張兵海,常永亮,王獻志,趙宇皓

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

發(fā)電廠高壓電廠用電系統(tǒng)接地故障導致機組全停事故分析

張兵海,常永亮,王獻志,趙宇皓

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

介紹了近期發(fā)生的幾起火力發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)接地故障,對其相對應的繼電保護拒動原因進行了分析,探討繼電保護配置及整定、防止機組全停措施,提出需要改進繼電保護配置、整定、試驗原則以預防發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)接地故障導致全停事故的建議。

發(fā)電廠;廠用電系統(tǒng);接地故障;繼電保護

1 概述

隨著發(fā)電機組容量的增大,其廠用輔機供電系統(tǒng)容量也在增大,為了抑制因電容電流過大導致的接地故障時的暫態(tài)過電壓,降低其對設備絕緣的破壞,現(xiàn)在的發(fā)電廠高壓廠用系統(tǒng)均已不再采用不接地方式和消弧線圈接地方式,而是變壓器中性點經(jīng)過一固定數(shù)值的電阻接地[1]。當高壓廠用系統(tǒng)發(fā)生接地故障時,接地電流一般為200～600 A不等(與電壓等級和配置的接地電阻阻值相關聯(lián),電阻阻值的選擇與電容參數(shù)相關聯(lián)),配置相應的繼電保護隔離故障設備,則機組能夠繼續(xù)運行。

2 高壓廠用電系統(tǒng)接地故障分析及措施

2.1 案例1

2.1.1 故障概況

某廠600 MW機組高壓廠用電系統(tǒng)為10kV電壓等級,10kV公用01A段為1號機組的10kV1B段供電、01B段為2號機組的10kV2A段供電,主接線見圖1。

圖1 某廠600MW機組高壓廠用10kV系統(tǒng)主接線

機組運行過程中,從10kV2A 工作段到10kV01B公用段的電纜發(fā)生接地故障,因為01B工作進線開關沒有配置接地保護,2A工作進線開關也沒有配置接地保護,由2號機組的2A高壓廠用電變壓器10kV側中性點接地保護動作跳開02A工作進線開關,快切合上備用進線開關,因為故障點仍然存在,備用進線開關再由保護動作跳閘,2號機組失去一半廠用負荷后鍋爐燃燒沒有穩(wěn)住致使機組停機。01B失電后自動合入聯(lián)絡開關,即

切至由01A公用段供電到01B段,因為接地故障仍然存在,因為接地保護沒有配置的原因,由1號機組的1A高壓廠用電變壓器接地保護動作跳開1A的工作進線開關,快切合上備用進線開關后又因為同樣原因跳閘使1號機組停機。

2.1.2 關鍵位置配置零序電流互感器的必要性

因為高壓公用段一般運行的是2臺機組的公用負荷,一般為非一類電機,而工作段電機一般均為一類電機,因此工作段與公用段在供電重要性方面有一定區(qū)別。此電廠設計年代尚沒有能滿足要求的大口徑零序電流互感器(有6根3×185 mm2電纜),因此設計沒有配置零序保護,因此在接地故障時工作段與公用段實際上等同于一個段,擴大了故障影響范圍。當沒有滿足要求的大口徑零序電流互感器情況下,可使用每根電纜安裝一個零序電流互感器,各電流互感器二次回路串接后送入零序保護,可實現(xiàn)接地保護的目的。

2.1.3 機組穩(wěn)定運行的能力控制

大機組高壓工作段一般設計為兩個段或以上,當運行于之一段上的電機故障后,由成對配置的另一電機以熱備用或冷備用的方式啟動接替故障電機的作用,從而實現(xiàn)不影響機組負荷的目的。對于冷備方式啟動的電機,實際上因為往往因為此高壓電機的低壓潤滑油泵電機所在段沒有電源而導致高壓電機無法自啟,從而導致負荷下降進而停機。

優(yōu)化電機配置,將配合作用的高低壓電機系統(tǒng)性地看待可從根本上改變在緊急情況下備用電機無法啟動的情況,從而保證在特殊情況下不降負荷、或者不停機。

2.1.4 建議

由圖1可看出,機組的2個公用段并沒有由同名的工作段帶,而是交叉工作(即2A帶01B、1B帶01A),設計之初的原因是考慮2個工作段的負荷平衡,因為該廠機組為空冷機組,沒有汽動給水泵,而電動給水泵容量較大。如此設計的后果則是公用段接地故障導致工作段失電,切至備用電源后導致兩備用變?nèi)刻l,即失去全部備用電源,不利于機組的安全停機。

2.2 案例2

2.2.1 故障概況

某廠300MW機組1號機組6kV1A工作段的1B膠帶機發(fā)生接地故障,配置于膠帶機開關的綜保接地保護拒動。

2.2.2 原因分析

膠帶機為一個斷路器帶2個電機形式。當時1臺電機檢修,拆電機2電纜后兩端接地,安全措施如圖2。

圖2 某廠300MW機組1/2膠帶機檢修時安全措施示意

安全措施做好后,合開關電機1啟動。啟動過程中,高壓廠用電變壓器零序過流保護1段動作跳開本段工作進線開關,故障錄波顯示接地電流為320A。高壓廠用電變壓器6kV側中性點接地電阻9.09Ω,膠帶機支路零序TA變比100/1,零序保護定值為0.8A、0.4s。

因為在拆電纜時誤將不準備檢修的電機電纜的V相拆下,造成了電機1的U、W相帶電,和電機2電纜V相的接地故障,而對于反應2根電纜的零序電流互感器應該能夠感應出與一次故障電流對應的二次接地電流,如圖2所示,因為被拆電纜兩側掛有接地線,因為兩個接地點不同,實際流經(jīng)零序電流互感器的一次接地故障電流并非足夠大。

根據(jù)火力發(fā)電廠設計技術,膠帶機一般位于輸煤皮帶的橋段位置,距高壓段母線電纜長度大于350m,案例中的膠帶機電纜長度為380m。高壓廠用系統(tǒng)接地故障的電流回路是高壓變廠用側相繞組-共箱母線-母線-電機支路電纜-接地故障點-接地母線(大地)-變壓器中性點,見圖3。

圖3 接地故障電流分流電路

圖3中,Z1為電機V相電纜阻抗,Z2為電機本體到電纜首端的U、W相電纜阻抗,Z3為開關到高壓廠用電變壓器中性點接地網(wǎng)阻抗,Z4為電機本體到高壓廠用電變壓器中性點接地網(wǎng)阻抗, Z0為高壓廠用電變壓器中性點接地電阻阻抗。電

纜為3×95mm2電纜,單位阻抗為0.247+j0.107 Ω/km,電纜長度為約0.4km,開關到高壓廠用電變壓器距離為約0.1km,接地網(wǎng)阻抗為10Ω/km,因此可計算出各阻抗參數(shù),按6kV的相電壓計算接地故障總電流為322.8A,與實際故障電流相符,進而可計算出I02=82A。因為電機1的IA+ IC=-IB,因此由電機1產(chǎn)生的零序電流為零,零序電流互感器的輸出電流主要由電機2產(chǎn)生;電機2的V相有兩個接地點,即兩個電流I01和I02,設I01為開關側接地電流,I02為電機本體側接地電流,因為開關距離高壓廠用電變壓器中性點位置遠近于電機本體位置,因為接地電阻的原因,接地電流I01＞I02,I01是通過電纜回流到開關側接地點的電流,分析可知I01在零序電流互感器中沒有感應出電流,零序電流互感器的輸出電流是由I02產(chǎn)生的,因I02理論計算值與保護動作門檻接近,電機保護拒動,由上級保護動作跳閘。

高壓廠用電機支路接地保護的整定原則沒有標準規(guī)程可供參考,實際整定過程中一般有2種選擇,其一是按躲過電機支路正?？赡艿淖畲罅阈螂娏?其二是按電機支路發(fā)生接地故障時的最大零序電流取一定靈敏度[2];由此2個原則可以看出,按原則二考慮選取的定值肯定高于原則一,雖在一般情況下均能靈敏反應所保護設備,但是對于本例中的情況則可能因靈敏度問題而使保護拒動。分析認為,按照DL/T5153-2002《火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)定》中規(guī)定的高壓廠用允許接地電容電流數(shù)值進行整定較為適宜,一般取一次電流15～20A、延時0.3～0.5s,則可有效保護到各種接地故障。

2.3 案例3

2.3.1 故障概況

某廠1000MW機組1號機組6kV1A工作段的給水泵前置泵電機電纜引線發(fā)生接地故障,高壓廠用電變壓器零序過流1段保護動作跳開工作進線開關,因為一次側零序與相分支不在同一側而二次接線仍按同一側接線,因此零序1段動作后故障仍存在,零序2段動作停機。

故障記錄顯示,高壓廠用電變壓器零序保護動作值為528A(TA變比600/1,記錄值為二次0.88A,保護定值0.2A、延時1段1.1s和2段1.7 s),電機綜保記錄動作電流為198A(TA變比150/5,記錄值6.598A,保護定值0.65A、延時0.3 s),即電機支路綜保裝置記錄的電流與高壓廠用電變壓器保護裝置記錄的電流大小不一致。

2.3.2 電機保護拒動原因

理論上分析電機的零序過流保護應在高壓廠用電變壓器零序過流保護之前動作,而實際上卻晚于高壓廠用電變壓器零序2段,造成此后果的原因事后檢查是電機綜保的零序保護模塊TA二次額定電流配置錯誤,應選擇5A而實際是1A,因此故障電流大于裝置允許的電流范圍后,裝置已不能正常反應故障電流,裝置的電流二次變換電路飽和,影響了保護的正常動作。

對于最大故障電流已明確的系統(tǒng),應在試驗時選擇其中一套保護裝置加入最大故障電流對應的二次電流,檢查裝置的動作情況。

2.3.3 保護后備段動作導致機組全停原因

大部分三繞組雙分裂變壓器低壓側的兩個繞組的中性點設計位置與相繞組在同一側,因為變壓器內(nèi)部繞組結構設計的原因,有一部分廠家的設計沒有在同一側,即低壓繞組1的中性點出線設計在了繞組2一側,繞組2的中性點出線設計在了繞組1側,這樣仍然按在同側進行二次安裝接線,則在實際發(fā)生接地故障時會造成對應接地保護動作跳閘后仍然有故障電流存在,直到變壓器全停(或機組全停)。

可通過投運前一次模擬試驗的方法進行檢查,即在一次系統(tǒng)(母線或支路)上掛接接地線模擬一次接地故障,使用發(fā)電機或升壓升流設備檢查一、二次接線是否正確。

3 結論

對于發(fā)電廠高壓廠用系統(tǒng)接地故障的繼電保護配置與整定,應根據(jù)系統(tǒng)的特殊情況進行特殊分析,應盡量消除繼電保護盲區(qū),盡量提高繼電保護靈敏度,降低各種可能的保護拒動行為的發(fā)生。

與發(fā)電機和大型變壓器等主設備保護和高電壓等級繼電保護(110kV及以上)不同,發(fā)電廠高壓廠用系統(tǒng)設備的繼電保護的標準、規(guī)程相對不足,現(xiàn)場應根據(jù)此系統(tǒng)繼電保護的特點開展一些適用于現(xiàn)場的類似于型式試驗的試驗項目。

[1] DL/T5153-2002,火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)定[S]

[2] 高春如.大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].北京:中國電力出版社,2010.

本文責任編輯:丁 力

Event Analysis on Generator Units Shutting-up Caused by Earth-fault in High-voltage Auxiliary System

Zhang Binghai,Chang Yongliang,Wang Xianzhi,Zhao Yuhao
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

The paper researches several earth-fault events in power plant high voltage auxiliary systems recently,analyzes the causes of failure operation,and does study on the configuration and setting standard of the relay protection,gives out modification on site tests and the measures to avoid units shutting down by earth-fault in high-voltage auxiliary system.

generator units fault analysis;auxiliary system;earth fault;relay protection

TM863

B

1001-9898(2016)04-0001-03

2016-06-15

張兵海(1968-),男,高級工程師,主要從事各類繼電保護及自動裝置的試驗研究工作。