一起外線路故障引起發電機跳閘事件原因分析

摘 要：以一起某電廠110 kV外線路接地故障引起的全廠發電機跳閘事件為例，分別從保護裝置動作記錄、波形回放、理論分析等方面深入分析該次跳閘事件的原因以及暴露出來的問題，并根據某電廠系統運行實際情況制定相應的防范措施，為分析、防范此類跳閘事件提供參考。

關鍵詞：線路故障；波形回放；過激磁；差動保護；發電機跳閘；孤島運行；防范措施

中圖分類號：TM412 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0143-06

Abstract： Taking a plant generator tripping event caused by a ground fault on an external 110 kV line in a power plant as an example， the causes of this tripping event and the exposed problems are analyzed in depth from aspects such as protection device action recording， waveform playback， and theoretical analysis. Correspondent waterlogging preventive measures are formulated based on the actual operation conditions of a power plant system to provide reference for analyzing and preventing such tripping events.

Keywords： line fault; waveform playback; over-excitation; differential protection; generator tripping; island operation; preventive measure

發電機作為電廠的主要發電設備，其安全運行對保證電力系統的正常工作和電能質量起著決定性的作用。由于發電機本身的結構、運行特性，可能發生定子繞組相間短路、定子一相繞組內的匝間短路、定子繞組單相接地、轉子繞組一點接地或兩點接地、轉子勵磁回路勵磁電流消失等故障，影響發電機本身的安全，甚至危及整個電力系統。《繼電保護和安全自動裝置技術規程》對發電機保護提出了配置要求：電壓在3 kV及以上，容量在600 MW及以下的發電機，對定子繞組相間短路、定子匝間短路、定子繞組接地、發電機外部相間短路、定子鐵芯過勵磁和頻率異常等故障及異常運行狀態，裝設相應的保護。且需根據并網機組類型、容量的不同以及接線方式的差異，設計符合現場實際且性能完善的繼電保護配置方案，以期在安全允許的時間內，有選擇性地停機或故障報警，減少事故范圍，保護發電機、電力系統安全。

除發電機本身故障外，電網的故障沖擊也會對發電機安全穩定運行產生一定影響，特別是對于沒有孤島運行能力的機組，產生的影響更大。王少華等[1]研究了某水電站單回送出線路發生單相瞬時故障后線路短時非全相運行對發電機、變壓器繼電保護功能的影響，并針對受影響的繼電保護功能定值整定提出了相應的技術防范措施。趙樹衛[2]對龍煤鶴崗熱電廠直配線路系統沖擊進行了分析，分析了線路故障，電網一般性擾動等常見的電網故障或者運行方式異常對發電機組所產生的影響，并且提出具體應對措施。劉萬平等[3]從一起發電機運行中與勵磁系統有關的電氣異常事件入手，利用發電機故障錄波圖對此異常事件進行了深入分析，揭示了該機組勵磁調節器在TV斷線判據設置上存在的隱患，并提出了相應的對策和措施。那廣宇等[4]針對某220 kV線路故障導致關聯發電機組跳閘，并造成同一母線的其他發電機組汽輪機振動突增但保持在網運行的情況，詳細介紹跳閘事故經過，從多角度分析原因并提出解決方案，為電網運行中規避類似事故起到借鑒作用，同時也提示發電企業提前排查隱患采取應對措施。

本文以某電廠110 kV線路發生接地故障，相繼引起全廠4臺發電機全停，導致事故范圍擴大的事件為例，深入分析了造成事故擴大的原因，充分闡述了此類電網故障沖擊對不具備孤島運行能力的發電機的影響，揭露了某電廠在應對電網擾動下的安全隱患并提出了相應的防范措施。

1 全廠保護動作及過程分析

1.1 接線及運行方式介紹

某電廠建有4臺發電機，每臺發電機容量為35 MW，每臺機組采用單元接線方式接入110 kV母線，110 kV母線采用單母線分段接線方式，電廠通過110 kV甲、乙2條出線與電網連接。正常運行方式下，1號、3號發電機掛110 kV I母線，外接甲線運行；2號、4號發電機掛110 kV II母線，外接乙線運行；110 kV母聯處于斷開狀態，母線分列運行。每臺發電機出口未設置高廠變，設一段10 kV廠用母線，下接10 kV焚燒段、汽機段、爐前公用段等廠用負荷，并設有廠用電快切裝置，4臺機組廠用負荷存在交叉供電的情況。全廠設有一套給水空冷系統，由4臺給水空冷變組成，4臺機組共用。

事件發生前，1號、3號發電機掛110 kV I母線，外接甲線運行；2號、4號發電機掛110 kV II母線，外接乙線運行，母聯斷開。10 kV廠用電由4臺機組交叉供電，其中，1號給水空冷變、3號給水空冷變由2號發電機供電，2號給水空冷變、4號給水空冷變由3號發電機供電，全廠設備正常，無故障。

1.2 保護配置情況

110 kV甲線、乙線采用PCS-943N高壓輸電線路成套保護裝置，按要求配置了縱聯差動、相間距離、接地距離、零序過流保護和重合閘等保護。

4臺發電機保護配置一致，采用PCS-985發電機保護裝置，配置了差動、復合電壓過流保護、（基波）定子繞組接地保護、轉子接地保護、定子過負荷保護、負序過負荷保護、失磁保護、定子過電壓保護、逆功率保護和頻率異常保護。其中，頻率異常保護動作于報警。

4臺給水空冷變采用PCS-9622D變壓器保護裝置，配置了差動、高壓側過流、過負荷、高壓側負序過負荷、高壓側零序過流和低壓側零序過流等保護。

1.3 保護動作行為分析

1.3.1 動作過程

電廠保護裝置接入了對時系統，全廠設備時間保持同步。根據電廠保護裝置、DCS后臺報文梳理了此次事件的發展態勢。

2022年5月6日15點45分，110 kV甲線接地距離Ⅱ段保護動作，線路開關跳閘；2號、4號給水空冷變比率差動保護動作，開關跳閘；1號、3號發電機勵磁調節器低頻切除動作，跳開發電機出口斷路器；2號、4號發電機逆功率保護動作，跳開發電機出口斷路器。

1.3.2 保護動作分析

通過現場排查、波形分析以及波形回放等方式進行事故分析。

1）110 kV甲線保護動作分析。首先，對110 kV甲線保護故障錄波進行了分析，波形如圖1、圖2所示。根據波形可見：110 kV I段母線B相電壓驟降至0 V左右，同時110 kV I、II段母線零序電壓由0 V左右開始增加，I段母線零序電壓大于II段母線零序電壓。

經現場排查發現，在110 kV甲線發生故障期間，甲線電纜溝上方有工程人員施工，進行了地面挖掘，誤碰了B相電纜，導致甲線接地，線路保護正確動作。

2）1號、3號發電機保護動作分析。經現場排查，1號、3號發電機均未發現明顯故障。對1號、3號發電機保護故障錄波進行分析，波形如圖3、圖4所示。根據波形可見：在線路發生單相接地瞬間，1號、3號發電機A、B兩相電壓異常波動明顯、電壓下降且中性點A、B兩相電流明顯增加。由于1號、3號機與故障線路直連，線路B相接地后電壓降至0，故障經主變壓器后，反應為發電機A、B兩相電壓下降，波形現象與現實故障一致。

甲線保護動作跳開甲線開關后，1號、3號發電機勵磁裝置低頻切除動作，跳滅磁開關，進而聯跳發電機出口斷路器。在發電機跳閘前，發電機電壓、電流變化較大，變化無規律，波形如圖5、圖6所示。

甲線保護動作后，1號、3號發電機進入孤島運行模式。由于電廠孤島短路容量小，控制系統不具備快速調節的能力，發電機無法在孤島狀態下安全穩定運行，因此電壓、電流呈現無規律變化。在勵磁調節器的調節作用下，首先，發電機機端電壓上升，觸發了勵磁裝置V/Hz限制；其次，發電機轉速開始下降，勵磁電流增大，當勵磁電流增加至過勵限值時，過勵限制動作，發電機電壓、頻率持續下降；當頻率低至切除值時，勵磁裝置低頻切除動作，跳滅磁開關，進而聯跳發電機出口斷路器，動作正確。

3）2號、4號發電機保護動作分析。2號、4號發電機與甲線無直接聯系，不屬于故障范圍，但在故障切除后，事故卻擴大至2號、4號發電機，造成全廠停電。本文將對造成事故擴大的原因進行深入分析。

經現場排查，2號、4號發電機均未發現明顯故障。

對2號、4號發電機保護故障錄波進行分析，波形如圖7、圖8所示。根據波形可見：在線路發生單相接地瞬間，2號、4號發電機三相電壓變化不明顯，中性點電流稍有增加，未觸發任何保護動作。

接著，甲線跳閘，1號、3號發電機進入孤島運行階段，由3號發電機供電的2號給水空冷變、4號給水空冷變差動保護跳閘。經現場檢查，空冷變內部無故障；查看保護裝置的差流和制動電流，經過計算，保護動作正確，裝置邏輯正確。

為查清空冷變差動保護動作的原因，對事件發生時，2號、4號給水空冷變保護裝置的波形進行了回放。根據波形回放發現，空冷變差流中各次諧波含量增加，其中三次諧波、五次諧波占比均超過20%，如圖9所示。

變壓器鐵芯一般使用冷軋硅鋼片，在過電壓工況下，變壓器勵磁電流將激增，波形嚴重畸變，且含較多的三次、五次諧波分量[5]。給水空冷變的差流諧波分析，與變壓器處于過激磁狀態下的諧波變化一致，給水空冷變處于過激磁狀態。

根據變壓器過激磁特性可知：當變壓器工作在額定磁密及以下時，勵磁電流很小，與磁密呈線性關系，相對變壓器額定電流可忽略不計[6]；但是，當變壓器鐵心的磁密度超過額定磁密后，勵磁電流隨磁密增加飛速增大[7]，如圖10所示。

根據電機學原理，變壓器負載運行時的磁勢平衡式為[8]

電流表示式為

變壓器負載運行時的負載關系如圖11所示。

初級電流等于負載電流與勵磁電流之和，正常運行時，勵磁電流較小，變壓器簡化等效電路中可以忽略不計，若是勵磁電流占比較大，則變壓器高低壓側會產生差流。

在1號、3號發電機孤島運行時，發電機及10 kV廠用系統電壓頻率、電壓大小均在波動，系統諧波含量增大，在發電機機端電壓上升階段，給水空冷變進入過激磁狀態。此時給水空冷變的勵磁電流大幅增加，其中五次諧波占比增加較大，而此電流不能流入給水空冷變低壓側，因此在差動回路中形成了較大的不平衡電流，由于給水空冷變保護裝置未設置五次諧波閉鎖差動保護功能，無法識別變壓器是否處于過激磁狀態，故造成比率差動動作，2號、4號給水空冷變跳閘。

2號、4號給水空冷變用于2號、4號發電機組，在給水空冷變差動保護動作跳閘后，400 V給水空冷段母線失壓，2號、4號發電機真空由-75.4 kPa迅速降低至-55 kPa，真空低保護動作，逆功率保護動作，跳開發電機出口斷路器，事故范圍擴大至2號、4號發電機，最終導致全廠停電。

2 暴露的問題

本次事件是由外線路接地故障引起的發電機跳閘事故，事故本身只涉及1號、3號發電機所在的系統，但卻擴大至2號、4號發電機組，導致全廠失電。暴露了電廠在設計、保護配置方面的問題，具體問題如下。

第一，廠用電設計不夠合理，不滿足廠用電源的對應供電性。本機、爐的廠用負荷按設計原則應由本機組供電，但該廠10 kV廠用電由4臺發電機交叉供電，1號、3號發電機組的給水空冷變由2號發電機供電，2號、4號發電機組的給水空冷變由3號發電機供電，這種不對應的供電設計，導致了1號、3號發電機發生故障后，故障往2號、4號機發展的后果，最終導致事故擴大。

第二，發電機保護對電力系統的穩定運行和電能質量起著舉足輕重的作用[9]。從本次事故可見，該廠發電機保護配置不合理。在甲線保護動作切除故障后，1號、3號發電機進入孤島運行，由于未設置快速動2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=作的電氣量保護，導致整個孤島系統的電壓、頻率長時間波動，2號、4號空冷變進入過激磁狀態，最終差動保護動作跳閘，導致事故擴大至2號、4號發電機。若在1號、3號發電機孤島運行后，能通過電氣量保護快速、直接將發電機切除，則10 kV 2號、4號空冷變能在較短的時間內通過快切裝置轉至由2號、4號發電機供電，可避免事故擴大。

3 總結與建議

本次事件的起因是甲線外部故障，導致B相接地。在切2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=除外部線路后，由于廠內系統孤島短路容量很小，1號、3號發電機無法維持孤島運行，且機組控制系統不具備快速調節的能力，因此發電機無法穩定運行，機端電壓、頻率大幅波動。在此期間，發電機沒有任何的電量保護動作于停機，最終通過勵磁裝置低頻切除動作，跳滅磁開關，聯跳發電機出口斷路器。

由于1號、3號發電機孤島運行時間較長，2號、4號給水空冷變進入過激磁狀態。由于勵磁電流只流過其電源側，因此形成不平衡電流，反應到差動回路，導致比率差動動作。2號、4號給水空冷變差動保護動作跳閘后，導致事故范圍擴大至2號、4號發電機，最終2號、4號發電機跳閘。

根據本次事件的分析，本文提出以下建議，以期為防范同類型事件提供參考。

1）從設計層面上避免此類事故的發生，在廠用電設計時，盡量滿足廠用電源的對應供電性，本爐、本機的廠用負荷，盡量由自身系統供電，不同機組廠用電可通過快切、備自投等方式互為備用。

2）發電機保護配置方面，建議對不具備孤島運行能力，且對外僅有單線路供電的發電機設置過激磁、頻率保護并動作于跳閘，防止此類事故的發生。

3）變壓器過壓工況下容易進入過激磁狀態，為防止差動保護誤動，建議可投入五次諧波閉鎖差動保護功能。

參考文獻：

[1] 王少華，劉灝.輸電線路短時非全相運行對水輪發電機的影響[J].水電站機電技術，2022，45（5）：34-36.

[2] 趙樹衛.淺析電網故障沖擊對發電機組的影響及應對措施[J].電子制作，2017（2）：64-65.

[3] 劉萬平，郭愛軍.線路短路沖擊引起發電機勵磁調節方式切換的故障分析[C]//第一屆水力發電技術國際會議，2006：838-841.

[4] 那廣宇，付宇，張天放，等.一起線路短路故障引起發電機組跳閘的事故分析及應對措施[J].東北電力技術，2022，43（11）：39-41，52.

[5] 王哲，郭曉，行武，等.變壓器過勵磁五次諧波特征及機制的研究[J].華電技術，2019，41（5）：22-27，33.

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[8] 程小華.變壓器和異步機激磁磁勢研究[J].防爆電機，2022，57（2）：1-4.

[9] 李朝暉，李勇.微機在發電機保護中的運用[J].電器工業，2010（5）：63-67.