發(fā)電廠高壓電廠用電系統(tǒng)接地故障導(dǎo)致機(jī)組全停事故分析

張兵海,常永亮,王獻(xiàn)志,趙宇皓

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

發(fā)電廠高壓電廠用電系統(tǒng)接地故障導(dǎo)致機(jī)組全停事故分析

張兵海,常永亮,王獻(xiàn)志,趙宇皓

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

介紹了近期發(fā)生的幾起火力發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)接地故障,對(duì)其相對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)拒動(dòng)原因進(jìn)行了分析,探討繼電保護(hù)配置及整定、防止機(jī)組全停措施,提出需要改進(jìn)繼電保護(hù)配置、整定、試驗(yàn)原則以預(yù)防發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)接地故障導(dǎo)致全停事故的建議。

發(fā)電廠;廠用電系統(tǒng);接地故障;繼電保護(hù)

1 概述

隨著發(fā)電機(jī)組容量的增大,其廠用輔機(jī)供電系統(tǒng)容量也在增大,為了抑制因電容電流過大導(dǎo)致的接地故障時(shí)的暫態(tài)過電壓,降低其對(duì)設(shè)備絕緣的破壞,現(xiàn)在的發(fā)電廠高壓廠用系統(tǒng)均已不再采用不接地方式和消弧線圈接地方式,而是變壓器中性點(diǎn)經(jīng)過一固定數(shù)值的電阻接地[1]。當(dāng)高壓廠用系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),接地電流一般為200～600 A不等(與電壓等級(jí)和配置的接地電阻阻值相關(guān)聯(lián),電阻阻值的選擇與電容參數(shù)相關(guān)聯(lián)),配置相應(yīng)的繼電保護(hù)隔離故障設(shè)備,則機(jī)組能夠繼續(xù)運(yùn)行。

2 高壓廠用電系統(tǒng)接地故障分析及措施

2.1 案例1

2.1.1 故障概況

某廠600 MW機(jī)組高壓廠用電系統(tǒng)為10kV電壓等級(jí),10kV公用01A段為1號(hào)機(jī)組的10kV1B段供電、01B段為2號(hào)機(jī)組的10kV2A段供電,主接線見圖1。

圖1 某廠600MW機(jī)組高壓廠用10kV系統(tǒng)主接線

機(jī)組運(yùn)行過程中,從10kV2A 工作段到10kV01B公用段的電纜發(fā)生接地故障,因?yàn)?1B工作進(jìn)線開關(guān)沒有配置接地保護(hù),2A工作進(jìn)線開關(guān)也沒有配置接地保護(hù),由2號(hào)機(jī)組的2A高壓廠用電變壓器10kV側(cè)中性點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作跳開02A工作進(jìn)線開關(guān),快切合上備用進(jìn)線開關(guān),因?yàn)楣收宵c(diǎn)仍然存在,備用進(jìn)線開關(guān)再由保護(hù)動(dòng)作跳閘,2號(hào)機(jī)組失去一半廠用負(fù)荷后鍋爐燃燒沒有穩(wěn)住致使機(jī)組停機(jī)。01B失電后自動(dòng)合入聯(lián)絡(luò)開關(guān),即

切至由01A公用段供電到01B段,因?yàn)榻拥毓收先匀淮嬖?因?yàn)榻拥乇Ｗo(hù)沒有配置的原因,由1號(hào)機(jī)組的1A高壓廠用電變壓器接地保護(hù)動(dòng)作跳開1A的工作進(jìn)線開關(guān),快切合上備用進(jìn)線開關(guān)后又因?yàn)橥瑯釉蛱l使1號(hào)機(jī)組停機(jī)。

2.1.2 關(guān)鍵位置配置零序電流互感器的必要性

因?yàn)楦邏汗枚我话氵\(yùn)行的是2臺(tái)機(jī)組的公用負(fù)荷,一般為非一類電機(jī),而工作段電機(jī)一般均為一類電機(jī),因此工作段與公用段在供電重要性方面有一定區(qū)別。此電廠設(shè)計(jì)年代尚沒有能滿足要求的大口徑零序電流互感器(有6根3×185 mm2電纜),因此設(shè)計(jì)沒有配置零序保護(hù),因此在接地故障時(shí)工作段與公用段實(shí)際上等同于一個(gè)段,擴(kuò)大了故障影響范圍。當(dāng)沒有滿足要求的大口徑零序電流互感器情況下,可使用每根電纜安裝一個(gè)零序電流互感器,各電流互感器二次回路串接后送入零序保護(hù),可實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)的目的。

2.1.3 機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的能力控制

大機(jī)組高壓工作段一般設(shè)計(jì)為兩個(gè)段或以上,當(dāng)運(yùn)行于之一段上的電機(jī)故障后,由成對(duì)配置的另一電機(jī)以熱備用或冷備用的方式啟動(dòng)接替故障電機(jī)的作用,從而實(shí)現(xiàn)不影響機(jī)組負(fù)荷的目的。對(duì)于冷備方式啟動(dòng)的電機(jī),實(shí)際上因?yàn)橥驗(yàn)榇烁邏弘姍C(jī)的低壓潤(rùn)滑油泵電機(jī)所在段沒有電源而導(dǎo)致高壓電機(jī)無法自啟,從而導(dǎo)致負(fù)荷下降進(jìn)而停機(jī)。

優(yōu)化電機(jī)配置,將配合作用的高低壓電機(jī)系統(tǒng)性地看待可從根本上改變?cè)诰o急情況下備用電機(jī)無法啟動(dòng)的情況,從而保證在特殊情況下不降負(fù)荷、或者不停機(jī)。

2.1.4 建議

由圖1可看出,機(jī)組的2個(gè)公用段并沒有由同名的工作段帶,而是交叉工作(即2A帶01B、1B帶01A),設(shè)計(jì)之初的原因是考慮2個(gè)工作段的負(fù)荷平衡,因?yàn)樵搹S機(jī)組為空冷機(jī)組,沒有汽動(dòng)給水泵,而電動(dòng)給水泵容量較大。如此設(shè)計(jì)的后果則是公用段接地故障導(dǎo)致工作段失電,切至備用電源后導(dǎo)致兩備用變?nèi)刻l,即失去全部備用電源,不利于機(jī)組的安全停機(jī)。

2.2 案例2

2.2.1 故障概況

某廠300MW機(jī)組1號(hào)機(jī)組6kV1A工作段的1B膠帶機(jī)發(fā)生接地故障,配置于膠帶機(jī)開關(guān)的綜保接地保護(hù)拒動(dòng)。

2.2.2 原因分析

膠帶機(jī)為一個(gè)斷路器帶2個(gè)電機(jī)形式。當(dāng)時(shí)1臺(tái)電機(jī)檢修,拆電機(jī)2電纜后兩端接地,安全措施如圖2。

圖2 某廠300MW機(jī)組1/2膠帶機(jī)檢修時(shí)安全措施示意

安全措施做好后,合開關(guān)電機(jī)1啟動(dòng)。啟動(dòng)過程中,高壓廠用電變壓器零序過流保護(hù)1段動(dòng)作跳開本段工作進(jìn)線開關(guān),故障錄波顯示接地電流為320A。高壓廠用電變壓器6kV側(cè)中性點(diǎn)接地電阻9.09Ω,膠帶機(jī)支路零序TA變比100/1,零序保護(hù)定值為0.8A、0.4s。

因?yàn)樵诓痣娎|時(shí)誤將不準(zhǔn)備檢修的電機(jī)電纜的V相拆下,造成了電機(jī)1的U、W相帶電,和電機(jī)2電纜V相的接地故障,而對(duì)于反應(yīng)2根電纜的零序電流互感器應(yīng)該能夠感應(yīng)出與一次故障電流對(duì)應(yīng)的二次接地電流,如圖2所示,因?yàn)楸徊痣娎|兩側(cè)掛有接地線,因?yàn)閮蓚€(gè)接地點(diǎn)不同,實(shí)際流經(jīng)零序電流互感器的一次接地故障電流并非足夠大。

根據(jù)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù),膠帶機(jī)一般位于輸煤皮帶的橋段位置,距高壓段母線電纜長(zhǎng)度大于350m,案例中的膠帶機(jī)電纜長(zhǎng)度為380m。高壓廠用系統(tǒng)接地故障的電流回路是高壓變廠用側(cè)相繞組-共箱母線-母線-電機(jī)支路電纜-接地故障點(diǎn)-接地母線(大地)-變壓器中性點(diǎn),見圖3。

圖3 接地故障電流分流電路

圖3中,Z1為電機(jī)V相電纜阻抗,Z2為電機(jī)本體到電纜首端的U、W相電纜阻抗,Z3為開關(guān)到高壓廠用電變壓器中性點(diǎn)接地網(wǎng)阻抗,Z4為電機(jī)本體到高壓廠用電變壓器中性點(diǎn)接地網(wǎng)阻抗, Z0為高壓廠用電變壓器中性點(diǎn)接地電阻阻抗。電

纜為3×95mm2電纜,單位阻抗為0.247+j0.107 Ω/km,電纜長(zhǎng)度為約0.4km,開關(guān)到高壓廠用電變壓器距離為約0.1km,接地網(wǎng)阻抗為10Ω/km,因此可計(jì)算出各阻抗參數(shù),按6kV的相電壓計(jì)算接地故障總電流為322.8A,與實(shí)際故障電流相符,進(jìn)而可計(jì)算出I02=82A。因?yàn)殡姍C(jī)1的IA+ IC=-IB,因此由電機(jī)1產(chǎn)生的零序電流為零,零序電流互感器的輸出電流主要由電機(jī)2產(chǎn)生;電機(jī)2的V相有兩個(gè)接地點(diǎn),即兩個(gè)電流I01和I02,設(shè)I01為開關(guān)側(cè)接地電流,I02為電機(jī)本體側(cè)接地電流,因?yàn)殚_關(guān)距離高壓廠用電變壓器中性點(diǎn)位置遠(yuǎn)近于電機(jī)本體位置,因?yàn)榻拥仉娮璧脑?接地電流I01＞I02,I01是通過電纜回流到開關(guān)側(cè)接地點(diǎn)的電流,分析可知I01在零序電流互感器中沒有感應(yīng)出電流,零序電流互感器的輸出電流是由I02產(chǎn)生的,因I02理論計(jì)算值與保護(hù)動(dòng)作門檻接近,電機(jī)保護(hù)拒動(dòng),由上級(jí)保護(hù)動(dòng)作跳閘。

高壓廠用電機(jī)支路接地保護(hù)的整定原則沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程可供參考,實(shí)際整定過程中一般有2種選擇,其一是按躲過電機(jī)支路正常可能的最大零序電流,其二是按電機(jī)支路發(fā)生接地故障時(shí)的最大零序電流取一定靈敏度[2];由此2個(gè)原則可以看出,按原則二考慮選取的定值肯定高于原則一,雖在一般情況下均能靈敏反應(yīng)所保護(hù)設(shè)備,但是對(duì)于本例中的情況則可能因靈敏度問題而使保護(hù)拒動(dòng)。分析認(rèn)為,按照DL/T5153-2002《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定的高壓廠用允許接地電容電流數(shù)值進(jìn)行整定較為適宜,一般取一次電流15～20A、延時(shí)0.3～0.5s,則可有效保護(hù)到各種接地故障。

2.3 案例3

2.3.1 故障概況

某廠1000MW機(jī)組1號(hào)機(jī)組6kV1A工作段的給水泵前置泵電機(jī)電纜引線發(fā)生接地故障,高壓廠用電變壓器零序過流1段保護(hù)動(dòng)作跳開工作進(jìn)線開關(guān),因?yàn)橐淮蝹?cè)零序與相分支不在同一側(cè)而二次接線仍按同一側(cè)接線,因此零序1段動(dòng)作后故障仍存在,零序2段動(dòng)作停機(jī)。

故障記錄顯示,高壓廠用電變壓器零序保護(hù)動(dòng)作值為528A(TA變比600/1,記錄值為二次0.88A,保護(hù)定值0.2A、延時(shí)1段1.1s和2段1.7 s),電機(jī)綜保記錄動(dòng)作電流為198A(TA變比150/5,記錄值6.598A,保護(hù)定值0.65A、延時(shí)0.3 s),即電機(jī)支路綜保裝置記錄的電流與高壓廠用電變壓器保護(hù)裝置記錄的電流大小不一致。

2.3.2 電機(jī)保護(hù)拒動(dòng)原因

理論上分析電機(jī)的零序過流保護(hù)應(yīng)在高壓廠用電變壓器零序過流保護(hù)之前動(dòng)作,而實(shí)際上卻晚于高壓廠用電變壓器零序2段,造成此后果的原因事后檢查是電機(jī)綜保的零序保護(hù)模塊TA二次額定電流配置錯(cuò)誤,應(yīng)選擇5A而實(shí)際是1A,因此故障電流大于裝置允許的電流范圍后,裝置已不能正常反應(yīng)故障電流,裝置的電流二次變換電路飽和,影響了保護(hù)的正常動(dòng)作。

對(duì)于最大故障電流已明確的系統(tǒng),應(yīng)在試驗(yàn)時(shí)選擇其中一套保護(hù)裝置加入最大故障電流對(duì)應(yīng)的二次電流,檢查裝置的動(dòng)作情況。

2.3.3 保護(hù)后備段動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組全停原因

大部分三繞組雙分裂變壓器低壓側(cè)的兩個(gè)繞組的中性點(diǎn)設(shè)計(jì)位置與相繞組在同一側(cè),因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,有一部分廠家的設(shè)計(jì)沒有在同一側(cè),即低壓繞組1的中性點(diǎn)出線設(shè)計(jì)在了繞組2一側(cè),繞組2的中性點(diǎn)出線設(shè)計(jì)在了繞組1側(cè),這樣仍然按在同側(cè)進(jìn)行二次安裝接線,則在實(shí)際發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)造成對(duì)應(yīng)接地保護(hù)動(dòng)作跳閘后仍然有故障電流存在,直到變壓器全停(或機(jī)組全停)。

可通過投運(yùn)前一次模擬試驗(yàn)的方法進(jìn)行檢查,即在一次系統(tǒng)(母線或支路)上掛接接地線模擬一次接地故障,使用發(fā)電機(jī)或升壓升流設(shè)備檢查一、二次接線是否正確。

3 結(jié)論

對(duì)于發(fā)電廠高壓廠用系統(tǒng)接地故障的繼電保護(hù)配置與整定,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特殊情況進(jìn)行特殊分析,應(yīng)盡量消除繼電保護(hù)盲區(qū),盡量提高繼電保護(hù)靈敏度,降低各種可能的保護(hù)拒動(dòng)行為的發(fā)生。

與發(fā)電機(jī)和大型變壓器等主設(shè)備保護(hù)和高電壓等級(jí)繼電保護(hù)(110kV及以上)不同,發(fā)電廠高壓廠用系統(tǒng)設(shè)備的繼電保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程相對(duì)不足,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)此系統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)開展一些適用于現(xiàn)場(chǎng)的類似于型式試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目。

[1] DL/T5153-2002,火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]

[2] 高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

本文責(zé)任編輯:丁 力

Event Analysis on Generator Units Shutting-up Caused by Earth-fault in High-voltage Auxiliary System

Zhang Binghai,Chang Yongliang,Wang Xianzhi,Zhao Yuhao
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

The paper researches several earth-fault events in power plant high voltage auxiliary systems recently,analyzes the causes of failure operation,and does study on the configuration and setting standard of the relay protection,gives out modification on site tests and the measures to avoid units shutting down by earth-fault in high-voltage auxiliary system.

generator units fault analysis;auxiliary system;earth fault;relay protection

TM863

B

1001-9898(2016)04-0001-03

2016-06-15

張兵海(1968-),男,高級(jí)工程師,主要從事各類繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的試驗(yàn)研究工作。