主變220 kV 斷路器閃絡保護動作原因分析

章良健，陳建林，郝亮亮

（1.臺州發電廠，浙江 臺州 318016；2.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

0 引言

在220 kV 及以上大型發電機-變壓器組（簡稱“發變組”）并網過程中，斷路器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，當兩者的角差達180°時，斷路器兩側電壓最大，達兩倍額定電壓，此時斷口易發生閃絡[1-11]。斷路器發生擊穿后，無論是滅弧室內部擊穿還是外絕緣表面閃絡引起，由于系統電壓的存在，故障電弧均不能自行熄滅，持續燃燒的電弧使滅弧室嚴重發熱，劣化SF6氣體，若故障未能及時切除，將引發斷路器爆炸等更嚴重的設備故障[12-15]。

目前220 kV 及以上大型發變組都配有閃絡保護，但該保護定值整定通常以斷口閃絡故障后負序電流不超過機組耐受水平為原則，未考慮閃絡故障對斷路器本身的影響，較長的保護延時下也會出現故障電流到達波節位置保護返回的情況，難以對斷路器閃絡故障提供迅速有效的判斷[16]。以PCS-985 保護裝置為例： 閃絡保護取主變高壓側斷路器TA 電流，保護一般只考慮一相或兩相，不考慮三相閃絡。保護判據為：

（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。

斷路器閃絡保護一般第一時限動作于滅磁，第二時限動作于啟動斷路器失靈[17]。

本文以近期某發電廠由于惡劣天氣造成的一起斷路器斷口閃絡故障為例，對保護動作行為與斷路器檢查情況進行了分析，并根據故障原因提出防范措施。

1 發變組斷路器斷口閃絡故障

1.1 事故經過

2019 年8 月10 日，9 號臺風“利奇馬”登陸浙江，中心附近最大風力16 級，當時某發電廠8號機組調頻調壓帶廠用電運行，220 kV 斷路器熱備狀態。

2019-08-10 T 03：10，8 號主變220 kV 斷路器閃絡保護動作，8 號機跳閘，8 號爐MFT。220 kV 副母差動保護動作。至就地檢查為8 號主變220 kV 斷路器B 相瓷瓶炸裂。8 號機為發變組單元接線方式，主變高壓側裝設有220 kV 的SF6斷路器，無發電機出口斷路器，故障位置如圖1所示。

圖1 8 號主變220 kV 主接線

1.2 保護動作信息分析

根據8 號發變組保護動作信息（表1）可知： 0 ms 8 號發變組閃絡保護啟動；151 ms 斷路器閃絡保護延遲出口，動作于滅磁開關；665 ms 主變失靈聯跳，啟動斷路器失靈。

表1 發變組保護裝置動作報告

根據220 kV 母線保護動作信息（表2）可知：360 ms 差動保護動作跳Ⅱ母；368 ms 失靈跳母聯；568 ms，Ⅱ母失靈出口。

表2 母線保護整組動作報告

分析網控故障錄波（圖2）及機組故障錄波（圖3），可知具體故障時序如下：

（1）0 ms，220 kV 副母B 相電壓132 kV 降至110 kV，進入工頻穩態，其余兩相正常運行。

（2）360 ms 后C 相電壓有效值由132 kV 降至70 kV（0.55 p.u.），同時B 相電壓有效值亦跌至70 kV（0.55 p.u.），此時BC 兩相電壓同相位。

圖2 四期網控故障錄波

從8 號主變電流及同一母線上的線路電流亦可看出，故障時刻首先B 相出現故障電流，主變高壓側B 相電流有效值達到10 kA，此后該電流隨發變組高壓側電壓與系統母線電壓相角差變化而變化，呈現為工頻振蕩衰減，聯絡二線出現有效值10 kA 的零序電流；約360 ms 后主變BC 相出現故障電流，主變C 相出現一次有效值約為12 kA 的電流，50 ms 后母線保護動作，母線側BC相電流變為零，主變側BC 相電流相位相差180°。

圖3 8 號機組故障錄波

從故障過程及波形的分析來看，初步斷定為： 2019-08-10 T 03：10：47 8 號主變斷路器B 相發生閃絡放電，8 號發變組閃絡保護動作，并啟動失靈。斷路器閃絡后，電弧持續燃燒，斷路器內部SF6氣體嚴重劣化，內部壓力不斷增大，造成B 相斷路器滅弧室爆炸，斷路器內部SF6氣體與破碎瓷瓶碎片飛出，造成BC 相間短路，線路電流激增，220 kV 副母差動保護動作，跳開所在母線所有斷路器。同時B 相開關TA 側導線掉至地面（圖4）。220 kV 副母失電，8 號發電機停機。

圖4 8 號主變B 相斷路器炸裂

1.3 故障開關的檢查情況

故障發生后，對斷路器進行了現場檢查。發現8 號主變B 相斷路器內部，無任何電弧灼傷現象，且觸頭無明顯放電痕跡（圖5）。收集現場炸裂后斷路器瓷瓶碎片，發現斷路器瓷瓶外表面有明顯的放電痕跡（圖6）。根據現場情況可排除由于斷路器內部由于過電壓引起的絕緣擊穿，從而發生斷路器內部閃絡的可能。

根據現場故障情況，故障點在8 號主變斷路器位置，如圖6 所示。故障斷路器位于CT 與母線間，BC 相短路故障后，母線差動保護動作正確。因斷路器在分位有電流，8 號發變組閃絡保護出口并啟動母線失靈，保護正確動作。

2 保護動作原因分析

通過對閃絡保護動作信息與斷路器檢查情況的分析，可以對故障做進一步判斷。根據錄波波形（圖7），故障時刻發電機電壓超前母線電壓210°，因主變接線方式為Y/Δ-11 接線，斷路器兩側電壓相位差為180°，斷路器斷口兩端承受2倍額定電壓運行，一旦斷路器絕緣存在薄弱環節，就容易發生斷口閃絡，進而引發后續故障，如圖8 所示。

根據故障現場可排除8 號主變B 相斷路器內部擊穿閃絡故障。且事故發生時超強臺風“利奇馬”登陸，伴隨長時間大風、大雨，斷路器水平斷口外表面淋濕占比大，雨水將斷路器傘裙空間間隙橋接，相當于雨水直接將傘裙短路，斷口外絕緣水平大大降低，在2U0電壓作用下，斷路器上下端子間發生沿面放電，導致8 號發變組閃絡保護動作[18]。長時間的閃絡電流使滅弧室嚴重發熱，最終在SF6氣體壓力作用下，造成滅弧室爆炸。在瓷瓶碎片沖擊下，BC 相短路故障，故障擴大導致母線差動保護動作。

圖7 斷路器兩側電壓波形

圖8 故障時刻斷路器兩側電壓相位

3 斷口閃絡保護配置方式的探討

8 號主變斷路器發生閃絡后，根據現場保護配置定值設置，保護正常動作時序如下：

（1）保護啟動延時0.15 s 動作出口，同時啟動失靈。

（2）母線保護收到失靈開入再延時0.2 s（即0.35 s）跳母聯。

（3）延時0.4 s（即0.55 s）跳母線。

從表2 可以看出，差動保護在360 ms 時BC短路差動保護動作，即在閃絡發生后360 ms 內斷路器已炸裂，保護正確動作但設備已損壞。

3.1 方案一： 閃絡保護出口方式的改進

220 kV 斷路器斷口發生閃絡時，瞬時出口并切除勵磁，降低發電機電壓和斷口電壓。表3為自并勵機組發電機空載時分磁場斷路器后發電機電壓下降趨勢。如果采用瞬時跳發電機磁場斷路器，發電機電壓在0.15 s 后約降至額定電壓的88%，即斷路器斷口電壓由2 倍降至1.88 倍。

表3 自并勵機組發電機空載時切除勵磁后發電機電壓下降趨勢

3.2 方案二： 增設發電機出口斷路器

考慮發電機勵磁切除后，發電機電壓下降過程不理想，如加裝發電機出口斷路器，則根據現有定值設置在0.15 s 跳發電機出口斷路器，可有效降低斷路器兩側電壓，及時切除故障，避免故障的進一步擴大。

3.3 方案三： 改變機組運行方式

在機組調頻調壓帶廠用電運行時，將220 kV斷路器改為冷備（即拉開正、副母隔離開關），在220 kV 斷路器改為熱備狀態下，應盡量縮短發變組帶額定電壓運行時間，以免220 kV 斷路器長期承受2 倍額定電壓，從而發生斷路器閃絡事故。

3.4 方案四： 改進閃絡保護整定

根據現有各保護裝置的斷路器閃絡保護設置，220 kV 斷路器斷口發生閃絡后，一般保護動作需要0.6 s（考慮斷路器跳閘時間50 ms）才可切除故障： 閃絡保護動作后0.15 s 出口，0.35 s 跳母聯，0.55 s 跳母線。建議閃絡保護動作延時由0.15 s 縮短為0.1 s，0.1 s 可躲過正常斷路器操作三相不一致時間；閃絡保護啟動斷路器失靈保護0.2 s 跳母聯和0.4 s 跳母線的時間修改為0.2 s同時跳母聯和母線。修改后閃絡保護動作故障總切除時間為0.3 s。

4 結論

綜上所述，方案一故障切除時間較長，方案二可有效切除故障，但需要增設斷路器，投資較大。方案三縮短不正常運行時間，但不能完全避免故障的發生。通過對本次220 kV 發變組斷路器斷口閃絡故障的分析表明，斷路器在發生閃絡后僅360 ms 即發生斷路器炸裂故障。方案四0.3 s切除故障，滿足保護相關規定設計，保護靈敏度不變，切除故障時間縮短，從而降低斷路器設備發生嚴重故障的可能性，保證發電機及斷路器設備的安全，可以為同類型發變組的保護配置提供參考。