序電流值考慮。零序電流元件的整定按躲過正常工況下的最大零序不平衡電流整定[6]，這樣整定計算的定值見表1。

表1 1號發(fā)電機斷路器失靈保護整定值

可見，定子接地時的零序電流遠遠小于發(fā)電機斷路器失靈保護的零序電流定值，而相電流也不會大于機組額定負荷電流，因此三相拒動時不會起動斷路器失靈保護。對于斷路器單相拒動情況，如圖4，假設(shè)A相拒動，由于B、C相已經(jīng)斷開，電流Ia將無法形成回路，負序電流判據(jù)也失去作用。只有斷路器概率極小的兩相拒動的時候，才會有負序電流，而負序電流是否達到定值，還有待進一步計算。如果負序電流小于定值，說明在發(fā)電機長期允許范圍內(nèi)，可以短時間運行。

圖5 發(fā)電機變壓器主回路

這樣一來，如果發(fā)電機斷路器拒動，發(fā)電機保護動作后只能跳滅磁開關(guān)、關(guān)汽機主汽門。此時發(fā)電機斷路器仍然合閘，但發(fā)電機已無原動力，處于逆功率狀態(tài)；因此斷路器失靈保護將無法起動，上一級斷路器也無保護動作，無法將故障發(fā)電機與系統(tǒng)隔離，在手動跳開上一級斷路器以前，只能任由事故發(fā)展。

4.3 其他發(fā)電機故障時分析斷路器失靈分析

不但定子接地時發(fā)電機斷路器失靈保護不能起動，還有其他的一些發(fā)電機故障也存在這樣的問題。這是因為目前發(fā)電機斷路器失靈保護的原理，僅僅是從220kV以上變電站的斷路器失靈保護簡單套用而來的。在我國，220kV以上系統(tǒng)屬于大電流接地系統(tǒng)，各種故障均有較大的故障電流。而發(fā)電機出口電壓一般在10～27kV，為了防止單相接地電流燒壞發(fā)電機定子鐵心，采用不接地、經(jīng)高阻接地，或經(jīng)消弧線圈接地，除了相間及三相短路故障外，其他發(fā)電機故障不會有很大的故障電流，與此同時，發(fā)電機相當(dāng)多的故障量反映在定子電壓的變化，甚至是轉(zhuǎn)子電壓、電流的變化。這些對發(fā)電機電流不一定有影響的故障量，自然不會滿足發(fā)電機斷路器失靈保護中的電流判據(jù)。

表2是1號機組發(fā)電機保護配置表。可見，所謂的發(fā)電機斷路器失靈保護，僅在發(fā)電機發(fā)生相間短路時，差動保護、后備過流保護動作時能夠起動。但發(fā)電機差動、過流保護動作時候很少，而單相接地、勵磁故障、轉(zhuǎn)子故障、運行異常等原因引起的跳機卻很多，占發(fā)電機保護動作的大部分。據(jù)1987年至于1991年全國100MW以上發(fā)電機繼電保護實際運行情況統(tǒng)計資料[7]：發(fā)電機保護動作 442次，其中差動保護動作 62次，僅為總的保護動作次數(shù)14%。也即大部分的發(fā)電機保護動作時斷路器失靈保護是不會起動的。

表2 1號發(fā)電機保護配置

而對于相間斷路故障，發(fā)電機差動保護會瞬時動作跳開斷路器。當(dāng)斷路器單相拒動時，無論該相是不是故障相，由于其余兩相已經(jīng)斷開不會形成電流回路，該相都不會再有故障電流。失靈保護雖然在短路開始時已經(jīng)起動，但差動保護動作后故障電流消失，失靈保護經(jīng)0.3s延時，又會返回，同樣不會出口。只有發(fā)生相間故障時三相拒動和兩相拒動情況下，斷路器失靈保護才會正確出口。

5 發(fā)電機斷路器失靈保護整定及判據(jù)商榷

以上分析可見，發(fā)電機斷路器失靈保護屬于小電流接地系統(tǒng)，本質(zhì)上有別于大電流接地系統(tǒng)的斷路器失靈保護。簡單套用大電流接地系統(tǒng)的斷路器失靈保護，在小電流接地系統(tǒng)中能夠正確動作的幾率是很低的。這個問題之所以沒有引起重視，是因為發(fā)電機斷路器拒動發(fā)生的概率很小。但是如果這種情況發(fā)生了，可能會引起嚴(yán)重后果。為了保證發(fā)電機斷路器失靈保護正確動作，筆者提出以下建議：

1）定值整定。發(fā)電機斷路器失靈保護與高壓線路失靈保護有著本質(zhì)區(qū)別，其整定原則不能簡單套用。對發(fā)電機斷路器失靈保護的電流判據(jù)如果按照躲過發(fā)電機最大負荷電流、長期運行允許負序電流等原則整定，大多數(shù)情況下將會導(dǎo)致保護拒動，因此建議判“有流”，當(dāng)保護跳閘而斷路器未分，且有流，即可起動失靈出口。

2）增加判據(jù)。對于發(fā)電機保護中，凡是起動斷路器失靈的保護，均應(yīng)增加相應(yīng)判據(jù)。比如定子接地，就要增加零序電壓起動發(fā)動機斷路器失靈判據(jù)，這樣才能保證不拒動。華能玉環(huán)電廠采用 GE公司的 UR系列數(shù)字式保護繼電器，其發(fā)電機斷路器失靈保護就增加了電壓保護動作判據(jù)，與電流判據(jù)組成或門出口[8]。但是，僅增加了電壓判據(jù)是不夠的，還需考慮轉(zhuǎn)子側(cè)的故障、勵磁變故障等判據(jù)，如何選擇判據(jù)全面反映發(fā)電機的各種故障，這個問題有待進一步研究。

6 結(jié)論

對于發(fā)電機出口這樣的小電流接地系統(tǒng)，斷路器失靈保護的電流判據(jù)與大電流接地系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，不能簡單套用。發(fā)電機出口斷路器失靈保護如果僅設(shè)置電流判據(jù)是不完善的，大多數(shù)發(fā)電機故障時斷路器拒動將不會起動失靈保護。建議研究按照無流原則整定定值及增加電壓等判據(jù)起動發(fā)電機斷路器失靈保護，以確保保護不拒動。

[1] 國家電力公司發(fā)輸電運營部.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求[Z].北京:中國電力出版社,2001.

[2] 國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T 14286—2006繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2006.

[3] 國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會. DL/T 684—1999大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則[S].北京:中國電力出版社, 1999.

[4] 梁玉枝,張潔,王非,等.發(fā)變組非全相及失靈保護電流元件整定計算探討[J].華北電力技術(shù), 2007(2): 1-2.

[5] 兀鵬越,陳飛文,黃旭鵬,等. 1036MW機組注入式定子接地保護調(diào)試及動作分析[J].電力自動化設(shè)備, 2011,31(3): 88-89.

[6] 南京南瑞繼保電氣有限公司. RCS-985系列發(fā)電機變壓器成套保護裝置技術(shù)說明書[Z], 2001.

[7] 周玉蘭，李文毅. 1987年至1991年全國電網(wǎng)繼電保護及安全自動裝置運行情況(二)[J].電網(wǎng)技術(shù),1993(6): 65-66

[8] 謝勇,翟大海,李傳波. GE發(fā)變組保護在華能玉環(huán)電廠的應(yīng)用[J].電力建設(shè), 2010, 31(4): 69-71.