內燃機組電廠外部故障引發系統崩潰原因探討

尤家安

（中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，北京 100028）

內燃機組電廠外部故障引發系統崩潰原因探討

尤家安

（中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，北京 100028）

本文針對自備電廠的5臺10MW燃油發電機組輸出系統崩潰、供電全部中斷事故，依據故障發生時的系統參數，短路電流計算結果和信號顯示狀態以及繼電保護給定值，分別從系統的運行方式、繼電保護動作情況，以及內燃機組PLC控制系統故障信息等幾個方面，對事故發生的全過程進行了全面詳細分析，確定了造成系統崩潰的最終原因和改進措施，為從事該項工作的工程技術人員提供參考。

系統；崩潰；保護；母線；短路電流；低頻；緊急停機

筆者工作的巴基斯坦·山達克銅金項目遠離城市，使用的是自備發、供電系統，其機組是由瑞士蘇爾壽公司生產的16ZAV40S內燃機和德國西門子股份公司生產的發電設備及控制保護裝置配套而成。系統有5臺容量為12250kVA發電機，其型號為IDK5727-3 DE 06-Z，發電機輸出電壓為6.3kV，一次系統的相關回路如圖1所示。系統主接線為單母線分段，負荷通過12條高壓交聯電纜分配給各生產單位，其中2條分配給水源地的電源線路（以下簡稱水源線），經升壓站將6.3kV升壓至33kV送到水源地。3臺容量為3028kVA的同步電動機，其型號為TS-139857分別接在選礦廠6.3kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線上，另外還有生活區及周邊7個部落村莊用電，形成小區域的發供電系統，特點是負荷以大中型電機為主，負荷變化對系統穩定性影響較大，因為供電范圍比較小，所以各條線路末端短路時電流非常大。

1　故障概況

2012年3月20日，1#、3#、4#機組并列運行，母聯開關在合閘位置，1#、2#廠用變壓器在工作狀態，12條配出線路開關均在合閘位置。01∶05機組突然聲音異常，主控室照明燈明暗變化，而后廠用電消失，事故照明燈自動點亮，主控室的控制保護屏顯示多種信號，各輔機設備及三臺內燃機組也停止運轉，整個系統崩潰。經過仔細檢查，故障點發生在水源線升壓站2#B變壓器6.3kV套管之間，有一只野貓被電擊燒焦死亡，三相套管螺絲可見弧光燒熔痕跡，從而確定了在2#B變壓器6.3kV套管之間發生了嚴重的三相短路，這就是造成系統崩潰的直接原因。此類故障曾經在用戶端配電變壓器上也發生過多起，其中電廠外部的一次非正常短路故障，引發了三臺發電機跳閘停車，導致系統崩潰供電全部中斷的重大事故，給生產造成了很大的經濟損失。

圖1　5×10MW電廠一次系統圖

1.1故障發生后主控室各保護動作、信號顯示及高壓室開關跳閘情況

1）三臺發電機出口開關已經跳閘，但沒有發出對應的跳閘信號，各發電機顯示屏均顯示低頻信號、過流信號，只有低電壓保護裝置有動作跳閘信號。

2）開關L20、L10、L01同時跳閘，其中開關L20過流保護、接地保護、速斷保護均有起動信號，但沒有保護跳閘信號。

3）開關L14、L15有過流信號，但沒有保護跳閘信號。

4）其他回路沒有信號顯示，開關均在合閘位置。

5）升壓站2#B變壓器差動保護動作，信號掉牌，開關（1024）、（2021）跳閘。

1.2保護裝置

1）發電機保護配置

7UD7150-3AA0/BB（差動保護）、7SJ5005-4DA00/EE（過流、速斷、接地保護）、7SK8843（中性點零序保護）、7SN3500-1AA01/BB（失磁保護）、7UR2110-0AA01/CB（轉子接地保護）、BU1-AC（過壓/欠壓保護）、FW4-2（低頻/過頻信號）、低頻自動減載繼電器。

2）饋出線路保護配置7SJ5005-4DA00/EE（過流、速斷、接地保護）。3）上述保護裝置信號顯示特點，分為保護起動信號和跳閘信號兩種。

4）升壓站2#B變壓器保護配置

電磁式差動保護、速斷保護、過流保護。

2　故障分析

2.1短路電流計算

1）設備參數計算

根據參考文獻［1］，各元件電抗值計算結果見表1。

由表1電抗值計算結果，得出故障發生時系統的等值電路如圖2所示。

表1　電抗值計算結果

圖2　故障發生時的系統等值電路

2）故障點短路電流、各發電機和同步電動機向短路點提供的電流計算

簡化計算，故一般規程計算中忽略負荷影響是完全可以的［2］。運行方式為：6.3kV Ⅰ段母線1臺發電機和1臺同步電動機并聯運行經串聯電抗器與6.3kV Ⅱ段母線2臺發電機和2臺同步電動機并網運行，分段開關在合閘位置。

取Ve=VB，則電壓標幺值：故障點及各支路短路電流計算結果見表2。

表2　短路電流計算結果

2.2對各開關保護動作及狀態分析

1）升壓站2#B變壓器開關（1024）、（2021）

故障點在2#B變壓器6.3kV套管上，處在差動保護范圍之內如圖1所示，保護應該動作。已知保護定值Idzj=6.4A，nτ=400/5，將定值折算到一次側（高壓側）差動保護的動作電流［3］為

因為通過開關（1024）的短路電流IK=26.46kA＞＞512A

所以2#B變壓器差動保護動作，0s內將兩側開關（1024）、（2021）跳閘是正確的。

2）電廠側水源線和選礦線開關（L20、L10、L01）

根據表3定值，（同上計算）速斷動作電流為

因為通過開關（L20）的短路電流IK=26.46kA＞＞6.12kA

所以開關（L20）的速斷和過流保護同時滿足起動條件并發出起動信號，但并不是本保護所跳閘。原因有一，2#B變壓器差動保護動作0s切除故障在先。原因有二，開關（L20）速斷和過流保護分別要經過0.85s和0.5s的時限才能跳閘見表3。所以開關（L20）本不應該跳閘，但事實上確已跳閘，究其跳閘原因是電力系統中短路時，由于系統中功率分布突然變化，發電機的輸出功率也就突然變化，而發電機的輸入功率不能立即相應變化，因而造成輸入與輸出功率失去了平衡［2］，當大電流短路沖擊時，所產生的短路功率很大，由于內燃機調速器響應時間的滯后性，而導致原動機的功率不能及時增加，造成功率缺額，從而引起系統頻率瞬間下降到設定值48Hz以下見表3，低頻減載裝置動作0s內同時跳閘于開關（L20）、（L10）、（L01）屬于正常減載，所以開關（L20）不是故障電流直接引起的保護跳閘，而是因為頻率下降所致。另外，開關（L20）保護還發出了接地信號，這是因為野貓觸電時，三相短路伴隨有接地短路。

3）發電機出口開關（L03、L16、L19）

（1）由以上計算得知，發電機通過開關（L03、L16、L19）向故障點提供的短路電流分別是：I2=I3=8.91kA和I1=6.1kA，均＞Idz=Idzj×nτ=6× 1250/5=1.5kA定值見表1，雖然同時滿足保護起動條件并發出信號，但并不是本保護所跳閘。原因是當系統頻率降低時，勵磁機、發電機等轉速相應降低，由于發電機的電勢下降，使系統電壓水平下降［4］，當系統電壓降至U=6.3/0.11×Idzj=57.27×80V= 4.6kV以下定值見表3，發電機低電壓保護起動，在延時1.5s后超前于發電機過流保護時限1.7s提前動作并發出跳閘信號，所以過流保護只有起動信號而來不及跳閘。

（2）根據故障時電壓有下降這一現象來分析，低電壓保護動作可跳閘于發電機開關（L03、L16、L19），但由于保護有1.5s的延時大于開關（L20）、（1024）、（2021）的保護時限，開關（1024）、（2021）差動保護跳閘在先切除了故障，因此發電機開關（L03、L16、L19）的跳閘，不是因為系統電壓下降造成的，而是系統電壓長時間不能恢復所致。

（3）發電機開關（L03、L16、L19）均同時發出低頻保護信號。根據火電廠運行情況，當頻率下降到47～48Hz時，火電廠的廠用設備的出力將顯著降低，鍋爐出力減少，導致發電廠發出功率進一步減少，致使功率缺額更為嚴重。于是系統頻率進一步下降，這樣嚴重反饋將使發電廠運行受到破壞，從而造成頻率崩潰［4］，內燃機組電廠也是如此，發電機發出低頻保護信號，是由于短路故障使系統頻率降至48Hz以下所致。

4）電廠側選礦開關（L14、L15）

由以上計算得知，同步電動機通過開關（L14、L15）向故障點提供的電流是：I5=I6=1.95kA＞Idz= Idzj×500/5=17.75×100=1.78kA定值見表1，所以開關（L14、L15）的過流保護定值均滿足起動條件并發出起動信號，屬于正常。

表3　電廠相關開關的部分繼電保護定值表

5）無功功率對系統的影響及補償作用。從運行情況看基本滿足運行所需無功，當發生短路故障時對系統的無功補償及電壓提升表現的不盡人意，原因有：①在部分單位配置的高壓補償電容器，因為氣溫太高問題頻出，在電廠投運不久就停用失去了補償作用；②系統無功補償主要由3臺球磨機的同步電動機提供，同步電動機的運行負載率在89%以上，無功補償能力受到限制，只能對選礦廠內部同一母線上的電動機進行補償，而通過電纜線路進入電廠母線向系統的補償量十分有限，缺額部分只能由發電機提供，另外同步電動機的勵磁控制是自動投入且勵磁電流也作了限制，是防止系統較大負荷突減少時電壓升高而設；③在短路故障發生時發電機的強行勵磁并沒有動作就被內燃機聯跳了勵磁開關，發電機失磁后系統電壓迅速消失。因此系統電壓單靠同步電動機的無功補償是無法恢復的。

6）事發過后，對相關的開關及繼電保護按給定值做了復檢試驗，沒有發現異常。說明保護裝置處于正常狀態。對二次回路檢查中發現，內燃機保護緊急停機可以跳閘于發電機勵磁開關，但不能同時聯跳發電機出口開關，這一缺陷已經存在多年，發電機失去勵磁的同時又從系統吸收大量無功，加速了電壓降低，也是造成電壓崩潰的原因之一。

2.3 內燃機跳機保護

內燃機有10大保護作用于緊急停機，其中低轉速保護反應是最快的，當轉速＜95%額定轉速時保護動作緊急停機。因此當電氣系統發生嚴重短路時，系統頻率及內燃機轉速會隨之下降，當內燃機轉速＜475r/min時緊急停機，緊急停機的同時聯跳發電機勵磁開關，發電機失磁后系統電壓迅速消失，廠用電會中斷，輔機設備無法維持運轉，系統徹底崩潰，從表4記錄顯示看，說明輔機設備是因為廠用電消失，而不能維持正常運行參數而發出的保護動作信號見表5，如：當潤滑油壓力＜3.0bar、缸套冷卻水壓力＜1.5bar時會緊急停機并發出信號等。這里需要強調的是內燃機低轉速保護信號，實際沒有進入到PLC記錄顯示。

表4　機控室PLC記錄顯示情況

表5　內燃機部分保護定值表

當電廠外部發生嚴重短路時，由于系統頻率下降，內燃機低轉速保護反應更靈敏，所以內燃機保護動作緊急停機在先，機組間失去同步，導致機組解列系統崩潰。由于此類故障屬于小概率事件，雖然繼電保護工作年年搞，但是內燃機跟發電機保護之間的配合問題被忽視，從這次事故反映出長期以來技術管理方面只重視電氣系統繼電保護工作，而忽視了內燃機和發電機保護之間的聯調聯試工作，導致潛在的問題一觸即發。

3　結論

經過上述分析和反復試驗，發現5臺內燃機的調速系統均存在著固有響應速度慢，惰性大的問題，特別是在低負荷的工況下更為明顯，在故障電流的作用下，不能及時快速提高內燃機的噴油量及發電機輸出功率，致使功率嚴重缺額，導致機組轉速瞬間下降且恢復慢，機組間失去同步，從而造成機組頻率崩潰，由此得出事故的直接原因是野貓引起的短路，而內燃機的95%低轉速保護動作跳機在先，才是造成本系統崩潰的主要原因，因此可以排除因電氣保護動作造成全停的可能。

改進措施：①為了提高系統整體運行可靠性，對電氣系統繼電保護與內燃機緊急停機保護，重新做了系統性整體配合，根據內燃機廠家技術規范，在保證內燃機運行安全的同時，將低轉速保護原整定值從475r/min降低為470r/min，并增設了低轉速保護延時2s動作，與發電機保護過電流動作時間1.7s相配合，避免了內燃機跳閘在先，從而減少內燃機的停機率；②完善發電機保護，按設計規范要求，當內燃機故障時跳閘于發電機勵磁開關的同時，必須聯動跳閘發電機出口開關；③低頻減載量不足，增加減載負荷數量，將碎礦線路約（1500～2000kW）負荷納入其中，確保廠用電穩定及廠內機組運轉。

經過以上改進，機組運行穩定，三年來沒有發生因電廠外部短路而引發的系統崩潰、全停事故，在2014年4月間，成功躲過一次短路故障。在采坑爆破作業時，飛石將電鏟6kV拖動電纜砸斷造成短路，采礦西環線開關速斷及接地保護跳閘，同時電廠低頻減載裝置動作切除了4條線路（L20）、（L10）、（L01）和L05（碎礦線新增）。故障點距電廠約2km，雖然短路電流小于IK=26.46kA，但是從低頻減載裝置動作情況看，改進措施是有效的。

［1］ 何仰贊， 溫增銀， 汪馥英， 等. 電力系統分析（上）［M］. 武漢： 華中工學院出版社， 1985.

［2］ 李德鉅. 實用短路電流計算［M］. 天津： 天津科學技術出版社， 1995.

［3］ 賀家李， 宋從矩. 電力系統繼電保護原理［M］. 2版.北京： 水利電力出版社， 1985.

［4］ 楊冠城. 電力系統自動裝置原理［M］. 北京： 水利電力出版社， 1986.

Exploration for the System Breakdown Caused by Outside Trouble of Power Plant's Internal-Combustion Generating Set

You Jiaan
（Pakistan Saindak Copper Gold Project MCC Tongsin Resources Co.， Ltd， Beijing 100028）

This article is about power thoroughly off accident happened in the self-owned Power Plant， causing by the 5 sets 10MW internal-combustion engines output system breakdown. According to the system parameters taken during the accident， short circuit current calculate result and signal display situation and relay protection setting value， analyzed the whole procedure of the accident separately from system operation， relay protection action situation， as well as internal-combustion engine's PLC control system trouble information etc， and determined the final reasons which caused the accident and worked out the improvement methods， and offered some reference for the engineers engaged in this industry.

system； breakdown； protection； busbar； short circuit current； low frequency； emergency stop

尤家安（1959-），男，黑龍江寶清縣人，工程師，現在中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，主要從事發電廠、變電站及設備維護管理工作。