發電廠低壓廠用電系統接地保護配合方案研究

馬 敏

（國家電投集團協鑫濱海發電有限公司，江蘇 鹽城 224500）

0 引 言

發電廠的各種故障中，廠用電系統事故所占比例很大，尤其是低壓廠用電系統，其負荷多、分布廣、運行環境差以及日常檢修維護不到位等，導致設備故障率較高，其中單相接地短路發生的概率最大。目前，一些發電廠發生多起因380V 低壓廠用電末端負荷接地故障保護越級跳閘造成380 V 電機控制中心（Motor Control Center，MCC）段和動力中心（Power Center，PC）段母線失壓事故，部分發電廠因同時受其他因素影響，導致發電機組發生非計劃停運事故。因此，文章對發電廠低壓廠用電系統接地保護配合方案進行研究。

1 發電廠低壓廠用電系統接地保護配置現狀

發電廠低壓廠用電系統包括中性點直接接地系統和中性點經高阻接地系統2 種。根據《火力發電廠廠用電設計技術規程》（DL/T 5153—2014），對于中性點經高電阻接地的低壓廠用電系統，低壓廠用母線上的饋線回路應裝設接地故障檢測裝置，且檢測裝置宜由反映零序電流的元件構成，動作于接地信號；對于中性點直接接地的低壓廠用電系統，低壓廠用母線上的饋線回路應裝設單相接地短路保護，同時可用相間短路保護兼作單相接地短路保護，當單相接地短路保護靈敏度不夠時，應設單獨的單相接地短路保護裝置[1]。此外，低壓廠用電系統中性點接地方式為直接接地時：對于容量為100 kW 以上的電動機，宜裝設單相接地短路保護裝置；對100 kW 以下的電動機，若相間短路保護能滿足單相接地短路的靈敏性，則可由相間短路保護兼作接地短路保護，若不能滿足，則應單獨裝設接地短路保護，保護瞬時動作于斷路器跳閘。

由于下級所帶低壓負載較為重要，發電廠低壓廠用380 V 汽機變、鍋爐變、保安變通常采用中性點經高阻接地方式，與其相應的380 V PC 和MCC 段是中性點不接地系統，母線進線開關和饋線開關均未配置接地保護，且該段通常安裝小電流選線裝置，負載接地時，通過小電流選線裝置報警來反映故障。其他的低壓干式變壓器，如檢修變和公用變等采用中性點直接接地方式，與其相應的380 V PC 和MCC 段為中性點直接接地系統，廠用電系統380V PC 進線開關、PC 段饋線開關、380V MCC 進線開關均配置接地保護，但是380 V MCC 段所帶負載不配置接地保護，其利用塑殼開關相間短路保護兼作接地短路保護。

基于以上保護配置方式，當發電廠低壓廠用380 V MCC 段較長饋線負載發生遠端金屬性接地或近端非金屬性接地故障時，保護越級跳閘的情況時有發生[2]。

2 發電廠低壓廠用電系統接地保護越級跳閘事故案例

2.1 案例一

2017 年7 月1 日05:07，某電廠程控啟動10A 皮帶機、9A皮帶機、8A皮帶機、A碎煤機、A高幅振動篩、7A 皮帶機以及L1 皮帶機進行上煤加倉操作。05:20，燃料運行人員監盤發現10A 皮帶機、9A 皮帶機及原煤倉料位和煤倉間輔助設備反饋異常，8A 皮帶機和7A 皮帶機跳閘，就地檢查發現7A 皮帶機、8A 皮帶機、9A 皮帶機停轉，10A 皮帶機仍在運行且頭部有焦糊味，就地拉繩跑偏無法停運。05:24，集控運行就地檢查發現8A 皮帶機和9A 皮帶機開關已分閘，且開關發出報警信號，10A 皮帶機開關在運行狀態未跳閘；380 V 公用PC B 段至煤倉間MCC 電源2 號開關跳閘，并報零序過流報警。立即通知電氣一次、二次工作人員檢查8A 皮帶機和9A 皮帶機開關跳閘原因，通知輸煤電氣專業人員檢查380 V 公用PC B 段至煤倉間MCC 電源開關2 零序過流故障跳閘的原因。05:40，10A 皮帶機制動器自動抱閘落下，且與皮帶摩擦產生焦糊味，燃料運行人員就地將制動器抱閘打開。05:50，檢修人員就地檢查380 V 公用PC 段煤倉間MCC 電源電源1、電源2 這2 路的開關，發現開關測控裝置（ST-400PC）有零序保護動作，接地零序電流為5.65 A（二次值）。09:00，燃料維護人員對沒有恢復送電的輔助設備進行絕緣測試，發現10A 皮帶機布袋除塵器空壓機的電機對地絕緣為0。14:00，燃料維護人員拆除空壓機電機，解體發現電機定子線圈C 相有燒痕，電機轉子有銹跡，外觀很舊，初步懷疑為翻新產品，聯系廠家處理。該案例中，10A 皮帶機布袋除塵器的空壓機電機故障，保護越級動作是該異常事件的根本原因。煤倉間MCC 段的10A 皮帶機布袋除塵器電控柜電源的塑殼開關型號為GE 公司的FDN160TD，額定電流為100 A，配有長延時保護和速斷保護，速斷電流為1 000 A，開關無零序保護。根據故障報告計算接地電流一次值為565 A（零序電流互感器的變比為100 ∶1），小于10A 皮帶機除塵系統電控柜電源開關的速斷保護定值1 000 A，因此10A 皮帶機除塵系統電控柜電源開關速斷保護未動作[2]。而煤倉間MCC 段進線電源2 開關測控裝置的零序保護整定電流為200 A，整定時間為0.2 s，故障電流大于煤倉間MCC 電源2 開關的測控裝置零序定值。同時，根據開關特性曲線，測算10A 皮帶機布袋除塵器電控柜電源開關長延時動作時限為4.5 s，遠大于煤倉間MCC 電源2 開關測控裝置的零序保護時間（0.2 s）。因此，當10A 皮帶機布袋除塵器空壓機電機故障時，10A 皮帶機布袋除塵器電控柜電源開關長延時保護未動作，故煤倉間MCC 電源2 開關測控裝置保護動作跳閘。380 V 公用PC 段至煤倉間MCC 電源進線2 開關的保護定值如表1 所示。380 V煤倉間MCC 段的10A 皮帶除塵系統電控柜電源開關的保護定值如表2 所示。

表1 380V 公用PC 段至煤倉間MCC 電源2 進線開關的保護定值

表2 380V 10A 皮帶除塵系統電控柜電源開關的保護定值

2.2 案例二

2018 年3 月13 日，某電廠2 號機組檢修，高加正常疏水管道改造完成后，焊接后需要進行熱處理，因此需要從除氧器平臺檢修箱接一路電源作為熱處理臨時電源。2018 年3 月14 日00:14，運行人員發現2 號機組汽機PC 段上2 號機組汽機檢修MCC 電源開關跳閘，2號機組汽機檢修MCC段母線失去電源供給。檢查該開關保護裝置的零序電流保護動作情況，動作電流為3 941 mA。經排查，發現檢修單位在臨時用電接線時，將熱處理電源直接接入2 號機組除氧器平臺檢修電源箱進線開關前的銅排，工作時發生熱處理電源接地，導致2 號機組汽機檢修MCC 進線開關零序保護動作，開關跳閘。

由于臨時用電接線不規范，發生故障時，檢修電源箱內斷路器起不到保護作用。該電源上級開關2 號汽機檢修MCC 段的除氧器平臺檢修箱電源為GE 公司的FDN160TD 塑殼開關，配置了長延時和速斷保護，額定電流為160 A，速斷保護動作電流為1 280 A，塑殼開關本身沒有配置零序保護。根據故障報告，故障時接地電流一次值為394.1 A（零序電流互感器的變比為100 ∶1），小于2 號機組除氧器平臺檢修箱電源開關的速斷保護定值。2 號機組汽機PC 段上2 號機組汽機檢修MCC 段進線電源開關智能測控保護裝置的接地保護定值為240 A，整定時間為0.2 s，故障電流大于2 號機組汽機檢修MCC 段進線電源開關接地保護定值。因此，2 號機組汽機檢修MCC 段負載接地時，其電源開關接地保護動作，開關跳閘[3]。

3 發電廠低壓廠用電系統接地保護越級動作解決方案

發電廠低壓廠用電系統接地保護越級跳閘案例較為普遍，為解決此類故障，保障現場設備安全穩定運行，提出以下幾種解決方案。

3.1 優化保護定值和配合關系

（1）根據《火力發電廠廠用電設計技術規程》（DL/T 5153—2014），當低壓廠用電系統末端未配置接地保護時，允許用相間短路保護切除單相接地短路故障。計算定值時，應考慮MCC 段電源開關與下一級負荷開關速斷保護配合，通過定值大小和整定時間的配合保證繼電保護裝置的選擇性。

此外，380 V 系統單相接地電流大小受多種因素影響，不同工況下的故障電流相差較大，難以估算，因此該方法難以兼顧各種工況。結合現場實際情況，考慮僅在故障電流小于800 A 時進行配合，即下級空開額定電流在80 A 以下時進行配合。

（2）低壓廠用電系統末端未配置接地保護，可以取消上級的接地保護。此時，需要用干式變綜保裝置的接地保護與末級負載短延時保護配合。其優點在于綜保裝置定值整定靈活性強，能滿足保護選擇性，缺點是保護電流定值較大，不能及時切除故障電流較小的單相接地故障，因此可能發展為較嚴重的單相故障或相間故障，進而嚴重損壞設備。

3.2 在發電廠低壓廠用電系統末級使用帶接地保護的開關

在發電廠低壓廠用電系統末級使用帶接地保護的開關，該方法是最簡單可靠的方法。對于末級負荷開關配置可以整定的接地保護，通過各級接地保護定值逐級配合，即可實現故障時保護裝置逐級動作。

一般情況下，低壓廠用電系統在設計時末級采用不帶接地保護的抽屜式開關，對于已投運的系統，需要進行開關改造，增加了實施難度和成本。目前，市場上已經出現了帶接地保護的塑殼空開，無須采用框架斷路器，一定限度上節約了安裝空間和成本，新建機組在設計階段可以綜合考慮該裝置[4,5]。

3.3 發電廠低壓廠用電系統末級開關配置獨立的接地保護

在發電廠低壓廠用電系統末級抽屜開關內安裝接地保護裝置，將保護裝置和開口式專用電流互感器固定在抽屜安裝板上，無須改動一次線路，改造工程量較小，選擇投退保護出口驅動塑殼開關分勵線圈跳閘方式，實現零序保護。改造完成后，可以模擬故障從而進行保護調試，驗證保護功能的正確性與可靠性。該方法實施成本較小，操作可行性較高。

目前，國內發電廠普遍采用優化保護定值和配合關系方案，通過上級接地保護和下級速斷保護配合來實現選擇性，但是其缺點也較為明顯。隨著科學技術的發展和廠家研發技術的不斷升級，在發電廠低壓廠用電系統末級使用帶接地保護的開關方案和發電廠低壓廠用電系統末級開關配置獨立的接地保護方案的可行性及可操作性也越來越高。

4 結 論

隨著發電廠安全管理水平的提高，廠用電系統運行安全可靠性越來越受到重視。因此，發電廠在設計選型階段，就應該重視低壓廠用電系統的保護越級動作問題，綜合考慮可靠性、選擇性以及經濟性，選擇更適合該工程現場的接地保護配置方式，從而保證設備投產運營期的安全穩定運行。