沈文英,吳建軍,繆進(jìn)進(jìn),李子武,葉 強(qiáng)
(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 210000)
國內(nèi)現(xiàn)有單元接線的大型機(jī)組絕大部分用主變高壓側(cè)斷路器進(jìn)行并網(wǎng)與解列,斷路器容易發(fā)生閃絡(luò)故障,閃絡(luò)保護(hù)如果不能及時動作,幾乎百分之百導(dǎo)致斷路器爆炸,甚至事故擴(kuò)大,發(fā)展成母線短路以及主設(shè)備損壞等事故[1-10]。造成斷路器閃絡(luò)原因較多,有新安裝設(shè)備本身帶有缺欠[11-12],或運(yùn)行中受到區(qū)外短路故障沖擊導(dǎo)致斷路器本身絕緣性能下降。雖然減少線路永久性故障對斷路器的沖擊取得一定成效[13-18],增加斷路器運(yùn)行前的缺陷檢測手段,降低開關(guān)閃絡(luò)概率有一定幫助[19-22],但還是避免不了斷路器閃絡(luò)事故的發(fā)生。
近年來,斷路器閃絡(luò)故障導(dǎo)致事故擴(kuò)大化是繼電保護(hù)整定人員對發(fā)生閃絡(luò)特點(diǎn)和危害認(rèn)識不足而定值整定計(jì)算過于理想化造成的[23-26]。本文通過案例分析斷路器閃絡(luò)的特點(diǎn),閃絡(luò)電流的振蕩過程是導(dǎo)致閃絡(luò)保護(hù)不能正確動作的主要原因,同時提出完善閃絡(luò)保護(hù)的判據(jù)和改進(jìn)斷路器失靈保護(hù)判據(jù)。這種雙管齊下方案,才能達(dá)到斷路器閃絡(luò)故障時減小事故擴(kuò)大化的效果。
下面通過兩個閃絡(luò)保護(hù)不正確動作典型案例分析,認(rèn)識斷路器閃絡(luò)特點(diǎn)。
事故分析
甲火電廠1號機(jī)單元接線,機(jī)端無斷路器,主變高壓側(cè)3/2主接線。該機(jī)組準(zhǔn)備并網(wǎng)時5021斷路器C相發(fā)生閃絡(luò),失靈保護(hù)沒有動作,導(dǎo)致B 相斷路器爆炸,又引起母線短路,保護(hù)相關(guān)定值如表1。
表1 保護(hù)相關(guān)定值Table 1 Protection settings
閃絡(luò)保護(hù)動作邏輯為(相電流元件+負(fù)序電流元件)&斷路器位置接點(diǎn),相電流元件和斷路器位置接點(diǎn)按相配置。該機(jī)啟動并網(wǎng)過程中主變高壓側(cè)邊斷路器B相發(fā)生閃絡(luò)。以閃絡(luò)開始發(fā)生時,相對時間是0 ms,保護(hù)動作時序如下:410 ms,閃絡(luò)保護(hù)動作起失靈,持續(xù)10.1 ms。420.1 ms,閃絡(luò)電流減小到0.44 A(二次值),閃絡(luò)保護(hù)隨后返回。518 ms 后閃絡(luò)電流再次增大到0.454 A,閃絡(luò)保護(hù)此時再次起動,977 ms斷路器保護(hù)收到閃絡(luò)保護(hù)開入。1 256.4 ms閃絡(luò)電流再次降到0.45 A以下(二次值),閃絡(luò)保護(hù)隨后返回,到1 360.9 ms,閃絡(luò)電流又增大到0.454 A,閃絡(luò)保護(hù)再次動作,經(jīng)456.1 ms延時,到1817 ms,5021斷路器保護(hù)又收到閃絡(luò)保護(hù)動作開入,1 921.4 ms閃絡(luò)電流再次降到0.45 A,閃絡(luò)保護(hù)又返回。閃絡(luò)保護(hù)不停動作與返回,起動失靈時間到不了失靈保護(hù)時間,失靈保護(hù)沒有動作。閃絡(luò)發(fā)生后4 555 ms,B相斷路器垂直絕緣子支柱頂端由于閃絡(luò)高位發(fā)生爆裂,電弧吹至B相斷路器母線側(cè)均壓環(huán),造成BC相間短路,500 kV 1號母線保護(hù)一、二隨后動作切除500 kV 1號母線,至此完全切除故障。
如圖1 所示是主開關(guān)B 相閃絡(luò)時電流錄波,閃絡(luò)時機(jī)組與系統(tǒng)之間發(fā)生了振蕩,電流周期性大小變化,導(dǎo)致保護(hù)的不斷動作與返回,無法起動失靈保護(hù)導(dǎo)致事故擴(kuò)大。
圖1 550 kV斷路器B相閃絡(luò)時電流錄波Fig.1 Current waveform of phase-B flashover fault of 500 kV circuit breaker
表2數(shù)據(jù)是閃絡(luò)初始時刻第一故障周期電壓電流變化特征,系統(tǒng)A相電壓是3/2接線的母線電壓,因11點(diǎn)接線的原因,機(jī)端電壓滯后系統(tǒng)電壓150°,對應(yīng)的斷路器兩端電壓是180°角差,斷路器斷口承受約2 倍額定電壓。
從表2 可以得到以下重要信息,閃絡(luò)發(fā)生時刻機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓160°角,變化的機(jī)端電壓相角剛過150°,閃絡(luò)電流達(dá)到3.86 A(TA 二次額定電流為1 A)。隨著機(jī)端電壓角度增大,電流減小,到481 ms時,機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓328°角(斷口兩側(cè)約0°角差),這時閃絡(luò)電流到達(dá)最小值0.29 A,接著閃絡(luò)電流增大,進(jìn)入下一個振蕩周期。
表2 閃絡(luò)第一個故障周期錄波數(shù)據(jù)Table 2 The first fault period waveform of flashover fault
乙火電廠1號機(jī)單元接線,機(jī)端無斷路器,主變高壓側(cè)雙母主接線。發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列后,經(jīng)過大約9 s主變高壓側(cè)A 相斷路器發(fā)生了閃絡(luò),失靈保護(hù)動作較晚最終導(dǎo)致主變高壓側(cè)A相斷路器發(fā)生了爆炸。保護(hù)相關(guān)定值如表3。
表3 保護(hù)相關(guān)定值Table 3 Protection settings
保護(hù)動作時序如下:以閃絡(luò)開始發(fā)生時相對時間是0 ms,504 ms 閃絡(luò)保護(hù)第一次動作,出口跳滅磁開關(guān)、關(guān)主氣門和起動失靈。隨后發(fā)電機(jī)組和系統(tǒng)發(fā)生了振蕩,隨著電流的減小,543 ms 閃絡(luò)保護(hù)返回,失靈起動接點(diǎn)只動作了約40 ms,根本不可能起動0.6 s 的失靈保護(hù)。604 ms 失靈再次起動,1 108 ms 閃絡(luò)保護(hù)第二次動作同時起動失靈,1 710 ms 后失靈保護(hù)動作跳開母線相鄰斷路器。但此時斷路器已經(jīng)發(fā)展成接地故障,主變高壓側(cè)電流因慢速滅磁仍然提供短路電流3 354 ms,開關(guān)爆炸事故結(jié)束。
如圖2 所示是主開關(guān)A 相閃絡(luò)時電流錄波,閃絡(luò)時機(jī)組與系統(tǒng)之間發(fā)生了振蕩,導(dǎo)致保護(hù)的動作后返回?zé)o法及時起動失靈保護(hù)。閃絡(luò)電流再次增大時,閃絡(luò)保護(hù)動作,起動失靈保護(hù)切除相鄰斷路器,但是斷路器發(fā)展成接地故障,仍然有短路電流,導(dǎo)致事故擴(kuò)大。
圖2 220 kV斷路器A相閃絡(luò)時電流錄波Fig.2 Current waveform of phase-A flashover fault of 220 kV circuit breaker
表4 數(shù)據(jù)是閃絡(luò)初始時刻電壓電流變化特征,系統(tǒng)B 相電壓母線電壓,因11 點(diǎn)接線的原因,機(jī)端電壓滯后系統(tǒng)電壓150°,斷路器兩端電壓是180°角差,斷路器斷口承受約2倍額定電壓。
從表4 可以得到以下重要信息:閃絡(luò)發(fā)生時刻機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓159°,變化的機(jī)端電壓相角剛過150°,閃絡(luò)電流達(dá)到23.5 A(二次額定定電流5 A)。隨著機(jī)端電壓角度增大閃絡(luò)電流減小,到481 ms 時,機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓327°(斷口兩側(cè)約0°角差),這時閃絡(luò)電流到達(dá)最小值1.3 A。接著閃絡(luò)電流增大,進(jìn)入下一個振蕩周期。
表4 閃絡(luò)第一個故障周期錄波數(shù)據(jù)Table 4 The first fault period waveform of flashover fault
從以上案例可以得出以下結(jié)論:
1)不論是220 kV 還是500 kV 斷路器,在斷路器兩側(cè)的壓差180°角差附近,斷路器斷口承受約2 倍額定電壓,斷路器若有絕緣薄弱點(diǎn),容易發(fā)生閃絡(luò)。初始閃絡(luò)電流都很大,實(shí)際類似于同期電壓接反的非同期合閘,但是比非同期合閘危害大得多。閃絡(luò)電弧在斷路器滅弧室內(nèi)持續(xù)燃燒,斷路器滅弧按短時設(shè)計(jì)的,不及時切除閃絡(luò)電流,容易發(fā)生爆炸事故。
2)閃絡(luò)時發(fā)生振蕩,閃絡(luò)開始時從較大電流變?。ú粫男∽兇螅?,到最小電流前若閃絡(luò)保護(hù)返回,則起動失靈接點(diǎn)返回。正是因?yàn)槠饎邮ъ`接點(diǎn)返回,失靈保護(hù)無法動作,是導(dǎo)致閃絡(luò)故障切除慢或切除不了的主要因素。
斷路器閃絡(luò)時會發(fā)生振蕩,是因?yàn)椴⒕W(wǎng)前機(jī)組頻率與系統(tǒng)頻率有頻差,斷路器斷口擊穿后必然發(fā)生振蕩,一般頻差按1 Hz考慮,振蕩周期大約1 s[27],第一個故障周期是振蕩的半個周期,大約0.5 s。從多起閃絡(luò)故障來看,第一個故障周期大都在400~500 ms。
3)閃絡(luò)發(fā)生后一段時間內(nèi)只是縱向閃絡(luò)電流,不會引起斷路器兩側(cè)相鄰元件主保護(hù)動作,若發(fā)展成橫向的接地故障,即使閃絡(luò)斷路器相鄰主保護(hù)動作切除相鄰斷路器,也容易導(dǎo)致事故擴(kuò)大化,因發(fā)電機(jī)滅磁較慢,仍然提供短路電流。所以必須在發(fā)展成接地故障之前,失靈保護(hù)動作切除相鄰斷路器,才會使閃絡(luò)電流切除。
式(1)中:Ifl是單相或兩相閃絡(luò)時的斷口兩側(cè)電勢角差180°時的最大電流,Ug是斷路器斷口發(fā)電機(jī)側(cè)等效電勢的標(biāo)幺值,Us系統(tǒng)側(cè)等效電勢的標(biāo)幺值。
閃絡(luò)振蕩時,當(dāng)發(fā)電機(jī)電勢與系統(tǒng)電勢之間的功角到0度時,如果系統(tǒng)電勢與發(fā)電機(jī)電勢相等,最小振蕩閃絡(luò)電流為0,閃絡(luò)保護(hù)一定返回,這是閃絡(luò)保護(hù)最不利的情況。當(dāng)振蕩功角擺到0 度時,發(fā)電機(jī)電勢與系統(tǒng)電勢差別越大,最小振蕩閃絡(luò)電流越大,防止閃絡(luò)保護(hù)返回越有利。從錄波圖1 中可以看出,第一個故障周期結(jié)束時,最小振蕩閃絡(luò)電流很小,因?yàn)榘l(fā)電機(jī)滅磁較慢,閃絡(luò)后的四五百毫秒后發(fā)電機(jī)電勢不會明顯下降。當(dāng)?shù)诙€故障周期結(jié)束時,最小振蕩閃絡(luò)電流明顯增加,因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電勢明顯下降偏離額定值較大一些。
綜合以上分析,斷口閃絡(luò)故障在第一個故障周期內(nèi),閃絡(luò)保護(hù)返回之前跳開相鄰斷路器,才能減小斷路器爆炸的概率,只有從閃絡(luò)保護(hù)與斷路器失靈保護(hù)著手,才能找到解決問題的辦法。
閃絡(luò)保護(hù)普遍做法是負(fù)序電流元件&斷路器位置接點(diǎn)[29],建議用(3I0+負(fù)序電流元件)&斷路器位置接點(diǎn)作為主判據(jù)。閃絡(luò)發(fā)生時絕大多數(shù)是單相閃絡(luò),閃絡(luò)發(fā)生時刻在并網(wǎng)前或解列后,而且主變中性點(diǎn)接地,一定有零序電流。單相閃絡(luò)時,用負(fù)序電流作為判據(jù)靈敏度不高,發(fā)生概率較低的兩相閃絡(luò),負(fù)序電流靈敏度較高。
閃絡(luò)保護(hù)的整定時間非常關(guān)鍵,以往閃絡(luò)時斷路器爆炸大都和閃絡(luò)保護(hù)起動失靈時間整定過長有關(guān)?!禗L/T 684—2012 大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》規(guī)定0.1~0.2 s[30],個人建議不取上限時間,取下限0.1 s即可,整定人員為了保證可靠性傾向于取上限0.2 s,認(rèn)為可靠,恰恰相反時間越短越可靠。因線路保護(hù)手合零序加速保護(hù)就是0.1 s,用的非常普遍,能有效躲開斷路器非同期合閘在接地變壓器中產(chǎn)生的零序電流[31]。閃絡(luò)初始階段,發(fā)電機(jī)滅磁對于消除閃絡(luò)幾乎沒有作用,閃絡(luò)保護(hù)滅磁與起動失靈都用0.1 s。
閃絡(luò)保護(hù)跳閘出口建議用線路保護(hù)有流保持無流返回的出口方式,這樣可以保證即使起動電流整定較大,閃絡(luò)振蕩電流變小時起動失靈接點(diǎn)延遲返回,甚至不返回,有利于失靈保護(hù)的動作。本文兩個案例中,在這種定值整定有瑕疵的情況下,采用無流返回的方式,在第一故障周期結(jié)束的最小電流失靈起動接點(diǎn)都不會返回。高壓線路保護(hù)在電網(wǎng)應(yīng)用非常普遍,出口起動失靈都是以無流作為返回條件,工程實(shí)踐證明了這種方式的安全性。發(fā)變組保護(hù)有特殊性,機(jī)組內(nèi)部故障慢速滅磁故障電流返回慢,但是主變高壓斷路器不受此影響。
3/2主接線斷路器失靈保護(hù)第一時限跳本斷路器,第二時限跳相鄰斷路器。因級差原因,跳相鄰斷路器整定都在幾百毫秒,對于閃絡(luò)保護(hù)起動失靈時間較長。有必要設(shè)置一個新的閃絡(luò)失靈保護(hù),它的判據(jù):(3I0+負(fù)序電流元件)&三跳開入&斷路器位置接點(diǎn)。其中零序電流和負(fù)序電流定值與閃絡(luò)保護(hù)配合,靈敏度只高不低。時限取0.15 s,跳相鄰斷路器。改進(jìn)措施已經(jīng)在南瑞繼保電氣有限公司的斷路器保護(hù)裝置得到應(yīng)用,命名為死區(qū)保護(hù),廠家推薦的時間是0.15 s,現(xiàn)場長時間運(yùn)行沒有出現(xiàn)過問題[32]。當(dāng)三相開關(guān)斷開時,收到起動失靈接點(diǎn),用閃絡(luò)死區(qū)保護(hù)快速跳開相鄰斷路器。當(dāng)三相開關(guān)合閘時起動失靈用原有的失靈保護(hù)。在現(xiàn)有的條件下,增設(shè)閃絡(luò)失靈保護(hù)不需增加額外回路。
對于雙母線主接線,斷路器失靈保護(hù)同樣增設(shè)閃絡(luò)失靈保護(hù),與3/2 主接線相比,多個電壓閉鎖判據(jù)。發(fā)變組單元主斷路器三相TWJ 以串聯(lián)形式接入母線保護(hù)裝置,增加了回路接線,對于母差保護(hù)裝置來說,一臺機(jī)組增加一個位置接點(diǎn)開入通道,實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜。
電力系統(tǒng)電廠側(cè)斷路器閃絡(luò)事故擴(kuò)大化問題,到目前為止始終沒有得到很好的解決。本文通過案例分析斷路器閃絡(luò)的特點(diǎn),閃絡(luò)電流的振蕩過程是導(dǎo)致閃絡(luò)保護(hù)不能正確動作的主要原因,同時提出完善閃絡(luò)保護(hù)的判據(jù)和改進(jìn)斷路器失靈保護(hù)判據(jù),大大減少開關(guān)爆炸的概率,也能降低發(fā)電機(jī)及主變發(fā)生短路的風(fēng)險。以后隨著智能站技術(shù)推廣到電廠側(cè)應(yīng)用,機(jī)組保護(hù)與失靈保護(hù)裝置之間信息共享,斷路器閃絡(luò)時的保護(hù)動作時間還能縮短,問題更好解決。