章良健，陳建林，郝亮亮

（1.臺(tái)州發(fā)電廠(chǎng)，浙江 臺(tái)州 318016；2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

在220 kV 及以上大型發(fā)電機(jī)-變壓器組（簡(jiǎn)稱(chēng)“發(fā)變組”）并網(wǎng)過(guò)程中，斷路器兩側(cè)電壓隨待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間電動(dòng)勢(shì)的角度差改變而不斷變化，當(dāng)兩者的角差達(dá)180°時(shí)，斷路器兩側(cè)電壓最大，達(dá)兩倍額定電壓，此時(shí)斷口易發(fā)生閃絡(luò)[1-11]。斷路器發(fā)生擊穿后，無(wú)論是滅弧室內(nèi)部擊穿還是外絕緣表面閃絡(luò)引起，由于系統(tǒng)電壓的存在，故障電弧均不能自行熄滅，持續(xù)燃燒的電弧使滅弧室嚴(yán)重發(fā)熱，劣化SF6氣體，若故障未能及時(shí)切除，將引發(fā)斷路器爆炸等更嚴(yán)重的設(shè)備故障[12-15]。

目前220 kV 及以上大型發(fā)變組都配有閃絡(luò)保護(hù)，但該保護(hù)定值整定通常以斷口閃絡(luò)故障后負(fù)序電流不超過(guò)機(jī)組耐受水平為原則，未考慮閃絡(luò)故障對(duì)斷路器本身的影響，較長(zhǎng)的保護(hù)延時(shí)下也會(huì)出現(xiàn)故障電流到達(dá)波節(jié)位置保護(hù)返回的情況，難以對(duì)斷路器閃絡(luò)故障提供迅速有效的判斷[16]。以PCS-985 保護(hù)裝置為例： 閃絡(luò)保護(hù)取主變高壓側(cè)斷路器TA 電流，保護(hù)一般只考慮一相或兩相，不考慮三相閃絡(luò)。保護(hù)判據(jù)為：

（1）斷路器三相位置接點(diǎn)均為斷開(kāi)狀態(tài)。

（2）負(fù)序電流大于整定值。

（3）發(fā)電機(jī)已加勵(lì)磁，機(jī)端電壓大于一固定值。

斷路器閃絡(luò)保護(hù)一般第一時(shí)限動(dòng)作于滅磁，第二時(shí)限動(dòng)作于啟動(dòng)斷路器失靈[17]。

本文以近期某發(fā)電廠(chǎng)由于惡劣天氣造成的一起斷路器斷口閃絡(luò)故障為例，對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為與斷路器檢查情況進(jìn)行了分析，并根據(jù)故障原因提出防范措施。

1 發(fā)變組斷路器斷口閃絡(luò)故障

1.1 事故經(jīng)過(guò)

2019 年8 月10 日，9 號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江，中心附近最大風(fēng)力16 級(jí)，當(dāng)時(shí)某發(fā)電廠(chǎng)8號(hào)機(jī)組調(diào)頻調(diào)壓帶廠(chǎng)用電運(yùn)行，220 kV 斷路器熱備狀態(tài)。

2019-08-10 T 03：10，8 號(hào)主變220 kV 斷路器閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作，8 號(hào)機(jī)跳閘，8 號(hào)爐MFT。220 kV 副母差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。至就地檢查為8 號(hào)主變220 kV 斷路器B 相瓷瓶炸裂。8 號(hào)機(jī)為發(fā)變組單元接線(xiàn)方式，主變高壓側(cè)裝設(shè)有220 kV 的SF6斷路器，無(wú)發(fā)電機(jī)出口斷路器，故障位置如圖1所示。

圖1 8 號(hào)主變220 kV 主接線(xiàn)

1.2 保護(hù)動(dòng)作信息分析

根據(jù)8 號(hào)發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作信息（表1）可知： 0 ms 8 號(hào)發(fā)變組閃絡(luò)保護(hù)啟動(dòng)；151 ms 斷路器閃絡(luò)保護(hù)延遲出口，動(dòng)作于滅磁開(kāi)關(guān)；665 ms 主變失靈聯(lián)跳，啟動(dòng)斷路器失靈。

表1 發(fā)變組保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告

根據(jù)220 kV 母線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作信息（表2）可知：360 ms 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳Ⅱ母；368 ms 失靈跳母聯(lián)；568 ms，Ⅱ母失靈出口。

表2 母線(xiàn)保護(hù)整組動(dòng)作報(bào)告

分析網(wǎng)控故障錄波（圖2）及機(jī)組故障錄波（圖3），可知具體故障時(shí)序如下：

（1）0 ms，220 kV 副母B 相電壓132 kV 降至110 kV，進(jìn)入工頻穩(wěn)態(tài)，其余兩相正常運(yùn)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(shí)B 相電壓有效值亦跌至70 kV（0.55 p.u.），此時(shí)BC 兩相電壓同相位。

圖2 四期網(wǎng)控故障錄波

從8 號(hào)主變電流及同一母線(xiàn)上的線(xiàn)路電流亦可看出，故障時(shí)刻首先B 相出現(xiàn)故障電流，主變高壓側(cè)B 相電流有效值達(dá)到10 kA，此后該電流隨發(fā)變組高壓側(cè)電壓與系統(tǒng)母線(xiàn)電壓相角差變化而變化，呈現(xiàn)為工頻振蕩衰減，聯(lián)絡(luò)二線(xiàn)出現(xiàn)有效值10 kA 的零序電流；約360 ms 后主變BC 相出現(xiàn)故障電流，主變C 相出現(xiàn)一次有效值約為12 kA 的電流，50 ms 后母線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作，母線(xiàn)側(cè)BC相電流變?yōu)榱?，主變?cè)BC 相電流相位相差180°。

圖3 8 號(hào)機(jī)組故障錄波

從故障過(guò)程及波形的分析來(lái)看，初步斷定為： 2019-08-10 T 03：10：47 8 號(hào)主變斷路器B 相發(fā)生閃絡(luò)放電，8 號(hào)發(fā)變組閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作，并啟動(dòng)失靈。斷路器閃絡(luò)后，電弧持續(xù)燃燒，斷路器內(nèi)部SF6氣體嚴(yán)重劣化，內(nèi)部壓力不斷增大，造成B 相斷路器滅弧室爆炸，斷路器內(nèi)部SF6氣體與破碎瓷瓶碎片飛出，造成BC 相間短路，線(xiàn)路電流激增，220 kV 副母差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)所在母線(xiàn)所有斷路器。同時(shí)B 相開(kāi)關(guān)TA 側(cè)導(dǎo)線(xiàn)掉至地面（圖4）。220 kV 副母失電，8 號(hào)發(fā)電機(jī)停機(jī)。

圖4 8 號(hào)主變B 相斷路器炸裂

1.3 故障開(kāi)關(guān)的檢查情況

故障發(fā)生后，對(duì)斷路器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查。發(fā)現(xiàn)8 號(hào)主變B 相斷路器內(nèi)部，無(wú)任何電弧灼傷現(xiàn)象，且觸頭無(wú)明顯放電痕跡（圖5）。收集現(xiàn)場(chǎng)炸裂后斷路器瓷瓶碎片，發(fā)現(xiàn)斷路器瓷瓶外表面有明顯的放電痕跡（圖6）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可排除由于斷路器內(nèi)部由于過(guò)電壓引起的絕緣擊穿，從而發(fā)生斷路器內(nèi)部閃絡(luò)的可能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障情況，故障點(diǎn)在8 號(hào)主變斷路器位置，如圖6 所示。故障斷路器位于CT 與母線(xiàn)間，BC 相短路故障后，母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確。因斷路器在分位有電流，8 號(hào)發(fā)變組閃絡(luò)保護(hù)出口并啟動(dòng)母線(xiàn)失靈，保護(hù)正確動(dòng)作。

2 保護(hù)動(dòng)作原因分析

通過(guò)對(duì)閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作信息與斷路器檢查情況的分析，可以對(duì)故障做進(jìn)一步判斷。根據(jù)錄波波形（圖7），故障時(shí)刻發(fā)電機(jī)電壓超前母線(xiàn)電壓210°，因主變接線(xiàn)方式為Y/Δ-11 接線(xiàn)，斷路器兩側(cè)電壓相位差為180°，斷路器斷口兩端承受2倍額定電壓運(yùn)行，一旦斷路器絕緣存在薄弱環(huán)節(jié)，就容易發(fā)生斷口閃絡(luò)，進(jìn)而引發(fā)后續(xù)故障，如圖8 所示。

根據(jù)故障現(xiàn)場(chǎng)可排除8 號(hào)主變B 相斷路器內(nèi)部擊穿閃絡(luò)故障。且事故發(fā)生時(shí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸，伴隨長(zhǎng)時(shí)間大風(fēng)、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(dāng)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(fā)生沿面放電，導(dǎo)致8 號(hào)發(fā)變組閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作[18]。長(zhǎng)時(shí)間的閃絡(luò)電流使滅弧室嚴(yán)重發(fā)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(kuò)大導(dǎo)致母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖7 斷路器兩側(cè)電壓波形

圖8 故障時(shí)刻斷路器兩側(cè)電壓相位

3 斷口閃絡(luò)保護(hù)配置方式的探討

8 號(hào)主變斷路器發(fā)生閃絡(luò)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)配置定值設(shè)置，保護(hù)正常動(dòng)作時(shí)序如下：

（1）保護(hù)啟動(dòng)延時(shí)0.15 s 動(dòng)作出口，同時(shí)啟動(dòng)失靈。

（2）母線(xiàn)保護(hù)收到失靈開(kāi)入再延時(shí)0.2 s（即0.35 s）跳母聯(lián)。

（3）延時(shí)0.4 s（即0.55 s）跳母線(xiàn)。

從表2 可以看出，差動(dòng)保護(hù)在360 ms 時(shí)BC短路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，即在閃絡(luò)發(fā)生后360 ms 內(nèi)斷路器已炸裂，保護(hù)正確動(dòng)作但設(shè)備已損壞。

3.1 方案一： 閃絡(luò)保護(hù)出口方式的改進(jìn)

220 kV 斷路器斷口發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，瞬時(shí)出口并切除勵(lì)磁，降低發(fā)電機(jī)電壓和斷口電壓。表3為自并勵(lì)機(jī)組發(fā)電機(jī)空載時(shí)分磁場(chǎng)斷路器后發(fā)電機(jī)電壓下降趨勢(shì)。如果采用瞬時(shí)跳發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)斷路器，發(fā)電機(jī)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(lì)機(jī)組發(fā)電機(jī)空載時(shí)切除勵(lì)磁后發(fā)電機(jī)電壓下降趨勢(shì)

3.2 方案二： 增設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器

考慮發(fā)電機(jī)勵(lì)磁切除后，發(fā)電機(jī)電壓下降過(guò)程不理想，如加裝發(fā)電機(jī)出口斷路器，則根據(jù)現(xiàn)有定值設(shè)置在0.15 s 跳發(fā)電機(jī)出口斷路器，可有效降低斷路器兩側(cè)電壓，及時(shí)切除故障，避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.3 方案三： 改變機(jī)組運(yùn)行方式

在機(jī)組調(diào)頻調(diào)壓帶廠(chǎng)用電運(yùn)行時(shí)，將220 kV斷路器改為冷備（即拉開(kāi)正、副母隔離開(kāi)關(guān)），在220 kV 斷路器改為熱備狀態(tài)下，應(yīng)盡量縮短發(fā)變組帶額定電壓運(yùn)行時(shí)間，以免220 kV 斷路器長(zhǎng)期承受2 倍額定電壓，從而發(fā)生斷路器閃絡(luò)事故。

3.4 方案四： 改進(jìn)閃絡(luò)保護(hù)整定

根據(jù)現(xiàn)有各保護(hù)裝置的斷路器閃絡(luò)保護(hù)設(shè)置，220 kV 斷路器斷口發(fā)生閃絡(luò)后，一般保護(hù)動(dòng)作需要0.6 s（考慮斷路器跳閘時(shí)間50 ms）才可切除故障： 閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作后0.15 s 出口，0.35 s 跳母聯(lián)，0.55 s 跳母線(xiàn)。建議閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)由0.15 s 縮短為0.1 s，0.1 s 可躲過(guò)正常斷路器操作三相不一致時(shí)間；閃絡(luò)保護(hù)啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)0.2 s 跳母聯(lián)和0.4 s 跳母線(xiàn)的時(shí)間修改為0.2 s同時(shí)跳母聯(lián)和母線(xiàn)。修改后閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作故障總切除時(shí)間為0.3 s。

4 結(jié)論

綜上所述，方案一故障切除時(shí)間較長(zhǎng)，方案二可有效切除故障，但需要增設(shè)斷路器，投資較大。方案三縮短不正常運(yùn)行時(shí)間，但不能完全避免故障的發(fā)生。通過(guò)對(duì)本次220 kV 發(fā)變組斷路器斷口閃絡(luò)故障的分析表明，斷路器在發(fā)生閃絡(luò)后僅360 ms 即發(fā)生斷路器炸裂故障。方案四0.3 s切除故障，滿(mǎn)足保護(hù)相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)，保護(hù)靈敏度不變，切除故障時(shí)間縮短，從而降低斷路器設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障的可能性，保證發(fā)電機(jī)及斷路器設(shè)備的安全，可以為同類(lèi)型發(fā)變組的保護(hù)配置提供參考。