沈杰

110 kV電網(wǎng)系統(tǒng)故障對(duì)發(fā)電機(jī)組影響分析

沈杰

（寶山鋼鐵股份有限公司電廠，上海200941）

在一起寶鋼新寶變110 kV電網(wǎng)故障中，寶鋼電廠3臺(tái)發(fā)電機(jī)組受到不同程度的影響。依據(jù)發(fā)電機(jī)組設(shè)備動(dòng)作和報(bào)警情況，結(jié)合故障波形，計(jì)算說(shuō)明寶鋼電廠0#、3#、4#發(fā)電機(jī)組電氣量的變化，深入分析了繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作的原因，得出了結(jié)論，為設(shè)備管理提出了建議。

故障；電壓；電流；繼電保護(hù)

1 前言

寶鋼電廠0#發(fā)電機(jī)組額定容量為150 MW，3#、4#發(fā)電機(jī)組額定容量均為350 MW，3臺(tái)機(jī)組電氣主接線均采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線制方式，發(fā)電機(jī)經(jīng)主變壓器升壓后通過(guò)110 kV電纜接入寶鋼新寶變110 kV母線系統(tǒng)；各機(jī)組廠用電均由發(fā)電機(jī)出線端支接的高壓廠用變壓器供電給6.3 kV廠用工作負(fù)荷。因此新寶變110 kV系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將直接影響3臺(tái)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。分析研究新寶變110 kV系統(tǒng)故障后電廠機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行及保護(hù)動(dòng)作情況，對(duì)于提高發(fā)電機(jī)組的抗風(fēng)險(xiǎn)能力具有十分重要的意義。

現(xiàn)以一起新寶變110 kV電網(wǎng)故障為例，對(duì)發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)及有關(guān)設(shè)備動(dòng)作情況作深入分析，為設(shè)備管理提出對(duì)策。

2 事件經(jīng)過(guò)

2010年12月16日19：54：04，寶鋼新寶變110 kV電網(wǎng)中，1580熱軋2#、3#主變發(fā)生單相接地及相間短路故障，并突發(fā)火災(zāi)，110 kV系統(tǒng)電壓跌落96%（持續(xù)時(shí)間100 ms），受此影響，寶鋼股份大院內(nèi)煉鐵、煉鋼、冷軋、硅鋼，鋼管事業(yè)部的多條產(chǎn)線跳電停機(jī)，電廠0#、3#、4#機(jī)組也造成了不同程度的影響，故障時(shí)各機(jī)組主要報(bào)警信息及設(shè)備動(dòng)作情況如下：

0#機(jī)組發(fā)出“DC110 V充電器A故障”、“DC110 V充電器B故障”、“DC220 V充電器A故障”、“UPS逆變器盤報(bào)警”、“DCS報(bào)警站1.23報(bào)警”、“發(fā)動(dòng)機(jī)電壓不平衡60.2報(bào)警”、“低電壓27報(bào)警”等報(bào)警，瞬時(shí)復(fù)歸，機(jī)組運(yùn)行正常。

3#機(jī)組發(fā)出“發(fā)電機(jī)電流高”、“勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓高”、“發(fā)電機(jī)電流差值大”報(bào)警，瞬時(shí)復(fù)歸；3#機(jī)組3A/3B控制氣泵、3A雜用氣泵、3#機(jī)消防水穩(wěn)壓泵，3C工業(yè)水泵，3A脈沖氣泵，3A灰用氣泵，3C放灰風(fēng)機(jī)，3B灰處理排水泵，3#粗中轉(zhuǎn)灰?guī)炫艢怙L(fēng)扇等脫扣，干渣回收系統(tǒng)全部停止。

4#機(jī)組發(fā)生“4#機(jī)組保護(hù)A柜動(dòng)作”、“4#機(jī)組保護(hù)B柜動(dòng)作”、“4#機(jī)組保護(hù)E柜動(dòng)作”報(bào)警，發(fā)電機(jī)解列，汽機(jī)脫扣，由于FCB不成功，鍋爐MFT停爐。

對(duì)4#機(jī)進(jìn)一步檢查后，發(fā)現(xiàn)發(fā)變組系統(tǒng)保護(hù)盤（A/B柜）發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)51指示燈亮，新寶變側(cè)的4#主變饋線保護(hù)盤（E柜）主變阻抗保護(hù)動(dòng)作指示燈亮，保護(hù)裝置內(nèi)部跳閘事件量記錄中有主變阻抗保護(hù)(保護(hù)方向指向能中側(cè))動(dòng)作的記錄，即有“Dis.Pick up L12 ON”、“Dis.Loop L1-2 F ON”、“Dis.Trip 3P ON”等，由此可確認(rèn)本次4#機(jī)組解列是由發(fā)變組后備保護(hù)主變阻抗保護(hù)引起。

3 故障時(shí)的電氣量分析

1580熱軋2#、3#110 kV主變均由新寶變110 kV母線供電，這兩臺(tái)主變110 kV電纜箱幾乎同時(shí)發(fā)生單相接地及相間短路故障，引起新寶變110 kV系統(tǒng)電壓跌落96%，故障持續(xù)時(shí)間100 ms，必然對(duì)接入新寶變110 kV母線系統(tǒng)的電廠0#、3#、4#機(jī)組造成一定的影響。故障后，電廠檢查了0#、3#、4#機(jī)組故障錄波器，均發(fā)現(xiàn)新寶變110 kV側(cè)母線電壓大幅降低，0#、3#、4#主變110 kV側(cè)電流大幅增大，引起發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓大幅降低，發(fā)電機(jī)電流大幅增大。為便于分析，以下列舉4#機(jī)組故障錄器記錄的故障時(shí)電氣量波形圖進(jìn)行說(shuō)明。

圖1為主變高壓側(cè)電壓波形（即新寶變110 kV母線電壓波形），從上到下分別為A、B、C各相電壓。從圖中可以看出，故障前，各相電壓波形正常（相電壓最大值約100 kV)；故障時(shí)，首先發(fā)生A相接地，A相電壓下降為0，B相和C相電壓升高；然后出現(xiàn)B相接地故障，B相電壓下降為0，從而引發(fā)110 kV系統(tǒng)A－B相短路。整個(gè)故障時(shí)持續(xù)時(shí)間100 ms后，保護(hù)動(dòng)作，故障被接切除，各相電壓恢復(fù)正常。

圖1主變高壓側(cè)電壓波形（新寶變110 kV母線電壓波形）

圖2 為4#機(jī)發(fā)電機(jī)定子電壓波形，從上到下分別為A、B、C各相電壓。從圖中可以看出，故障前，各相電壓波形正常（相電壓最大值約16 kV)；故障時(shí)，發(fā)電機(jī)各相電壓出現(xiàn)不同程度的下跌，A相電壓下跌約60%，B、C相電壓下跌約20%。由于主變壓器采用星-三角接線方式及阻抗的關(guān)系，使得發(fā)電機(jī)定子電壓下跌程度有所減弱。

圖3為4#機(jī)發(fā)電機(jī)定子電流波形，從上到下分別為A、B、C各相電流。發(fā)電機(jī)額定電流為11893 A。從圖中可以看出，故障前發(fā)電機(jī)定子電流約為額定電流的0.88倍，故障時(shí)A相電流達(dá)到額定值的2.4倍左右，C相電流達(dá)到額定值的2.0倍左右。120 ms時(shí)，4#主變110 kV開(kāi)關(guān)跳閘，A、B、C各相電流降為0。

圖2 4#機(jī)發(fā)電機(jī)定子電壓波形

圖3 4#機(jī)發(fā)電機(jī)定子電流波形

4 受影響原因分析

4.1 0#機(jī)組受影響原因分析

參照?qǐng)D2電壓波形分析可知，故障時(shí)0#機(jī)組400 V母線最大下跌電壓超過(guò)60%，發(fā)生的有關(guān)直流充電器故障報(bào)警、UPS逆變器盤報(bào)警、報(bào)警站1.23等報(bào)警信號(hào)均是由于輸入的400 V母線電源電壓下跌引起；110 kV母線PT二次側(cè)電壓與發(fā)電機(jī)PT二次側(cè)電壓相差達(dá)到40%（設(shè)定值為20%），電壓不平衡保護(hù)60.2發(fā)出報(bào)警；發(fā)電機(jī)電壓嚴(yán)重降低下跌60%，低于低電壓報(bào)警設(shè)定值，則低電壓保護(hù)27發(fā)出報(bào)警。上述報(bào)警信號(hào)均動(dòng)作正確，瞬時(shí)復(fù)歸。

4.2 3#機(jī)組受影響原因分析

4.2.1 3#機(jī)組報(bào)警信號(hào)

參照?qǐng)D3發(fā)電機(jī)電流波形，故障時(shí)發(fā)電機(jī)A、C相電流瞬時(shí)急增，大于2倍的額定電流，AVR發(fā)出了“發(fā)電機(jī)電流高”的信號(hào)，同時(shí)為維持發(fā)電機(jī)電壓，AVR自動(dòng)增加了發(fā)電勵(lì)磁，發(fā)出了“勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓高”的信號(hào)；同時(shí)由于發(fā)電機(jī)三相電流不平衡，AVR裝置也發(fā)出了發(fā)電機(jī)相間電流差值大的報(bào)警，上述報(bào)警信號(hào)均動(dòng)作正確，瞬時(shí)復(fù)歸。

4.2.2 公用母線上輔機(jī)跳閘

3#機(jī)組正常運(yùn)行中，公用負(fù)載（3A/3B控制氣泵、3A雜用氣泵、3#機(jī)消防水穩(wěn)壓泵，3C工業(yè)水泵、3A脈沖氣泵、3A灰用氣泵、3C放灰風(fēng)機(jī)、3B灰處理排水泵、3#粗中轉(zhuǎn)灰?guī)炫艢怙L(fēng)扇）的電源，設(shè)計(jì)上由電廠3#機(jī)組起動(dòng)變壓器供電系統(tǒng)供電，而該起動(dòng)變壓器是由新寶變110 kV母線供電。110 kV系統(tǒng)故障引起了上述公用負(fù)載因主回路接觸器勵(lì)磁電壓失去而跳閘。

4.3 4#機(jī)組受影響原因分析

4#機(jī)組發(fā)生“4#機(jī)組保護(hù)A柜動(dòng)作”、“4#機(jī)組保護(hù)B柜動(dòng)作”、“4#機(jī)組保護(hù)E柜動(dòng)作”報(bào)警，發(fā)電機(jī)解列，汽機(jī)脫扣。

4.3.1 保護(hù)A柜/B柜動(dòng)作分析

從上述圖3發(fā)電機(jī)電流波形分析可知，故障時(shí)4#發(fā)電機(jī)A相電流達(dá)到額定值的2.4倍左右，C相電流達(dá)到額定值的2.0倍左右。發(fā)電機(jī)反時(shí)限電流保護(hù)（51）整定值為1.05倍額定電流，保護(hù)A/B柜的發(fā)電機(jī)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)51指示燈亮，但是過(guò)電流時(shí)間未達(dá)到整定值（查閱調(diào)試報(bào)告，2.0倍整定電流電流時(shí)實(shí)測(cè)動(dòng)作時(shí)間為10.6 s），所以未發(fā)開(kāi)關(guān)跳閘指令，裝置內(nèi)部無(wú)跳閘事件量記錄。

4.3.2 保護(hù)E柜動(dòng)作跳機(jī)分析

保護(hù)E柜配有4#主變阻抗保護(hù)，保護(hù)分為兩段，其中一段保護(hù)方向指向電廠主變側(cè)，作為電廠主變及110 kV電纜相間短路的后備保護(hù)；另一段保護(hù)方向指向新寶變，用作4#機(jī)組區(qū)外故障的遠(yuǎn)后備保護(hù)，即當(dāng)能中新寶變220 kV變壓器短路故障或110 kV母線饋線短路故障時(shí)，首先由新寶變相應(yīng)設(shè)備的主保護(hù)動(dòng)作，若該主保護(hù)拒絕動(dòng)作，則由新寶變相應(yīng)的后備保護(hù)動(dòng)作，將故障切除，若新寶變相應(yīng)的后備保護(hù)拒絕動(dòng)作，再由電廠主變阻抗保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，將發(fā)電機(jī)從故障系統(tǒng)中解列。

本次故障后從4#機(jī)組保護(hù)E柜檢查中發(fā)現(xiàn)，指向新寶變方向的主變阻抗保護(hù)44MT動(dòng)作整定時(shí)間在裝置中實(shí)際設(shè)定為0 s，而保護(hù)整定書(shū)要求設(shè)定動(dòng)作延時(shí)為2 s。即保護(hù)裝置實(shí)際設(shè)定為0 s動(dòng)作，沒(méi)有按照遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)2 s的要求來(lái)設(shè)定。因此，在本次新寶變110 kV母線饋線發(fā)生相間短路故障時(shí)，指向新寶變方向的測(cè)量阻抗接近于0，滿足小于整定阻抗的要求，保護(hù)0 s動(dòng)作，即時(shí)間設(shè)定的錯(cuò)誤導(dǎo)致了該主變阻抗保護(hù)沒(méi)經(jīng)2 s延時(shí)就提前動(dòng)作，引起機(jī)組跳閘，汽機(jī)脫扣。

主變阻抗保護(hù)0 s動(dòng)作跳閘時(shí)，就發(fā)出了“4#機(jī)組保護(hù)E柜動(dòng)作”的報(bào)警信號(hào)，同時(shí)汽機(jī)脫扣后，又將動(dòng)作信號(hào)發(fā)給保護(hù)A柜和B柜，于是A柜和B柜保護(hù)出口也動(dòng)作，發(fā)出“4#機(jī)組保護(hù)A柜動(dòng)作”和“4#機(jī)組保護(hù)B柜動(dòng)作”的報(bào)警信號(hào)。進(jìn)一步檢查確認(rèn)，該保護(hù)從2008年新機(jī)組投入正常運(yùn)行后，尚未進(jìn)行過(guò)校驗(yàn)核查，保護(hù)裝置內(nèi)動(dòng)作時(shí)間放置0 s的原因，可能是在設(shè)備安裝調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試人員進(jìn)行特性試驗(yàn)時(shí)臨時(shí)改變時(shí)間設(shè)定值，但校驗(yàn)完畢后忘記將時(shí)間設(shè)定值按整定書(shū)要求恢復(fù)原值。

4.4 各機(jī)組間受影響差異的說(shuō)明

由前述電壓下跌的分析可知，故障時(shí)0#、3#、4#機(jī)組發(fā)電機(jī)的電壓、6 kV和400 V廠用電系統(tǒng)都出現(xiàn)了不同程度的瞬時(shí)電壓下跌，發(fā)電機(jī)電流也出現(xiàn)瞬時(shí)急增，對(duì)機(jī)組部分電氣設(shè)備產(chǎn)生了影響。由于故障持續(xù)時(shí)間極短（100 ms），其電壓電流的變化是個(gè)三相不對(duì)稱的暫態(tài)過(guò)程，各機(jī)組設(shè)計(jì)上有差異，設(shè)備動(dòng)態(tài)性能也不盡相同，所以各機(jī)組間受到的影響就有差異。

5 結(jié)論

5.1 本次故障中0#、3#機(jī)組的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置等設(shè)備正確動(dòng)作，由于110 kV系統(tǒng)主保護(hù)正確動(dòng)作及時(shí)切除了故障，所以0#、3#機(jī)組保持了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.2 本次故障中，主要暴露了4#機(jī)組誤跳機(jī)的問(wèn)題。在4#機(jī)組繼電保護(hù)安裝調(diào)試時(shí)，保護(hù)整定值清單由電廠提供，但是調(diào)試由制造廠和調(diào)試方負(fù)責(zé)，所以本次裝置設(shè)定錯(cuò)誤是由制造廠和調(diào)試方引起。由于本保護(hù)時(shí)間設(shè)定錯(cuò)誤，對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行無(wú)影響，而且在電氣常規(guī)的開(kāi)路、短路試驗(yàn)時(shí)，也無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證，所以較難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

根據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 995-2006繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置檢驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，新安裝的繼電保護(hù)裝置投運(yùn)一年內(nèi)，必須進(jìn)行第一次全部檢驗(yàn)。4#機(jī)組在2010年2月時(shí)實(shí)施了首次B級(jí)檢修，在設(shè)備的檢修項(xiàng)目書(shū)中也安排了發(fā)變組保護(hù)的檢驗(yàn)項(xiàng)目，但是檢修單位未按要求實(shí)施檢修，在檢修文件包的“檢修異常信息備忘”中明確反饋“本次檢修因時(shí)間關(guān)系，新寶變保護(hù)E柜未涉及”，由此錯(cuò)過(guò)了一次改正錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。

6 防范措施

（1）應(yīng)對(duì)4#機(jī)組所有的繼電保護(hù)裝置檢修情況進(jìn)行全面梳理，核查保護(hù)整定值清單和實(shí)際設(shè)定值，對(duì)存在的問(wèn)題及時(shí)整改。

（2）設(shè)備管理方應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行繼電保護(hù)有關(guān)技術(shù)規(guī)程，切不可有僥幸心理，特別是對(duì)新建項(xiàng)目或改造項(xiàng)目，投運(yùn)一年內(nèi)，必須進(jìn)行第一次全部檢驗(yàn)。

（3）3#機(jī)組公用母線供電的兩臺(tái)控制氣泵在故障中均跳閘，建議將其中一臺(tái)控制氣泵電源改接至機(jī)組廠高變供電的廠用電源母線，避免110 kV系統(tǒng)故障時(shí)引起兩臺(tái)控制氣泵同時(shí)跳閘，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。

Analysis of the Effect of Faults in 110 kV Grid System on the Power Generating Unit

SHEN Jie
(Power Plant of Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China)

In a malfunction fault in BaoSteel Xinbao’s transformer substation 110 kV grid,three generating units in Baosteel Power Plant were affected more or less.Based on equipment actions and alarms and in light of the recorded fault waves,the electrical variables in the three units were calculated and explained.The cause of relay protection and actions of the automatic device were analyzed in depth,conclusion was drawn and recommendations were provided.

fault;voltage;current;relay protection

TM 774

B

1006-6764(2015)09-0006-05

2015－05－12

沈杰（1966－），男，1990年畢業(yè)于清華大學(xué)，在職工程碩士，高級(jí)工程師，電氣主任工程師，現(xiàn)從事發(fā)電廠電氣專業(yè)工作。