摘 要：以一起某電廠110 kV外線路接地故障引起的全廠發(fā)電機跳閘事件為例，分別從保護裝置動作記錄、波形回放、理論分析等方面深入分析該次跳閘事件的原因以及暴露出來的問題，并根據(jù)某電廠系統(tǒng)運行實際情況制定相應(yīng)的防范措施，為分析、防范此類跳閘事件提供參考。

關(guān)鍵詞：線路故障；波形回放；過激磁；差動保護；發(fā)電機跳閘；孤島運行；防范措施

中圖分類號：TM412 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0143-06

Abstract： Taking a plant generator tripping event caused by a ground fault on an external 110 kV line in a power plant as an example， the causes of this tripping event and the exposed problems are analyzed in depth from aspects such as protection device action recording， waveform playback， and theoretical analysis. Correspondent waterlogging preventive measures are formulated based on the actual operation conditions of a power plant system to provide reference for analyzing and preventing such tripping events.

Keywords： line fault; waveform playback; over-excitation; differential protection; generator tripping; island operation; preventive measure

發(fā)電機作為電廠的主要發(fā)電設(shè)備，其安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性的作用。由于發(fā)電機本身的結(jié)構(gòu)、運行特性，可能發(fā)生定子繞組相間短路、定子一相繞組內(nèi)的匝間短路、定子繞組單相接地、轉(zhuǎn)子繞組一點接地或兩點接地、轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流消失等故障，影響發(fā)電機本身的安全，甚至危及整個電力系統(tǒng)。《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》對發(fā)電機保護提出了配置要求：電壓在3 kV及以上，容量在600 MW及以下的發(fā)電機，對定子繞組相間短路、定子匝間短路、定子繞組接地、發(fā)電機外部相間短路、定子鐵芯過勵磁和頻率異常等故障及異常運行狀態(tài)，裝設(shè)相應(yīng)的保護。且需根據(jù)并網(wǎng)機組類型、容量的不同以及接線方式的差異，設(shè)計符合現(xiàn)場實際且性能完善的繼電保護配置方案，以期在安全允許的時間內(nèi)，有選擇性地停機或故障報警，減少事故范圍，保護發(fā)電機、電力系統(tǒng)安全。

除發(fā)電機本身故障外，電網(wǎng)的故障沖擊也會對發(fā)電機安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定影響，特別是對于沒有孤島運行能力的機組，產(chǎn)生的影響更大。王少華等[1]研究了某水電站單回送出線路發(fā)生單相瞬時故障后線路短時非全相運行對發(fā)電機、變壓器繼電保護功能的影響，并針對受影響的繼電保護功能定值整定提出了相應(yīng)的技術(shù)防范措施。趙樹衛(wèi)[2]對龍煤鶴崗熱電廠直配線路系統(tǒng)沖擊進行了分析，分析了線路故障，電網(wǎng)一般性擾動等常見的電網(wǎng)故障或者運行方式異常對發(fā)電機組所產(chǎn)生的影響，并且提出具體應(yīng)對措施。劉萬平等[3]從一起發(fā)電機運行中與勵磁系統(tǒng)有關(guān)的電氣異常事件入手，利用發(fā)電機故障錄波圖對此異常事件進行了深入分析，揭示了該機組勵磁調(diào)節(jié)器在TV斷線判據(jù)設(shè)置上存在的隱患，并提出了相應(yīng)的對策和措施。那廣宇等[4]針對某220 kV線路故障導(dǎo)致關(guān)聯(lián)發(fā)電機組跳閘，并造成同一母線的其他發(fā)電機組汽輪機振動突增但保持在網(wǎng)運行的情況，詳細介紹跳閘事故經(jīng)過，從多角度分析原因并提出解決方案，為電網(wǎng)運行中規(guī)避類似事故起到借鑒作用，同時也提示發(fā)電企業(yè)提前排查隱患采取應(yīng)對措施。

本文以某電廠110 kV線路發(fā)生接地故障，相繼引起全廠4臺發(fā)電機全停，導(dǎo)致事故范圍擴大的事件為例，深入分析了造成事故擴大的原因，充分闡述了此類電網(wǎng)故障沖擊對不具備孤島運行能力的發(fā)電機的影響，揭露了某電廠在應(yīng)對電網(wǎng)擾動下的安全隱患并提出了相應(yīng)的防范措施。

1 全廠保護動作及過程分析

1.1 接線及運行方式介紹

某電廠建有4臺發(fā)電機，每臺發(fā)電機容量為35 MW，每臺機組采用單元接線方式接入110 kV母線，110 kV母線采用單母線分段接線方式，電廠通過110 kV甲、乙2條出線與電網(wǎng)連接。正常運行方式下，1號、3號發(fā)電機掛110 kV I母線，外接甲線運行；2號、4號發(fā)電機掛110 kV II母線，外接乙線運行；110 kV母聯(lián)處于斷開狀態(tài)，母線分列運行。每臺發(fā)電機出口未設(shè)置高廠變，設(shè)一段10 kV廠用母線，下接10 kV焚燒段、汽機段、爐前公用段等廠用負荷，并設(shè)有廠用電快切裝置，4臺機組廠用負荷存在交叉供電的情況。全廠設(shè)有一套給水空冷系統(tǒng)，由4臺給水空冷變組成，4臺機組共用。

事件發(fā)生前，1號、3號發(fā)電機掛110 kV I母線，外接甲線運行；2號、4號發(fā)電機掛110 kV II母線，外接乙線運行，母聯(lián)斷開。10 kV廠用電由4臺機組交叉供電，其中，1號給水空冷變、3號給水空冷變由2號發(fā)電機供電，2號給水空冷變、4號給水空冷變由3號發(fā)電機供電，全廠設(shè)備正常，無故障。

1.2 保護配置情況

110 kV甲線、乙線采用PCS-943N高壓輸電線路成套保護裝置，按要求配置了縱聯(lián)差動、相間距離、接地距離、零序過流保護和重合閘等保護。

4臺發(fā)電機保護配置一致，采用PCS-985發(fā)電機保護裝置，配置了差動、復(fù)合電壓過流保護、（基波）定子繞組接地保護、轉(zhuǎn)子接地保護、定子過負荷保護、負序過負荷保護、失磁保護、定子過電壓保護、逆功率保護和頻率異常保護。其中，頻率異常保護動作于報警。

4臺給水空冷變采用PCS-9622D變壓器保護裝置，配置了差動、高壓側(cè)過流、過負荷、高壓側(cè)負序過負荷、高壓側(cè)零序過流和低壓側(cè)零序過流等保護。

1.3 保護動作行為分析

1.3.1 動作過程

電廠保護裝置接入了對時系統(tǒng)，全廠設(shè)備時間保持同步。根據(jù)電廠保護裝置、DCS后臺報文梳理了此次事件的發(fā)展態(tài)勢。

2022年5月6日15點45分，110 kV甲線接地距離Ⅱ段保護動作，線路開關(guān)跳閘；2號、4號給水空冷變比率差動保護動作，開關(guān)跳閘；1號、3號發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器低頻切除動作，跳開發(fā)電機出口斷路器；2號、4號發(fā)電機逆功率保護動作，跳開發(fā)電機出口斷路器。

1.3.2 保護動作分析

通過現(xiàn)場排查、波形分析以及波形回放等方式進行事故分析。

1）110 kV甲線保護動作分析。首先，對110 kV甲線保護故障錄波進行了分析，波形如圖1、圖2所示。根據(jù)波形可見：110 kV I段母線B相電壓驟降至0 V左右，同時110 kV I、II段母線零序電壓由0 V左右開始增加，I段母線零序電壓大于II段母線零序電壓。

經(jīng)現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，在110 kV甲線發(fā)生故障期間，甲線電纜溝上方有工程人員施工，進行了地面挖掘，誤碰了B相電纜，導(dǎo)致甲線接地，線路保護正確動作。

2）1號、3號發(fā)電機保護動作分析。經(jīng)現(xiàn)場排查，1號、3號發(fā)電機均未發(fā)現(xiàn)明顯故障。對1號、3號發(fā)電機保護故障錄波進行分析，波形如圖3、圖4所示。根據(jù)波形可見：在線路發(fā)生單相接地瞬間，1號、3號發(fā)電機A、B兩相電壓異常波動明顯、電壓下降且中性點A、B兩相電流明顯增加。由于1號、3號機與故障線路直連，線路B相接地后電壓降至0，故障經(jīng)主變壓器后，反應(yīng)為發(fā)電機A、B兩相電壓下降，波形現(xiàn)象與現(xiàn)實故障一致。

甲線保護動作跳開甲線開關(guān)后，1號、3號發(fā)電機勵磁裝置低頻切除動作，跳滅磁開關(guān)，進而聯(lián)跳發(fā)電機出口斷路器。在發(fā)電機跳閘前，發(fā)電機電壓、電流變化較大，變化無規(guī)律，波形如圖5、圖6所示。

甲線保護動作后，1號、3號發(fā)電機進入孤島運行模式。由于電廠孤島短路容量小，控制系統(tǒng)不具備快速調(diào)節(jié)的能力，發(fā)電機無法在孤島狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行，因此電壓、電流呈現(xiàn)無規(guī)律變化。在勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用下，首先，發(fā)電機機端電壓上升，觸發(fā)了勵磁裝置V/Hz限制；其次，發(fā)電機轉(zhuǎn)速開始下降，勵磁電流增大，當(dāng)勵磁電流增加至過勵限值時，過勵限制動作，發(fā)電機電壓、頻率持續(xù)下降；當(dāng)頻率低至切除值時，勵磁裝置低頻切除動作，跳滅磁開關(guān)，進而聯(lián)跳發(fā)電機出口斷路器，動作正確。

3）2號、4號發(fā)電機保護動作分析。2號、4號發(fā)電機與甲線無直接聯(lián)系，不屬于故障范圍，但在故障切除后，事故卻擴大至2號、4號發(fā)電機，造成全廠停電。本文將對造成事故擴大的原因進行深入分析。

經(jīng)現(xiàn)場排查，2號、4號發(fā)電機均未發(fā)現(xiàn)明顯故障。

對2號、4號發(fā)電機保護故障錄波進行分析，波形如圖7、圖8所示。根據(jù)波形可見：在線路發(fā)生單相接地瞬間，2號、4號發(fā)電機三相電壓變化不明顯，中性點電流稍有增加，未觸發(fā)任何保護動作。

接著，甲線跳閘，1號、3號發(fā)電機進入孤島運行階段，由3號發(fā)電機供電的2號給水空冷變、4號給水空冷變差動保護跳閘。經(jīng)現(xiàn)場檢查，空冷變內(nèi)部無故障；查看保護裝置的差流和制動電流，經(jīng)過計算，保護動作正確，裝置邏輯正確。

為查清空冷變差動保護動作的原因，對事件發(fā)生時，2號、4號給水空冷變保護裝置的波形進行了回放。根據(jù)波形回放發(fā)現(xiàn)，空冷變差流中各次諧波含量增加，其中三次諧波、五次諧波占比均超過20%，如圖9所示。

變壓器鐵芯一般使用冷軋硅鋼片，在過電壓工況下，變壓器勵磁電流將激增，波形嚴(yán)重畸變，且含較多的三次、五次諧波分量[5]。給水空冷變的差流諧波分析，與變壓器處于過激磁狀態(tài)下的諧波變化一致，給水空冷變處于過激磁狀態(tài)。

根據(jù)變壓器過激磁特性可知：當(dāng)變壓器工作在額定磁密及以下時，勵磁電流很小，與磁密呈線性關(guān)系，相對變壓器額定電流可忽略不計[6]；但是，當(dāng)變壓器鐵心的磁密度超過額定磁密后，勵磁電流隨磁密增加飛速增大[7]，如圖10所示。

根據(jù)電機學(xué)原理，變壓器負載運行時的磁勢平衡式為[8]

電流表示式為

變壓器負載運行時的負載關(guān)系如圖11所示。

初級電流等于負載電流與勵磁電流之和，正常運行時，勵磁電流較小，變壓器簡化等效電路中可以忽略不計，若是勵磁電流占比較大，則變壓器高低壓側(cè)會產(chǎn)生差流。

在1號、3號發(fā)電機孤島運行時，發(fā)電機及10 kV廠用系統(tǒng)電壓頻率、電壓大小均在波動，系統(tǒng)諧波含量增大，在發(fā)電機機端電壓上升階段，給水空冷變進入過激磁狀態(tài)。此時給水空冷變的勵磁電流大幅增加，其中五次諧波占比增加較大，而此電流不能流入給水空冷變低壓側(cè)，因此在差動回路中形成了較大的不平衡電流，由于給水空冷變保護裝置未設(shè)置五次諧波閉鎖差動保護功能，無法識別變壓器是否處于過激磁狀態(tài)，故造成比率差動動作，2號、4號給水空冷變跳閘。

2號、4號給水空冷變用于2號、4號發(fā)電機組，在給水空冷變差動保護動作跳閘后，400 V給水空冷段母線失壓，2號、4號發(fā)電機真空由-75.4 kPa迅速降低至-55 kPa，真空低保護動作，逆功率保護動作，跳開發(fā)電機出口斷路器，事故范圍擴大至2號、4號發(fā)電機，最終導(dǎo)致全廠停電。

2 暴露的問題

本次事件是由外線路接地故障引起的發(fā)電機跳閘事故，事故本身只涉及1號、3號發(fā)電機所在的系統(tǒng)，但卻擴大至2號、4號發(fā)電機組，導(dǎo)致全廠失電。暴露了電廠在設(shè)計、保護配置方面的問題，具體問題如下。

第一，廠用電設(shè)計不夠合理，不滿足廠用電源的對應(yīng)供電性。本機、爐的廠用負荷按設(shè)計原則應(yīng)由本機組供電，但該廠10 kV廠用電由4臺發(fā)電機交叉供電，1號、3號發(fā)電機組的給水空冷變由2號發(fā)電機供電，2號、4號發(fā)電機組的給水空冷變由3號發(fā)電機供電，這種不對應(yīng)的供電設(shè)計，導(dǎo)致了1號、3號發(fā)電機發(fā)生故障后，故障往2號、4號機發(fā)展的后果，最終導(dǎo)致事故擴大。

第二，發(fā)電機保護對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量起著舉足輕重的作用[9]。從本次事故可見，該廠發(fā)電機保護配置不合理。在甲線保護動作切除故障后，1號、3號發(fā)電機進入孤島運行，由于未設(shè)置快速動2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=作的電氣量保護，導(dǎo)致整個孤島系統(tǒng)的電壓、頻率長時間波動，2號、4號空冷變進入過激磁狀態(tài)，最終差動保護動作跳閘，導(dǎo)致事故擴大至2號、4號發(fā)電機。若在1號、3號發(fā)電機孤島運行后，能通過電氣量保護快速、直接將發(fā)電機切除，則10 kV 2號、4號空冷變能在較短的時間內(nèi)通過快切裝置轉(zhuǎn)至由2號、4號發(fā)電機供電，可避免事故擴大。

3 總結(jié)與建議

本次事件的起因是甲線外部故障，導(dǎo)致B相接地。在切2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=除外部線路后，由于廠內(nèi)系統(tǒng)孤島短路容量很小，1號、3號發(fā)電機無法維持孤島運行，且機組控制系統(tǒng)不具備快速調(diào)節(jié)的能力，因此發(fā)電機無法穩(wěn)定運行，機端電壓、頻率大幅波動。在此期間，發(fā)電機沒有任何的電量保護動作于停機，最終通過勵磁裝置低頻切除動作，跳滅磁開關(guān)，聯(lián)跳發(fā)電機出口斷路器。

由于1號、3號發(fā)電機孤島運行時間較長，2號、4號給水空冷變進入過激磁狀態(tài)。由于勵磁電流只流過其電源側(cè)，因此形成不平衡電流，反應(yīng)到差動回路，導(dǎo)致比率差動動作。2號、4號給水空冷變差動保護動作跳閘后，導(dǎo)致事故范圍擴大至2號、4號發(fā)電機，最終2號、4號發(fā)電機跳閘。

根據(jù)本次事件的分析，本文提出以下建議，以期為防范同類型事件提供參考。

1）從設(shè)計層面上避免此類事故的發(fā)生，在廠用電設(shè)計時，盡量滿足廠用電源的對應(yīng)供電性，本爐、本機的廠用負荷，盡量由自身系統(tǒng)供電，不同機組廠用電可通過快切、備自投等方式互為備用。

2）發(fā)電機保護配置方面，建議對不具備孤島運行能力，且對外僅有單線路供電的發(fā)電機設(shè)置過激磁、頻率保護并動作于跳閘，防止此類事故的發(fā)生。

3）變壓器過壓工況下容易進入過激磁狀態(tài)，為防止差動保護誤動，建議可投入五次諧波閉鎖差動保護功能。

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