110 kV電網系統故障對發電機組影響分析

沈杰

110 kV電網系統故障對發電機組影響分析

沈杰

（寶山鋼鐵股份有限公司電廠，上海200941）

在一起寶鋼新寶變110 kV電網故障中，寶鋼電廠3臺發電機組受到不同程度的影響。依據發電機組設備動作和報警情況，結合故障波形，計算說明寶鋼電廠0#、3#、4#發電機組電氣量的變化，深入分析了繼電保護和自動裝置動作的原因，得出了結論，為設備管理提出了建議。

故障；電壓；電流；繼電保護

1 前言

寶鋼電廠0#發電機組額定容量為150 MW，3#、4#發電機組額定容量均為350 MW，3臺機組電氣主接線均采用發電機-變壓器組單元接線制方式，發電機經主變壓器升壓后通過110 kV電纜接入寶鋼新寶變110 kV母線系統；各機組廠用電均由發電機出線端支接的高壓廠用變壓器供電給6.3 kV廠用工作負荷。因此新寶變110 kV系統一旦發生故障，將直接影響3臺機組的安全穩定運行。分析研究新寶變110 kV系統故障后電廠機組的設備運行及保護動作情況，對于提高發電機組的抗風險能力具有十分重要的意義。

現以一起新寶變110 kV電網故障為例，對發電機組繼電保護及有關設備動作情況作深入分析，為設備管理提出對策。

2 事件經過

2010年12月16日19：54：04，寶鋼新寶變110 kV電網中，1580熱軋2#、3#主變發生單相接地及相間短路故障，并突發火災，110 kV系統電壓跌落96%（持續時間100 ms），受此影響，寶鋼股份大院內煉鐵、煉鋼、冷軋、硅鋼，鋼管事業部的多條產線跳電停機，電廠0#、3#、4#機組也造成了不同程度的影響，故障時各機組主要報警信息及設備動作情況如下：

0#機組發出“DC110 V充電器A故障”、“DC110 V充電器B故障”、“DC220 V充電器A故障”、“UPS逆變器盤報警”、“DCS報警站1.23報警”、“發動機電壓不平衡60.2報警”、“低電壓27報警”等報警，瞬時復歸，機組運行正常。

3#機組發出“發電機電流高”、“勵磁機勵磁電壓高”、“發電機電流差值大”報警，瞬時復歸；3#機組3A/3B控制氣泵、3A雜用氣泵、3#機消防水穩壓泵，3C工業水泵，3A脈沖氣泵，3A灰用氣泵，3C放灰風機，3B灰處理排水泵，3#粗中轉灰庫排氣風扇等脫扣，干渣回收系統全部停止。

4#機組發生“4#機組保護A柜動作”、“4#機組保護B柜動作”、“4#機組保護E柜動作”報警，發電機解列，汽機脫扣，由于FCB不成功，鍋爐MFT停爐。

對4#機進一步檢查后，發現發變組系統保護盤（A/B柜）發電機反時限過流保護51指示燈亮，新寶變側的4#主變饋線保護盤（E柜）主變阻抗保護動作指示燈亮，保護裝置內部跳閘事件量記錄中有主變阻抗保護(保護方向指向能中側)動作的記錄，即有“Dis.Pick up L12 ON”、“Dis.Loop L1-2 F ON”、“Dis.Trip 3P ON”等，由此可確認本次4#機組解列是由發變組后備保護主變阻抗保護引起。

3 故障時的電氣量分析

1580熱軋2#、3#110 kV主變均由新寶變110 kV母線供電，這兩臺主變110 kV電纜箱幾乎同時發生單相接地及相間短路故障，引起新寶變110 kV系統電壓跌落96%，故障持續時間100 ms，必然對接入新寶變110 kV母線系統的電廠0#、3#、4#機組造成一定的影響。故障后，電廠檢查了0#、3#、4#機組故障錄波器，均發現新寶變110 kV側母線電壓大幅降低，0#、3#、4#主變110 kV側電流大幅增大，引起發電機機端電壓大幅降低，發電機電流大幅增大。為便于分析，以下列舉4#機組故障錄器記錄的故障時電氣量波形圖進行說明。

圖1為主變高壓側電壓波形（即新寶變110 kV母線電壓波形），從上到下分別為A、B、C各相電壓。從圖中可以看出，故障前，各相電壓波形正常（相電壓最大值約100 kV)；故障時，首先發生A相接地，A相電壓下降為0，B相和C相電壓升高；然后出現B相接地故障，B相電壓下降為0，從而引發110 kV系統A－B相短路。整個故障時持續時間100 ms后，保護動作，故障被接切除，各相電壓恢復正常。

圖1主變高壓側電壓波形（新寶變110 kV母線電壓波形）

圖2 為4#機發電機定子電壓波形，從上到下分別為A、B、C各相電壓。從圖中可以看出，故障前，各相電壓波形正常（相電壓最大值約16 kV)；故障時，發電機各相電壓出現不同程度的下跌，A相電壓下跌約60%，B、C相電壓下跌約20%。由于主變壓器采用星-三角接線方式及阻抗的關系，使得發電機定子電壓下跌程度有所減弱。

圖3為4#機發電機定子電流波形，從上到下分別為A、B、C各相電流。發電機額定電流為11893 A。從圖中可以看出，故障前發電機定子電流約為額定電流的0.88倍，故障時A相電流達到額定值的2.4倍左右，C相電流達到額定值的2.0倍左右。120 ms時，4#主變110 kV開關跳閘，A、B、C各相電流降為0。

圖2 4#機發電機定子電壓波形

圖3 4#機發電機定子電流波形

4 受影響原因分析

4.1 0#機組受影響原因分析

參照圖2電壓波形分析可知，故障時0#機組400 V母線最大下跌電壓超過60%，發生的有關直流充電器故障報警、UPS逆變器盤報警、報警站1.23等報警信號均是由于輸入的400 V母線電源電壓下跌引起；110 kV母線PT二次側電壓與發電機PT二次側電壓相差達到40%（設定值為20%），電壓不平衡保護60.2發出報警；發電機電壓嚴重降低下跌60%，低于低電壓報警設定值，則低電壓保護27發出報警。上述報警信號均動作正確，瞬時復歸。

4.2 3#機組受影響原因分析

4.2.1 3#機組報警信號

參照圖3發電機電流波形，故障時發電機A、C相電流瞬時急增，大于2倍的額定電流，AVR發出了“發電機電流高”的信號，同時為維持發電機電壓，AVR自動增加了發電勵磁，發出了“勵磁機勵磁電壓高”的信號；同時由于發電機三相電流不平衡，AVR裝置也發出了發電機相間電流差值大的報警，上述報警信號均動作正確，瞬時復歸。

4.2.2 公用母線上輔機跳閘

3#機組正常運行中，公用負載（3A/3B控制氣泵、3A雜用氣泵、3#機消防水穩壓泵，3C工業水泵、3A脈沖氣泵、3A灰用氣泵、3C放灰風機、3B灰處理排水泵、3#粗中轉灰庫排氣風扇）的電源，設計上由電廠3#機組起動變壓器供電系統供電，而該起動變壓器是由新寶變110 kV母線供電。110 kV系統故障引起了上述公用負載因主回路接觸器勵磁電壓失去而跳閘。

4.3 4#機組受影響原因分析

4#機組發生“4#機組保護A柜動作”、“4#機組保護B柜動作”、“4#機組保護E柜動作”報警，發電機解列，汽機脫扣。

4.3.1 保護A柜/B柜動作分析

從上述圖3發電機電流波形分析可知，故障時4#發電機A相電流達到額定值的2.4倍左右，C相電流達到額定值的2.0倍左右。發電機反時限電流保護（51）整定值為1.05倍額定電流，保護A/B柜的發電機反時限過流保護啟動51指示燈亮，但是過電流時間未達到整定值（查閱調試報告，2.0倍整定電流電流時實測動作時間為10.6 s），所以未發開關跳閘指令，裝置內部無跳閘事件量記錄。

4.3.2 保護E柜動作跳機分析

保護E柜配有4#主變阻抗保護，保護分為兩段，其中一段保護方向指向電廠主變側，作為電廠主變及110 kV電纜相間短路的后備保護；另一段保護方向指向新寶變，用作4#機組區外故障的遠后備保護，即當能中新寶變220 kV變壓器短路故障或110 kV母線饋線短路故障時，首先由新寶變相應設備的主保護動作，若該主保護拒絕動作，則由新寶變相應的后備保護動作，將故障切除，若新寶變相應的后備保護拒絕動作，再由電廠主變阻抗保護延時動作，將發電機從故障系統中解列。

本次故障后從4#機組保護E柜檢查中發現，指向新寶變方向的主變阻抗保護44MT動作整定時間在裝置中實際設定為0 s，而保護整定書要求設定動作延時為2 s。即保護裝置實際設定為0 s動作，沒有按照遠后備保護延時2 s的要求來設定。因此，在本次新寶變110 kV母線饋線發生相間短路故障時，指向新寶變方向的測量阻抗接近于0，滿足小于整定阻抗的要求，保護0 s動作，即時間設定的錯誤導致了該主變阻抗保護沒經2 s延時就提前動作，引起機組跳閘，汽機脫扣。

主變阻抗保護0 s動作跳閘時，就發出了“4#機組保護E柜動作”的報警信號，同時汽機脫扣后，又將動作信號發給保護A柜和B柜，于是A柜和B柜保護出口也動作，發出“4#機組保護A柜動作”和“4#機組保護B柜動作”的報警信號。進一步檢查確認，該保護從2008年新機組投入正常運行后，尚未進行過校驗核查，保護裝置內動作時間放置0 s的原因，可能是在設備安裝調試過程中，調試人員進行特性試驗時臨時改變時間設定值，但校驗完畢后忘記將時間設定值按整定書要求恢復原值。

4.4 各機組間受影響差異的說明

由前述電壓下跌的分析可知，故障時0#、3#、4#機組發電機的電壓、6 kV和400 V廠用電系統都出現了不同程度的瞬時電壓下跌，發電機電流也出現瞬時急增，對機組部分電氣設備產生了影響。由于故障持續時間極短（100 ms），其電壓電流的變化是個三相不對稱的暫態過程，各機組設計上有差異，設備動態性能也不盡相同，所以各機組間受到的影響就有差異。

5 結論

5.1 本次故障中0#、3#機組的繼電保護和自動裝置等設備正確動作，由于110 kV系統主保護正確動作及時切除了故障，所以0#、3#機組保持了連續穩定運轉。

5.2 本次故障中，主要暴露了4#機組誤跳機的問題。在4#機組繼電保護安裝調試時，保護整定值清單由電廠提供，但是調試由制造廠和調試方負責，所以本次裝置設定錯誤是由制造廠和調試方引起。由于本保護時間設定錯誤，對機組的正常運行無影響，而且在電氣常規的開路、短路試驗時，也無法進行驗證，所以較難發現問題。

根據電力標準《DL/T 995-2006繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》規定，新安裝的繼電保護裝置投運一年內，必須進行第一次全部檢驗。4#機組在2010年2月時實施了首次B級檢修，在設備的檢修項目書中也安排了發變組保護的檢驗項目，但是檢修單位未按要求實施檢修，在檢修文件包的“檢修異常信息備忘”中明確反饋“本次檢修因時間關系，新寶變保護E柜未涉及”，由此錯過了一次改正錯誤的機會。

6 防范措施

（1）應對4#機組所有的繼電保護裝置檢修情況進行全面梳理，核查保護整定值清單和實際設定值，對存在的問題及時整改。

（2）設備管理方應嚴格執行繼電保護有關技術規程，切不可有僥幸心理，特別是對新建項目或改造項目，投運一年內，必須進行第一次全部檢驗。

（3）3#機組公用母線供電的兩臺控制氣泵在故障中均跳閘，建議將其中一臺控制氣泵電源改接至機組廠高變供電的廠用電源母線，避免110 kV系統故障時引起兩臺控制氣泵同時跳閘，給機組安全運行帶來威脅。

Analysis of the Effect of Faults in 110 kV Grid System on the Power Generating Unit

SHEN Jie
(Power Plant of Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China)

In a malfunction fault in BaoSteel Xinbao’s transformer substation 110 kV grid,three generating units in Baosteel Power Plant were affected more or less.Based on equipment actions and alarms and in light of the recorded fault waves,the electrical variables in the three units were calculated and explained.The cause of relay protection and actions of the automatic device were analyzed in depth,conclusion was drawn and recommendations were provided.

fault;voltage;current;relay protection

TM 774

B

1006-6764(2015)09-0006-05

2015－05－12

沈杰（1966－），男，1990年畢業于清華大學，在職工程碩士，高級工程師，電氣主任工程師，現從事發電廠電氣專業工作。