飛來峽電廠發電機組定子接地保護誤報警誤動作原因分析

肖南文

(廣東粵海飛來峽水力發電有限公司，廣東 清遠 511825)

1 概況

1.1 故障前的一次設備運行工況

飛來峽電廠一次設備運行情況為：1#機組、2#機組和4#機組均帶負荷30 MW運行，3#機組檢修，1#主變、2#主變運行，220 kV飛浩線2 387開關運行，110 kV 1#主變變中101開關運行，10.5 kV 1#主變變低5 010刀閘運行，110 kV飛北線121A開關熱備用，110 kV 2#主變變高102開關運行，10.5kV廠用電510、520和530開關運行，500和550處于熱備用狀態(10 kV三段廠用電分段運行)，10 kV廠用電備自投裝置投入狀態。飛來峽電廠一次設備[1]如圖1所示。

圖1 一次設備示意

1.2 故障現象

2019年4月13日02時04分，監控系統出現220 kV 1#主變“10.5 kV PT101接地故障”報警，10 kVⅠ段母線接地保護動作(64B)、1#機組定子接地報警和2#機組定子接地保護(64G)動作跳閘等信息，1#、2#機組分別甩30 MW負荷跳閘。機組跳閘后接地跳閘報警信號自動消失。1#、2#機組出口開關501、502跳閘，廠用電備自投裝置退出?，F場檢查發現如下信息。

1) 220 kV 1#變壓器保護裝置

1#變壓器保護裝置A屏、B屏面板上出現裝置報警和主變低壓側零序電壓報警，無跳閘信號。

2) 1#、2#機組保護裝置

1#機組保護柜10 kV母線1接地、發電機頻率保護、發電機斷路器失靈保護信號燈亮，2#機組保護柜發電機定子接地保護燈亮；現場檢查1#、2#機組出口開關501、502已跳開，兩臺機組都已停穩。

3) 1#、2#機組及10 kVⅠ段母線柜檢查

現場對10 kV廠用母線PT柜絕緣、10 kV封閉母線、10 kV部分饋線電纜和1#、2#機組出線電纜等進行外觀檢查，未發現異常，但在10 kV電纜廊道聞到焦味。

4) 開關站220 kV 1#變壓器及5010刀閘室檢查

220 kV 1#變壓器外觀未發現異常，但在開關站5010刀閘室也聞到燒焦氣味。

2 故障處理及存在的問題

2.1 故障處理[2]

事件發生后，當班值長立即通知運維值班人員到現場檢查處理，向中調匯報220 kV 1#主變運行情況和1#機組、2#機組跳閘停機等事件；并立即下令倒換廠用電，將電廠10 kV廠用電Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分段運行倒換為由Ⅲ段帶Ⅰ段與Ⅱ段分段運行，聯系地調申請向飛北線送電；然后向中調匯報保護裝置動作情況且做好相關記錄，并向中調申請將220 kV 1#變壓器由運行轉為冷備用，填報緊急搶險單作進一步檢查處理。

2.2 發現的問題

根據10 kV電纜廊道和5010室聞到的燒焦氣味，推測其原因可能是1#主變低壓側到10 kV封閉母線某處存在故障，打開該段封閉母線蓋板，發現220 kV 1#主變“10.5 kV 出線母線口A相絕緣板燒毀，故障判定為1#主變低壓側A相弧光接地故障，遂做整體更換處理，后測其絕緣值，絕緣A相68 MΩ、B相62 MΩ、C相105 MΩ，試驗合格(規程10 MΩ滿足要求[3])。

通過與出現的報警信息對比，發現A相絕緣板燒毀是1#主變低壓側母線接地保護(64B)動作的直接原因，在該故障過程中不應出現1#機組定子接地報警和2#機組的定子接地動作的信息，即1#主變低壓側接地保護動作屬于機組定子保護區外故障引起，1#機組和2#機組定子保護區內并無故障發生，其定子保護不應該有報警和動作信息。

由于上述可以確定故障為1#主變低壓側母線接地保護(64B)動作所引起，根據1#機組跳閘矩陣設置，1#機組母線接地保護64B動作后果是自動停機和啟動失靈[4]，而不是跳出口斷路器，所以按照失靈保護的邏輯，在母線接地保護64B動作時同時也啟動了失靈保護，并且由于是自動停機，發電機在停機前仍然帶著負荷，這樣就滿足了失靈保護的動作條件：保護啟動且電流>0.1 A，經過0.3 min后失靈保護將動作重跳出口斷路器并點亮紅燈，斷路器跳開后失靈保護返回，失靈保護的黃燈是用來監視保護啟動信號超時的，在沒有電流的情況下如果保護啟動信號持續超過5 min(定值)將復歸該啟動信號并點亮黃燈，失靈保護將被閉鎖，這樣的設計為防止在并網前如果有失靈保護啟動開入量一直在動作(如誤啟動，開入量故障等情況)，而并網后加上電流條件會引起失靈保護動作。報警信息中的失靈保護屬于正確動作，下文不再做原因分析說明。

3 原因分析及整改措施

3.1 原因分析

1) 接地保護原理及定值[5]

飛來峽電廠發電機定子接地保護為定子接地零序功率方向保護[6]，采用零序電壓和零序電流作為判斷依據。零序電壓作為動作量，而用零序電流與零序電壓間的相位角來判斷接地點的范圍。無論在系統那一點發生接地故障時，都將有電流流過發電機中性點配電變壓器同時出現電壓降，從而該電壓降在變壓器二次電路的電阻中產生一個電流，這個電流經過一個中間CT， 另外在發電機出口零序CT的二次繞組產生一電流量，通過方向組件比較這兩個電流量的方向來判斷故障范圍，如果兩個電流方向相同則保護發生在保護范圍外，如果兩個電流方向相反則故障發生在保護范圍內。

飛來峽電廠為擴大單元式機組，為確保發電機區內和區外接地時具有選擇性[7]，定子接地保護采用的是方向接地保護功能64G[8]，該功能使用中性點零序電壓作為動作判據，中性點及機端零序電流與中性點零序電壓的角度作為方向判據來區分區內還是區外接地(如圖2所示)，另外對區外接地還考慮了在主變低壓母線接地時發電機中性點設備的承受能力，特設置了一個無方向的母線接地保護64B[9]，在達到較長的延時后跳開兩臺機組出口斷路器以保護發電機中性點設備，而不是在主變低壓母線(發電機區外)接地時只報警進而對發電機中性點設備造成損傷，在主變單獨運行不帶發電機時可以允許低壓側接地后報警而不跳閘等待運行人員處理。

圖2 機組方向接地CT接線示意[10]

保護定值：90%定子接地按保護區90%，零序電壓動作值為10 V，延時為0.3 s，動作區slope角度為60°，方向為1，動作角度是判斷I0超前U0的角度，動作范圍是slope+90°～slope-90°，即150°～-30°。

2) 根據220 kV 1#主變低壓側母線接地無方向的接地保護64B正確動作、1#機組定子接地保護誤報警、2#機組定子接地保護(64G)誤動作跳閘，而定子保護區內無故障現象、定子絕緣試驗數據合格，推測1#機組定子接地保護誤報警和2#機組定子接地保護(64G)誤動作跳閘的原因為定子保護參數設置問題，與廠家溝通后決定對飛來峽4臺機組定子接地保護進行定子單相接地模擬試驗[10]。由模擬試驗示意(見圖3)和試驗記錄(見表1)可見：當前定值可以區分區內和區外接地故障，但1#機組和其他3臺機的模擬試驗時的角度顯示不同，1#機組區外單相接地電壓為10%額定電壓時φI0_U0為-69°，其他3臺機則為-126°，該角度會在額定電壓時增大，例如1號區外接地時角度會達到-95°，其他3臺機大約會增大至超過-150°。

#機區內外單相接地模擬試驗：10%-100UN 2#～4#機區內外接地示意

表1 1#～4#機組單相接地模擬試驗數據

3) 1#機組、2#機組定子接地保護在母線接地后的動作分析

由于1#機組定子接地保護在同樣保護參數設置和同樣模擬電壓下進入定子保護動作區的slope角度絕對值較其他3臺機組要小(電壓為10%額定電壓時φI0_U0為-69°，其他3臺機則為-126°)，首先調出了1#機組在主變低壓側母線接地保護動作后的錄波記錄(見圖4)。由圖4可見，間歇性弧光接地時的零序電流已經不是標準的正弦波，含有大量高次諧波及直流分量，在零序電流突然增大的地方各次諧波分量值見表2所示。在這個時候計算的角度已經進入動作區(顯示的角度已經達-250°)，如果持續時間超過定子接地保護延時，定子接地保護就會動作跳閘，1#機組的情況是該突變波形只持續幾十毫秒，定子接地保護只發出報警信號(alarm瞬時啟動并點亮黃燈)，最終經10 min后由母線接地保護64B跳閘[11-12]。

圖4 1#機組母線接地保護動作后錄波示意

表2 諧波分量值

而2#機組的故障錄波基本和1#機組波形相近，只是2#機組在模擬區外接地時的I0超前U0角度要比1#機組大(由表1可知2#機組為-126°，1#機組為-69°)，所以更容易提前進入動作區而最終由定子接地保護64G跳閘(重復發出了跳2#機組出口502開關的命令)。

3.2 定子接地保護整改措施[13]

根據模擬試驗結果中4臺機實際的角度及區外接地時角度的變化方向和范圍，建議4臺機定子接地保護保護的slope定值整定為不同值，即1#機組的slope由原來的60°改為30°,2#～4#機的slope由原來的60°改為0°，這樣可以更好的避免區外接地時的零序電流和電壓的角度進入動作區(如圖5所示)。

圖5 1#～4#機組不同slope定值動作區示意

4 結語

飛來峽電廠2018年1月完成4臺機組保護裝置改造項目，改造后采用的是安德里茨公司的compact2A保護裝置，投運以來，裝置硬件運行穩定；2019年4月13日在雷雨大風天氣下，1#主變低壓側母線發生弧光接地故障，暴露出定子保護slope定值問題；于同年11月，經過與廠家、設計單位商榷和廣東省集中調度中心繼電保護部的批準，將1#機組的slope由原來的60°改為30°而2#～4#機的slope由原來的60°改為0°，實驗測試后運行至今，未出現過定子保護誤報警、誤動等異?，F象。而在改造之前4臺機組slope定值均為30°且未出現過定子接地誤報警誤動作現象(2015年04月29日，2#機組出口電纜C相金屬性接地[1]，也屬于1#主變低壓側母線接地故障，其并未導致1#機組和2#機組定子保護報警和動作信息)，是什么原因導致機組保護裝置改造后需要將1#機組的slope由原來的60°改為30°而2#～4#機的slope由原來的60°改為0°是一個值得研討的課題。