程萬里

一起短路故障引起孤網(wǎng)運(yùn)行分析

程萬里

程萬里

大連西咀熱力有限公司

程萬里，男，1981年10月14日，漢族，遼寧省大連市，大連西咀熱力有限公司電氣工程師，從事發(fā)電廠電氣設(shè)備運(yùn)行與檢修技術(shù)管理和檢修工作。

通過孤網(wǎng)系統(tǒng)中一起短路故障造成全廠停電，分析全停生產(chǎn)的原因及如何縮小事故范圍，盡量避免孤網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生全廠停電事故。

引言

目前，國內(nèi)有很多小型自備發(fā)電廠受生產(chǎn)成本等多方面因素影響而采取脫離大電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的特殊運(yùn)行方式，此種方式下電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，抗沖擊能力差。大連西咀熱力有限公司在2005年采用孤網(wǎng)運(yùn)行至今，曾出現(xiàn)過多次短路故障，通過公司技術(shù)人員不斷總結(jié)優(yōu)化，孤網(wǎng)運(yùn)行安全性大大提高。

孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)方式

孤網(wǎng)時(shí)，1#、2#發(fā)電機(jī)均開機(jī)，分別并于10kV主母I段和主母II段，分段開關(guān)255閉合，所有廠用電及10kV廠用I、II、III段均接在主母I段和主母II段運(yùn)行，向港區(qū)供電通過1#聯(lián)絡(luò)線送至北良變電所總變10.5kV I段，總變分段155開關(guān)和1#主變二開關(guān)151均斷開，曹北左線帶1#主變熱備用運(yùn)行。外網(wǎng)系統(tǒng)電由曹北右線通過2#主變帶總變10.5kV II段向北良部分分變電所供電，同時(shí)2#聯(lián)絡(luò)線作為熱電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)備用電源，213甲開關(guān)閉合，213乙開關(guān)斷開。如圖1。

孤網(wǎng)系統(tǒng)全廠停電事故原因及過程分析

事故前運(yùn)行方式

故障前電氣系統(tǒng)運(yùn)行方式即為前述運(yùn)行方式，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)電壓為10.45kV，1#發(fā)電機(jī)電負(fù)荷10MW、電流為600A，2#發(fā)電機(jī)電負(fù)荷5.8MW、電流為360A，通過1#聯(lián)絡(luò)線送到北良變電所負(fù)荷為12MW、電流為720A，為2臺(tái)發(fā)電機(jī)組總出力的76％，電流互感器變比：20005。

事故現(xiàn)象和事故分析

2009年6月28日14日50分，北良變電所10kV分變電所中裝船機(jī)饋線發(fā)生單相接地和相間短路，經(jīng)340ms事故切除（保護(hù)裝置記錄）。熱電廠故障錄波儀記錄了故障全過程，如圖2，現(xiàn)將全過程描述如下：2009年6月28日14日50分45秒起始在事故發(fā)生的200ms內(nèi)，發(fā)電機(jī)出口母線電壓波形突變，出現(xiàn)較大的零序電壓，1#發(fā)電機(jī)、2#發(fā)電機(jī)、1#聯(lián)絡(luò)線的電流基本不變，說明10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地（小電流選線裝置已檢測到1#聯(lián)絡(luò)線瞬間接地）。在故障發(fā)生200ms時(shí)，1#聯(lián)絡(luò)線B、C相電流先達(dá)到10kA，240ms時(shí)三相電流均達(dá)到8.9kA，之后短路電流逐步衰減，1#、2#發(fā)電機(jī)電流的變化趨勢與1#聯(lián)絡(luò)線相同，此時(shí)相電壓降到4.3kV。在故障發(fā)生540ms時(shí)，1#聯(lián)絡(luò)線電流從880A降為0，此后，10kV電壓逐漸升高，在故障發(fā)生后1s升到額定電壓，從故障發(fā)生到故障切除的時(shí)間是340ms，此時(shí)負(fù)荷斷路器全部跳閘，而1#聯(lián)絡(luò)線兩端斷路器并未跳閘，故障切除后2.8s，1#、2#發(fā)電機(jī)過頻保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，造成全廠停電。當(dāng)時(shí)汽輪機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速10％關(guān)主汽門，但轉(zhuǎn)速仍升至3450轉(zhuǎn)/min。通過對(duì)繼電保護(hù)定值和配置的核查，分析認(rèn)為保護(hù)動(dòng)作是正確的，而且考驗(yàn)了機(jī)組經(jīng)勵(lì)磁變壓器的自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)在340ms故障期間內(nèi)提供的短路電流使電流保護(hù)裝置能切除故障。

擴(kuò)大事故主要原因分析

北良變電所10kV分變電所中裝船機(jī)饋線發(fā)生單相接地和相間短路，經(jīng)340ms切除故障，在相間短路期間造成10kV系統(tǒng)整體電壓降低，因?yàn)楸绷甲冸娝?0kV負(fù)荷饋線斷路器裝有失壓脫扣裝置，而大量的380V電動(dòng)機(jī)也采用接觸器供電，當(dāng)10kV三相短路電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)自行失壓脫扣，故障錄波圖顯示，在故障發(fā)生540ms時(shí)，1#聯(lián)絡(luò)線電流從880A降為0即1#聯(lián)絡(luò)線12MW負(fù)荷已全部甩掉，因而引起1#、2#機(jī)組出力遠(yuǎn)大于負(fù)荷，造成汽輪發(fā)電機(jī)超速，過頻保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)，導(dǎo)致擴(kuò)大事故造成全廠停電。

在此次故障期間，熱電廠廠用電系統(tǒng)一直正常運(yùn)行，直到全廠停電為止，其原因在于發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)有一套符合運(yùn)行要求的低壓保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)影響機(jī)組運(yùn)行的重要電動(dòng)機(jī)在廠用電低電壓時(shí)，經(jīng)過9s跳閘或不跳閘（如引風(fēng)機(jī)），對(duì)不影響機(jī)組運(yùn)行安全供電的不重要電動(dòng)機(jī)（輸煤系統(tǒng)），在廠用電低電壓0.5s即跳閘，以保證對(duì)重要廠用電動(dòng)機(jī)的可靠供電。

總之，本次故障擴(kuò)大以致全廠機(jī)組停電的主要原因即為低電壓甩負(fù)荷造成過頻保護(hù)動(dòng)作停機(jī)所致。

縮小事故范圍，盡量避免全廠事故停電的對(duì)策措施

優(yōu)化保護(hù)配置，縮短故障跳閘時(shí)間，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，防止負(fù)荷開關(guān)失壓脫扣

具體方案如下：由北良變電所供電的分變電所，采用單母線分段運(yùn)行方式，直接接在母線上的負(fù)荷饋線斷路器的電流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間由0.3s改為0s，負(fù)荷饋線的串聯(lián)斷路器保護(hù)不設(shè)級(jí)差，母聯(lián)斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間由0.6s改為0s。定值如此配置之后，可以保證故障幾率最高的負(fù)荷線路，在發(fā)生故障時(shí)快速切除。北良分變電所曾在2009年10月16日的負(fù)荷線路故障中，因0s切除故障未發(fā)生斷路器失壓脫扣，系統(tǒng)仍穩(wěn)定運(yùn)行。說明優(yōu)化保護(hù)配置是解決防止全廠停電的有效手段。

圖1 為電氣一次系統(tǒng)圖

圖2 錄波儀記錄

提高汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可靠性，甩負(fù)荷后不超速跳閘

當(dāng)前大型汽輪發(fā)電機(jī)組具有甩負(fù)荷不超速跳閘維持帶廠用電的功能，但小型機(jī)組無此功能，熱電廠與汽輪機(jī)制造廠及調(diào)速器廠家聯(lián)系后，對(duì)汽輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了完善，盡量控制機(jī)組在甩負(fù)荷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不過高，從而達(dá)到降低周波的作用。

改善負(fù)荷側(cè)回路低電壓保護(hù)配置

熱電廠所有10kV高壓負(fù)荷及380V負(fù)荷包括北良各變電所負(fù)荷都可按照凡不重要回路可以考慮設(shè)置0.5s低電壓跳閘，對(duì)于重要回路可以考慮設(shè)置3s以上低電壓跳閘，這樣可以在負(fù)荷側(cè)發(fā)生故障時(shí)，即使發(fā)生低電壓，并不馬上甩負(fù)荷，如果短期內(nèi)切除故障電壓恢復(fù)，所有非故障線路均可恢復(fù)正常運(yùn)行，并不會(huì)發(fā)生全廠停電事故。

改善發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能

熱電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)已采用機(jī)端勵(lì)磁變壓器的靜態(tài)勵(lì)磁方式從此次故障證明北良變電所10kV支路短路故障，依靠機(jī)組靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)提供的逐步衰減短路電流，仍然保障了故障經(jīng)0.34s及時(shí)切除，但故障切除后從系統(tǒng)電壓恢復(fù)較慢，同時(shí)原勵(lì)磁系統(tǒng)為單通道單可控硅系統(tǒng)，相對(duì)孤網(wǎng)系統(tǒng)而言，此種勵(lì)磁調(diào)節(jié)器安全性差，當(dāng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器本身異常很容易出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全十分不利，通過上述分析，將原勵(lì)磁系統(tǒng)升級(jí)改造為雙通道雙套可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，電壓響應(yīng)速度也大大提高，從而為故障切除后系統(tǒng)電壓迅速恢復(fù)提供保障。

結(jié)束語

高壓系統(tǒng)發(fā)生短路對(duì)任何電廠都會(huì)造成一定影響，在孤網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障更是影響巨大，但通過合理的保護(hù)配置，改善勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)性能是可以提高孤網(wǎng)運(yùn)行安全性，滿足企業(yè)正常的生產(chǎn)與用戶需要。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.080