兀鵬越 孫鋼虎 徐 金 許寅智 劉國(guó)榮

（1.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710043；2.南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100；3.西北電力建設(shè)第一工程公司，陜西 渭南 714000）

按照《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》[1]中11.6條的要求：“發(fā)電機(jī)變壓器組的主斷路器出現(xiàn)非全相運(yùn)行時(shí)，其相關(guān)保護(hù)應(yīng)及時(shí)起動(dòng)斷路器失靈保護(hù)，在主斷路器無法斷開時(shí)，斷開與其相連在同一母線上的所有電源?！币虼?，發(fā)電機(jī)出口斷路器有必要裝設(shè)失靈保護(hù)。

由于傳統(tǒng)上對(duì)于發(fā)電機(jī)出口斷路器應(yīng)用較少，在實(shí)際工程中也遇到了一些問題，例如發(fā)電機(jī)出口斷路器的失靈保護(hù)配置及整定?！独^電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置規(guī)程》[2]、《大型發(fā)變組保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》[3]中對(duì)此沒有明確說明，目前工程上的一般做法，僅僅是將常規(guī)的線路斷路器失靈保護(hù)簡(jiǎn)單套用到發(fā)電機(jī)斷路器了事，而忽視了這兩者之間有著根本的區(qū)別，這在某些情況下有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

本文分析了某廠一起發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)誤動(dòng)事故的原因，并進(jìn)一步對(duì)發(fā)電機(jī)失靈保護(hù)的有關(guān)判據(jù)進(jìn)行了探討，指出存在的問題，并提出了新的保護(hù)判據(jù)，以期引起同行對(duì)此問題的重視，進(jìn)一步完善此保護(hù)。

1 某廠1號(hào)機(jī)組系統(tǒng)接線

某廠 1號(hào)機(jī)組是一臺(tái)百萬千瓦等級(jí)的燃煤機(jī)組，以發(fā)電機(jī)－變壓器單元接線接入500kV配電裝置，發(fā)電機(jī)經(jīng)出口斷路器與1號(hào)主變、1A高廠變和1B高廠變相連。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器的高阻接地方式。發(fā)電機(jī)出口斷路器由ABB制造，額定電流28000A，額定短路切斷電流160kA，液壓彈簧三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。發(fā)變組保護(hù)采用南瑞繼保RCS-985微機(jī)成套保護(hù)裝置。

圖1 某廠1號(hào)機(jī)組系統(tǒng)圖

2 事故經(jīng)過

在2009年6月22日1號(hào)機(jī)組的首次整套起動(dòng)試驗(yàn)過程中，當(dāng)機(jī)端電壓升至額定電壓運(yùn)行不久，17時(shí) 47分，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)、發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，起動(dòng)“全停 I”出口，跳 500kV升壓站斷路器 5011、5012、發(fā)電機(jī)斷路器 801、滅磁開關(guān)、6kV高壓廠用電源斷路器61A、61B、61C、61D，由于該機(jī)組備用電源不設(shè)置快速事故切換方式，而備自投裝置也未投運(yùn)，因此備用電源沒有切換，高廠變跳閘后導(dǎo)致全廠廠用電失電。幸虧柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)緊急起動(dòng)成功，保安段及時(shí)恢復(fù)供電，機(jī)組安全停機(jī)。

保護(hù)動(dòng)作故障錄波如圖2所示：發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子C相電壓突然完全消失，同時(shí)A、B相電壓上升為100V，零序電壓58V，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)出現(xiàn)零序電流 13A，外接電源式定子接地保護(hù)顯示接地電阻由3000kΩ迅速下降為 0，以上故障持續(xù)延時(shí)達(dá)到定值0.5s后保護(hù)跳閘，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓消失，零序電壓零序電流均消失。當(dāng)機(jī)組跳閘后，“零序電壓+三次諧波”式定子接地保護(hù)可以復(fù)歸，但外加電源式定子接地保護(hù)仍可測(cè)得C相接地電阻為0。

圖2 保護(hù)動(dòng)作波形

停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)出口斷路器C相與封母的軟連接銅皮斷裂翹起，與封母外殼內(nèi)壁接觸，發(fā)電機(jī)機(jī)端金屬性一點(diǎn)接地，接地點(diǎn)如圖1中箭頭位置。發(fā)變組保護(hù)A柜的注入式定子接地保護(hù)和B柜的“基波零序+三次諧波”定子接地保護(hù)同時(shí)正確動(dòng)作，跳滅磁開關(guān)、關(guān)主汽門及跳開發(fā)電機(jī)斷路器[4]。

但是，在定子接地保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)，發(fā)變組保護(hù)C柜的RCS-974FG保護(hù)裝置中的非電量跳閘保護(hù)“發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)”卻誤動(dòng)作，跳開主變、廠變，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。

3 失靈保護(hù)誤動(dòng)原因分析

3.1 發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)原理[5]

1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)邏輯如圖 3所示，由相電流元件、負(fù)序電流元件、零序電流元件中任一判據(jù)滿足，再與發(fā)電機(jī)保護(hù)起動(dòng)失靈和斷路器位置與門后延時(shí)跳相鄰斷路器。其基本原理同一般變電站斷路器失靈保護(hù)基本相同。

圖3 發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)的邏輯圖

3.2 失靈保護(hù)誤動(dòng)原因

發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)接線圖如圖4所示。圖4（a）中，保護(hù)由RCS-974FG保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)電流及保護(hù)動(dòng)作觸點(diǎn)、斷路器位置構(gòu)成完整的保護(hù)邏輯，所有判據(jù)條件滿足后，失靈保護(hù)動(dòng)作，圖4（b）中的TJ1-2觸點(diǎn)閉合。圖4（b）回路是為了防止失靈保護(hù)誤動(dòng)，再次與發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作觸點(diǎn)串聯(lián)后才動(dòng)作于最后的出口跳閘。

由于技術(shù)人員對(duì)保護(hù)原理不清楚，在實(shí)際接線中，錯(cuò)誤地將 8LD3處與 8FD18直接短接，如圖3（b）所示虛線部分，導(dǎo)致斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)和斷路器位置判據(jù)被忽略，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作后就直接跳閘于發(fā)電機(jī)短路器失靈保護(hù)出口。

圖4 發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)接線圖

4 發(fā)電機(jī)斷路器失靈分析

4.1 問題的提出

以上事故中，查明發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)誤動(dòng)的原因是接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致電流判據(jù)不起作用。修改了錯(cuò)誤的接線后，保護(hù)原理與設(shè)計(jì)意圖相符合。而且在以后的幾次發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，失靈保護(hù)也沒有再動(dòng)作?？雌饋磉@個(gè)問題似乎已經(jīng)圓滿解決了，但是，從另一個(gè)角度來思考：如果在這次定子接地事故中，發(fā)電機(jī)斷路器拒動(dòng)了的話，發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)會(huì)正確動(dòng)作嗎？

4.2 定子接地時(shí)斷路器失靈分析

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過高阻接地變壓器接地，屬于小電流接地系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)機(jī)端一點(diǎn)金屬性接地時(shí)，接地一次電流理論值只有 18A，這次發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)故障錄波器實(shí)測(cè)的接地電流一次值為13A。而有關(guān)規(guī)程中[2-3]，對(duì)負(fù)序和零序過電流元件的整定計(jì)算原則沒有明確的規(guī)定。所以負(fù)序電流元件整定值按躲過發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的最大負(fù)序電流值考慮。零序電流元件的整定按躲過正常工況下的最大零序不平衡電流整定[6]，這樣整定計(jì)算的定值見表1。

表1 1號(hào)發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)整定值

可見，定子接地時(shí)的零序電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)的零序電流定值，而相電流也不會(huì)大于機(jī)組額定負(fù)荷電流，因此三相拒動(dòng)時(shí)不會(huì)起動(dòng)斷路器失靈保護(hù)。對(duì)于斷路器單相拒動(dòng)情況，如圖4，假設(shè)A相拒動(dòng)，由于B、C相已經(jīng)斷開，電流Ia將無法形成回路，負(fù)序電流判據(jù)也失去作用。只有斷路器概率極小的兩相拒動(dòng)的時(shí)候，才會(huì)有負(fù)序電流，而負(fù)序電流是否達(dá)到定值，還有待進(jìn)一步計(jì)算。如果負(fù)序電流小于定值，說明在發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許范圍內(nèi)，可以短時(shí)間運(yùn)行。

圖5 發(fā)電機(jī)變壓器主回路

這樣一來，如果發(fā)電機(jī)斷路器拒動(dòng)，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作后只能跳滅磁開關(guān)、關(guān)汽機(jī)主汽門。此時(shí)發(fā)電機(jī)斷路器仍然合閘，但發(fā)電機(jī)已無原動(dòng)力，處于逆功率狀態(tài)；因此斷路器失靈保護(hù)將無法起動(dòng)，上一級(jí)斷路器也無保護(hù)動(dòng)作，無法將故障發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)隔離，在手動(dòng)跳開上一級(jí)斷路器以前，只能任由事故發(fā)展。

4.3 其他發(fā)電機(jī)故障時(shí)分析斷路器失靈分析

不但定子接地時(shí)發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)不能起動(dòng)，還有其他的一些發(fā)電機(jī)故障也存在這樣的問題。這是因?yàn)槟壳鞍l(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)的原理，僅僅是從220kV以上變電站的斷路器失靈保護(hù)簡(jiǎn)單套用而來的。在我國(guó)，220kV以上系統(tǒng)屬于大電流接地系統(tǒng)，各種故障均有較大的故障電流。而發(fā)電機(jī)出口電壓一般在10～27kV，為了防止單相接地電流燒壞發(fā)電機(jī)定子鐵心，采用不接地、經(jīng)高阻接地，或經(jīng)消弧線圈接地，除了相間及三相短路故障外，其他發(fā)電機(jī)故障不會(huì)有很大的故障電流，與此同時(shí)，發(fā)電機(jī)相當(dāng)多的故障量反映在定子電壓的變化，甚至是轉(zhuǎn)子電壓、電流的變化。這些對(duì)發(fā)電機(jī)電流不一定有影響的故障量，自然不會(huì)滿足發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)中的電流判據(jù)。

表2是1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)配置表?？梢?，所謂的發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)，僅在發(fā)電機(jī)發(fā)生相間短路時(shí)，差動(dòng)保護(hù)、后備過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)能夠起動(dòng)。但發(fā)電機(jī)差動(dòng)、過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)候很少，而單相接地、勵(lì)磁故障、轉(zhuǎn)子故障、運(yùn)行異常等原因引起的跳機(jī)卻很多，占發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作的大部分。據(jù)1987年至于1991年全國(guó)100MW以上發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)資料[7]：發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作 442次，其中差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作 62次，僅為總的保護(hù)動(dòng)作次數(shù)14%。也即大部分的發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)斷路器失靈保護(hù)是不會(huì)起動(dòng)的。

表2 1號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)配置

而對(duì)于相間斷路故障，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)會(huì)瞬時(shí)動(dòng)作跳開斷路器。當(dāng)斷路器單相拒動(dòng)時(shí)，無論該相是不是故障相，由于其余兩相已經(jīng)斷開不會(huì)形成電流回路，該相都不會(huì)再有故障電流。失靈保護(hù)雖然在短路開始時(shí)已經(jīng)起動(dòng)，但差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后故障電流消失，失靈保護(hù)經(jīng)0.3s延時(shí)，又會(huì)返回，同樣不會(huì)出口。只有發(fā)生相間故障時(shí)三相拒動(dòng)和兩相拒動(dòng)情況下，斷路器失靈保護(hù)才會(huì)正確出口。

5 發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)整定及判據(jù)商榷

以上分析可見，發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)屬于小電流接地系統(tǒng)，本質(zhì)上有別于大電流接地系統(tǒng)的斷路器失靈保護(hù)。簡(jiǎn)單套用大電流接地系統(tǒng)的斷路器失靈保護(hù)，在小電流接地系統(tǒng)中能夠正確動(dòng)作的幾率是很低的。這個(gè)問題之所以沒有引起重視，是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)斷路器拒動(dòng)發(fā)生的概率很小。但是如果這種情況發(fā)生了，可能會(huì)引起嚴(yán)重后果。為了保證發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)正確動(dòng)作，筆者提出以下建議：

1）定值整定。發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)與高壓線路失靈保護(hù)有著本質(zhì)區(qū)別，其整定原則不能簡(jiǎn)單套用。對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)如果按照躲過發(fā)電機(jī)最大負(fù)荷電流、長(zhǎng)期運(yùn)行允許負(fù)序電流等原則整定，大多數(shù)情況下將會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)，因此建議判“有流”，當(dāng)保護(hù)跳閘而斷路器未分，且有流，即可起動(dòng)失靈出口。

2）增加判據(jù)。對(duì)于發(fā)電機(jī)保護(hù)中，凡是起動(dòng)斷路器失靈的保護(hù)，均應(yīng)增加相應(yīng)判據(jù)。比如定子接地，就要增加零序電壓起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)斷路器失靈判據(jù)，這樣才能保證不拒動(dòng)。華能玉環(huán)電廠采用 GE公司的 UR系列數(shù)字式保護(hù)繼電器，其發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)就增加了電壓保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，與電流判據(jù)組成或門出口[8]。但是，僅增加了電壓判據(jù)是不夠的，還需考慮轉(zhuǎn)子側(cè)的故障、勵(lì)磁變故障等判據(jù)，如何選擇判據(jù)全面反映發(fā)電機(jī)的各種故障，這個(gè)問題有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

對(duì)于發(fā)電機(jī)出口這樣的小電流接地系統(tǒng)，斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)與大電流接地系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，不能簡(jiǎn)單套用。發(fā)電機(jī)出口斷路器失靈保護(hù)如果僅設(shè)置電流判據(jù)是不完善的，大多數(shù)發(fā)電機(jī)故障時(shí)斷路器拒動(dòng)將不會(huì)起動(dòng)失靈保護(hù)。建議研究按照無流原則整定定值及增加電壓等判據(jù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)，以確保保護(hù)不拒動(dòng)。

[1] 國(guó)家電力公司發(fā)輸電運(yùn)營(yíng)部.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[Z].北京:中國(guó)電力出版社,2001.

[2] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T 14286—2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[3] 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì). DL/T 684—1999大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S].北京:中國(guó)電力出版社, 1999.

[4] 梁玉枝,張潔,王非,等.發(fā)變組非全相及失靈保護(hù)電流元件整定計(jì)算探討[J].華北電力技術(shù), 2007(2): 1-2.

[5] 兀鵬越,陳飛文,黃旭鵬,等. 1036MW機(jī)組注入式定子接地保護(hù)調(diào)試及動(dòng)作分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011,31(3): 88-89.

[6] 南京南瑞繼保電氣有限公司. RCS-985系列發(fā)電機(jī)變壓器成套保護(hù)裝置技術(shù)說明書[Z], 2001.

[7] 周玉蘭，李文毅. 1987年至1991年全國(guó)電網(wǎng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置運(yùn)行情況(二)[J].電網(wǎng)技術(shù),1993(6): 65-66

[8] 謝勇,翟大海,李傳波. GE發(fā)變組保護(hù)在華能玉環(huán)電廠的應(yīng)用[J].電力建設(shè), 2010, 31(4): 69-71.