發電機斷路器斷口閃絡保護動作分析

李振軍

(國家能源集團秦皇島發電有限責任公司，河北 秦皇島 066003)

0 引言

發電機斷路器斷口閃絡事故不僅會造成斷路器本身的損壞，還會因開關滅弧室絕緣水平降低而誘發接地故障，引起事故擴大甚至破壞系統的穩定運行；斷口閃絡時還會在發電機上出現負序電流，產生有危害的沖擊轉矩，在轉子上生成附加損耗，嚴重威脅發電機的安全。因而在大型機組上裝設斷口閃絡保護是一種必要的安全措施。

1 系統及設備概況

某廠電氣系統接線方式為220 kV 系統雙母線帶旁路，正常運行中兩條母線并聯運行，母聯開關合入。兩臺發電機組分別接入兩條220 kV 母線，兩條220 kV 線路也分別接入兩條220 kV 母線，兩臺發電機組配有一臺啟動變，即1 號機組、1 號線路接入五母線，2 號機組、2 號線路、1 號啟動變接入四母線。

220 kV 系統設有兩套母線差動及失靈保護，分別為南京南瑞的PCS-915 和長圓深瑞的BP-2C型母差保護母線保護裝置，均具有斷路器失靈保護出口功能。線路設有兩套縱聯差動保護，分別為南京南瑞的RCS-931AM 和北京四方的CSC-103B型保護，還有一套斷路器失靈保護為南京南瑞的RCS-923C 型保護。發變組電量保護采用雙重化配置，保護A、B 兩柜相互獨立，A、B 柜采用南瑞公司的PCS-985B 發電機變壓器成套保護裝置；保護C 柜為非電量保護，采用南瑞公司的PCS-974A-G 非電量保護裝置。2 號機組發變組出口主開關為西開電氣的LW15B-252/Y 型開關。

2 事件經過

2022-06-18 ，2 號機組熱備后按電網調度命令正常啟動，09:29 汽輪機定速3 000 r/min，09:50發電機升壓至額定電壓15.7 kV 等待并網。09:56 2 號發變組斷路器閃絡保護首先動作，出口啟動220 kV 母線失靈保護，兩套母線失靈保護均正確動作，切除220 kV 母聯開關及220 kV 四母線所帶1 號啟動變開關、2 號線路開關，2 號線路保護發遠跳，2 號發電機滅磁，2 號機組廠用電系統失電，經檢查確認各保護動作正確，現場檢查220 kV 母聯開關及刀閘，1 號啟動變、2 號線路等開關及刀閘正常。

進一步檢查發現2 號發電機出口四母線側刀閘A 相靠開關側引線至2 號發電機出口主開關接線端側有明顯放電痕跡，放電處瓷瓶有破損情況，其他設備均正常。立即拉開2 號發電機出口四母線側刀閘，將故障點隔離。按電網調度命令，14:10 合入2 號線路開關，向220 kV 四母線送電，母線充電正常。14:13 合入220 kV 母聯開關，恢復雙母線運行方式。15:10 合入1 號啟動變主開關，2 號機組廠用電系統恢復供電。

3 保護原理及動作邏輯

3.1 斷口閃絡保護的動作意義

大型發電機—變壓器組在進行同步并列的過程中或發電機剛剛解列時，隨著發電機與電力系統等效電勢之間的角度φ不斷變化，作用在發變組主斷路器斷口上的電壓也不斷變化。當φ=180°時，其值最大，有2 倍的運行電壓作用于斷口；當斷路器斷口兩側電勢大于斷口介質擊穿電壓時，可能會造成斷口閃絡事故。由于發電機—變壓器組采用的是單元接線，發電機出口無開關，發電機在斷口閃絡時仍將對故障點提供能量，這在一定程度上加劇了故障程度，因此閃絡保護動作后發電機應當立即滅磁降低斷口電壓。啟動失靈保護，切除機組所在母線上的各電源支路或跳掉相對應的線路，阻斷故障點能量來源，降低故障對設備及系統的影響。

3.2 標準的規定

DL/T 684—2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》的4.8.7 規定如下：發—變組接入220 kV 及以上系統時，應配置高壓側斷路器斷口閃絡保護。斷口閃絡保護的動作條件是斷路器處于斷開位置但有負序電流出現。

負序電流I2.OP的整定應躲過正常運行時高壓側最大不平衡電流，一般可取：

式(1)中：ITN為變壓器高壓側額定電流。

斷路器斷口閃絡保護延時需躲過斷路器合閘三相不一致時間，一般整定為0.1 ～0.2 s。當機端有斷路器時，動作于機端斷路器跳閘；當機端沒有斷路器時，動作于滅磁同時啟動斷路器失靈保護。

本機組的閃絡保護定值：斷路器閃絡負序電流定值為0.26 A；發電機滅磁與啟動失靈為同一時限，定值為0.1 s。

3.3 斷路器斷口閃絡保護原理

發電機在進行并列過程中，當斷路器兩側電壓方向為180°時，斷口易發生閃絡。斷路器斷口閃絡只考慮一相或兩相，不考慮三相閃絡。斷路器閃絡保護取主變高壓側開關CT 電流。判據如下：

1) 斷路器三相位置接點均為斷開狀態。

2) 負序電流大于整定值。

3) 發電機已加勵磁，機端電壓大于一固定值。

相電流判據和零序電流判據可進行投退，斷路器閃絡保護一般第一時限保護動作于滅磁，第二時限動作于啟動斷路器失靈。斷路器閃絡保護邏輯如圖1 所示。

圖1 斷路器閃絡保護邏輯

4 保護動作行為分析

4.1 相關保護動作行為

4.1.1 發變組保護動作行為

09:56:02.021，發變組A 套PCS-985B 保護啟動。

09:56:02.121，發變組保護A 套PCS-985B斷路器閃絡保護Ⅰ時限動作，出口起動失靈，跳滅磁開關。

09:56:02.022，2 號 發 變 組B 套PCS-985B保護啟動。

09:56:02.122，2 號 發 變 組 保 護B 套PCS-985B 斷路器閃絡保護Ⅰ時限動作，出口起動失靈，跳滅磁開關。

4.1.2 220 kV 母線保護動作行為

09:56:02.015，母線保護A 套PCS-915SA保護啟動。

09:56:02.137，母線保護A 套PCS-915SA失靈保護啟動。

09:56:02.387，母線保護A 套PCS-915SA失靈保護跳母聯開關。

09:56:02.637，母線保護A 套PCS-915SA Ⅰ母失靈保護動作，出口跳220 kV 四母所帶2 號發電機出口開關、1 號啟動變開關開關、2 號線路開關。

09:56:02.014，母線保護B 套BP-2C 失靈保護啟動。

09:56:02.384，母線保護B 套BP-2C 失靈保護跳母聯2245 開關。

09:56:02.634，母線保護B 套BP-2C Ⅰ母失靈保護動作，出口跳220 kV 四母所帶2 號發電機出口開關、1 號啟動變開關、2 號線路開關。

4.1.3 線路保護動作行為

09:56:02.014，2 號 線 路RCS-931AM 線 路保護啟動。

09:56:02.652，2 號 線 路RCS-931AM 線 路保護發遠跳。

09:56:02.693，2 號線路開關三相跳閘。

09:56:02.019，2 號線路CSC-103B 線路保護啟動。

09:56:02.652，2 號線路CSC-103B 線路保護發遠跳。

09:56:02.693，2 號線路開關三相跳閘。

4.2 保護動作行為分析

經查閱發電機故障錄波器，閃絡保護動作時主變高壓側電流錄波圖二次負序電流最大值為5.86 A，而定值為0.26 A，實際負序電流遠大于負序電流整定值，閃絡保護正確動作。兩套發變組保護斷路器閃絡保護全部啟動，出口起動失靈，跳滅磁開關。符合閃絡保護的動作邏輯，保護動作正確。隨后，發變組保護啟動了兩套母線差動及失靈保護，母線差動及失靈保護動作切除了母聯開關和故障母線上的所有元件，保護動作符合邏輯。

線路保護啟遠跳的問題需要說明。線路保護的啟遠跳，實際上就是線路的失靈保護，啟動后通過線路保護光纖通道將線路對側的電源開關跳閘，使線路失電。本次事故的故障點，在2 號發變組主開關與出口刀閘引線處，因當時出口刀閘在合入狀態，所以故障點也就相當于在母線上。對于線路縱聯差動保護來說，屬于區外故障，而啟遠跳應該在區外故障不能可靠消除時才能啟動。在母線差動及失靈保護啟動后，準確地切除了線路開關，而線路保護也啟動了遠跳，遠跳是否應該啟動需要探討。從各保護的動作行為上看，634 ms 母線保護B 套失靈保護動作出口去跳線路開關，至693 ms 線路開關跳閘，而兩套線路保護的啟遠跳時間都是在652 ms。由上述各保護的啟動及動作時間節點看，線路保護啟遠跳是在母線失靈保護動作而線路開關未跳閘之間啟動的，所以線路保護啟遠跳是合理的。

5 原因分析

由事故現場勘查情況和保護動作情況看，事故原因應為機組并列過程中發生了A 相閃絡故障，對故障原因做如下分析。

1) 瓷套絕緣發生沿面閃絡主要由兩個因素決定：一是環境污染造成絕緣子表面積污，二是具備使絕緣子受潮的氣象條件。6 月18 日當天，天氣預報氣溫度為18～26 ℃，濕度85 %，且在之前一段時間內，長時間持續了低溫高濕的大氣溫度及濕度。本次發生事故的現場是一個密閉空間的開關站，在開關站內雖有兩臺10 匹工業空調運行，但因空調除濕效果有限，室內濕度仍在70 %以上，而且室內空間相對巨大，空調也不足以促使室內空氣循環流通，無法有效降低室內濕度，特別是在3 m 高度以上的空間，是空調力所不能及的，除濕作用更加有限，并網時開關已經有結露現象。因環境因素影響，致使開關瓷套外絕緣水平降低。

2) 事故發生時，2 號發電機已經升壓至額定電壓，處于待并網期間，此時主開關斷口兩側承受電網側系統電壓與發電機側額定電壓，主開關兩側電壓隨待并發電機與系統之間電動勢的角度差改變而不斷變化，當兩側電壓相位相差180°時達最大值，最大值為2 倍額定電壓，這是事故的一個誘因。

3) 經實際測算，發變組主開關本體放電點與220 kV 四母線引線上的放電點的距離大約為1.94 m，經查閱DL/T 5352—2018《高壓配電裝置設計規范》5.1.4，屋內配電裝置的安全凈距不應小于2 m，所以兩放電點之間的距離小于規定值。同時由于220 kV 開關站內濕度大，空氣絕緣強度降低，放電電壓下降，最終導致出口刀閘側引線與主開關A相本體接線端外放電，相關保護動作跳閘，造成開關瓷套有小部分破損。

所以，本次事故的主要原因是，開關站內空氣濕度過大，使空氣絕緣強度降低，又因最小安全凈距偏小，在發電機側與系統側兩側電壓達到最大值時，造成主開關與出口刀閘引線間空氣擊穿，閃絡保護動作。

6 預控措施

1) 220 kV 開關站內應增加配備除濕設備。現使用的空調設備已不能滿足現場的除濕需要，根據室內面積應配備合理數量的專業除濕設備，且增加具備室內內循環功能的設備，使室內空氣流通起來，才能更好地利用除濕設備有效降低室內濕度。

2) 加強設備防污閃管理、控制工作，根據機組檢修、線路停電時間制定合理詳細的檢修計劃，及時進行清掃除污工作。

3) 加強設備的絕緣管理，絕緣降低時應及時利用設備停運機會通過噴涂PRTV 防污閃涂料等手段提高設備絕緣能力。

4) 對220 kV 系統各開關與出口刀閘之間引線的最小安全凈距進行測量，偏小的應進行調整。

7 結束語

因設備外絕緣故障引起閃絡保護動作，需要從保護動作的過程進行保護動作的原因分析，找出故障的誘發因素，才能采取有效的處理和防范措施，避免同類故障的重復發生，保證機組安全穩定運行。