110 kV电网系统故障对发电机组影响分析

沈杰

110 kV电网系统故障对发电机组影响分析

沈杰

（宝山钢铁股份有限公司电厂，上海200941）

在一起宝钢新宝变110 kV电网故障中，宝钢电厂3台发电机组受到不同程度的影响。依据发电机组设备动作和报警情况，结合故障波形，计算说明宝钢电厂0#、3#、4#发电机组电气量的变化，深入分析了继电保护和自动装置动作的原因，得出了结论，为设备管理提出了建议。

故障；电压；电流；继电保护

1 前言

宝钢电厂0#发电机组额定容量为150 MW，3#、4#发电机组额定容量均为350 MW，3台机组电气主接线均采用发电机-变压器组单元接线制方式，发电机经主变压器升压后通过110 kV电缆接入宝钢新宝变110 kV母线系统；各机组厂用电均由发电机出线端支接的高压厂用变压器供电给6.3 kV厂用工作负荷。因此新宝变110 kV系统一旦发生故障，将直接影响3台机组的安全稳定运行。分析研究新宝变110 kV系统故障后电厂机组的设备运行及保护动作情况，对于提高发电机组的抗风险能力具有十分重要的意义。

现以一起新宝变110 kV电网故障为例，对发电机组继电保护及有关设备动作情况作深入分析，为设备管理提出对策。

2 事件经过

2010年12月16日19：54：04，宝钢新宝变110 kV电网中，1580热轧2#、3#主变发生单相接地及相间短路故障，并突发火灾，110 kV系统电压跌落96%（持续时间100 ms），受此影响，宝钢股份大院内炼铁、炼钢、冷轧、硅钢，钢管事业部的多条产线跳电停机，电厂0#、3#、4#机组也造成了不同程度的影响，故障时各机组主要报警信息及设备动作情况如下：

0#机组发出“DC110 V充电器A故障”、“DC110 V充电器B故障”、“DC220 V充电器A故障”、“UPS逆变器盘报警”、“DCS报警站1.23报警”、“发动机电压不平衡60.2报警”、“低电压27报警”等报警，瞬时复归，机组运行正常。

3#机组发出“发电机电流高”、“励磁机励磁电压高”、“发电机电流差值大”报警，瞬时复归；3#机组3A/3B控制气泵、3A杂用气泵、3#机消防水稳压泵，3C工业水泵，3A脉冲气泵，3A灰用气泵，3C放灰风机，3B灰处理排水泵，3#粗中转灰库排气风扇等脱扣，干渣回收系统全部停止。

4#机组发生“4#机组保护A柜动作”、“4#机组保护B柜动作”、“4#机组保护E柜动作”报警，发电机解列，汽机脱扣，由于FCB不成功，锅炉MFT停炉。

对4#机进一步检查后，发现发变组系统保护盘（A/B柜）发电机反时限过流保护51指示灯亮，新宝变侧的4#主变馈线保护盘（E柜）主变阻抗保护动作指示灯亮，保护装置内部跳闸事件量记录中有主变阻抗保护(保护方向指向能中侧)动作的记录，即有“Dis.Pick up L12 ON”、“Dis.Loop L1-2 F ON”、“Dis.Trip 3P ON”等，由此可确认本次4#机组解列是由发变组后备保护主变阻抗保护引起。

3 故障时的电气量分析

1580热轧2#、3#110 kV主变均由新宝变110 kV母线供电，这两台主变110 kV电缆箱几乎同时发生单相接地及相间短路故障，引起新宝变110 kV系统电压跌落96%，故障持续时间100 ms，必然对接入新宝变110 kV母线系统的电厂0#、3#、4#机组造成一定的影响。故障后，电厂检查了0#、3#、4#机组故障录波器，均发现新宝变110 kV侧母线电压大幅降低，0#、3#、4#主变110 kV侧电流大幅增大，引起发电机机端电压大幅降低，发电机电流大幅增大。为便于分析，以下列举4#机组故障录器记录的故障时电气量波形图进行说明。

图1为主变高压侧电压波形（即新宝变110 kV母线电压波形），从上到下分别为A、B、C各相电压。从图中可以看出，故障前，各相电压波形正常（相电压最大值约100 kV)；故障时，首先发生A相接地，A相电压下降为0，B相和C相电压升高；然后出现B相接地故障，B相电压下降为0，从而引发110 kV系统A－B相短路。整个故障时持续时间100 ms后，保护动作，故障被接切除，各相电压恢复正常。

图1主变高压侧电压波形（新宝变110 kV母线电压波形）

图2 为4#机发电机定子电压波形，从上到下分别为A、B、C各相电压。从图中可以看出，故障前，各相电压波形正常（相电压最大值约16 kV)；故障时，发电机各相电压出现不同程度的下跌，A相电压下跌约60%，B、C相电压下跌约20%。由于主变压器采用星-三角接线方式及阻抗的关系，使得发电机定子电压下跌程度有所减弱。

图3为4#机发电机定子电流波形，从上到下分别为A、B、C各相电流。发电机额定电流为11893 A。从图中可以看出，故障前发电机定子电流约为额定电流的0.88倍，故障时A相电流达到额定值的2.4倍左右，C相电流达到额定值的2.0倍左右。120 ms时，4#主变110 kV开关跳闸，A、B、C各相电流降为0。

图2 4#机发电机定子电压波形

图3 4#机发电机定子电流波形

4 受影响原因分析

4.1 0#机组受影响原因分析

参照图2电压波形分析可知，故障时0#机组400 V母线最大下跌电压超过60%，发生的有关直流充电器故障报警、UPS逆变器盘报警、报警站1.23等报警信号均是由于输入的400 V母线电源电压下跌引起；110 kV母线PT二次侧电压与发电机PT二次侧电压相差达到40%（设定值为20%），电压不平衡保护60.2发出报警；发电机电压严重降低下跌60%，低于低电压报警设定值，则低电压保护27发出报警。上述报警信号均动作正确，瞬时复归。

4.2 3#机组受影响原因分析

4.2.1 3#机组报警信号

参照图3发电机电流波形，故障时发电机A、C相电流瞬时急增，大于2倍的额定电流，AVR发出了“发电机电流高”的信号，同时为维持发电机电压，AVR自动增加了发电励磁，发出了“励磁机励磁电压高”的信号；同时由于发电机三相电流不平衡，AVR装置也发出了发电机相间电流差值大的报警，上述报警信号均动作正确，瞬时复归。

4.2.2 公用母线上辅机跳闸

3#机组正常运行中，公用负载（3A/3B控制气泵、3A杂用气泵、3#机消防水稳压泵，3C工业水泵、3A脉冲气泵、3A灰用气泵、3C放灰风机、3B灰处理排水泵、3#粗中转灰库排气风扇）的电源，设计上由电厂3#机组起动变压器供电系统供电，而该起动变压器是由新宝变110 kV母线供电。110 kV系统故障引起了上述公用负载因主回路接触器励磁电压失去而跳闸。

4.3 4#机组受影响原因分析

4#机组发生“4#机组保护A柜动作”、“4#机组保护B柜动作”、“4#机组保护E柜动作”报警，发电机解列，汽机脱扣。

4.3.1 保护A柜/B柜动作分析

从上述图3发电机电流波形分析可知，故障时4#发电机A相电流达到额定值的2.4倍左右，C相电流达到额定值的2.0倍左右。发电机反时限电流保护（51）整定值为1.05倍额定电流，保护A/B柜的发电机反时限过流保护启动51指示灯亮，但是过电流时间未达到整定值（查阅调试报告，2.0倍整定电流电流时实测动作时间为10.6 s），所以未发开关跳闸指令，装置内部无跳闸事件量记录。

4.3.2 保护E柜动作跳机分析

保护E柜配有4#主变阻抗保护，保护分为两段，其中一段保护方向指向电厂主变侧，作为电厂主变及110 kV电缆相间短路的后备保护；另一段保护方向指向新宝变，用作4#机组区外故障的远后备保护，即当能中新宝变220 kV变压器短路故障或110 kV母线馈线短路故障时，首先由新宝变相应设备的主保护动作，若该主保护拒绝动作，则由新宝变相应的后备保护动作，将故障切除，若新宝变相应的后备保护拒绝动作，再由电厂主变阻抗保护延时动作，将发电机从故障系统中解列。

本次故障后从4#机组保护E柜检查中发现，指向新宝变方向的主变阻抗保护44MT动作整定时间在装置中实际设定为0 s，而保护整定书要求设定动作延时为2 s。即保护装置实际设定为0 s动作，没有按照远后备保护延时2 s的要求来设定。因此，在本次新宝变110 kV母线馈线发生相间短路故障时，指向新宝变方向的测量阻抗接近于0，满足小于整定阻抗的要求，保护0 s动作，即时间设定的错误导致了该主变阻抗保护没经2 s延时就提前动作，引起机组跳闸，汽机脱扣。

主变阻抗保护0 s动作跳闸时，就发出了“4#机组保护E柜动作”的报警信号，同时汽机脱扣后，又将动作信号发给保护A柜和B柜，于是A柜和B柜保护出口也动作，发出“4#机组保护A柜动作”和“4#机组保护B柜动作”的报警信号。进一步检查确认，该保护从2008年新机组投入正常运行后，尚未进行过校验核查，保护装置内动作时间放置0 s的原因，可能是在设备安装调试过程中，调试人员进行特性试验时临时改变时间设定值，但校验完毕后忘记将时间设定值按整定书要求恢复原值。

4.4 各机组间受影响差异的说明

由前述电压下跌的分析可知，故障时0#、3#、4#机组发电机的电压、6 kV和400 V厂用电系统都出现了不同程度的瞬时电压下跌，发电机电流也出现瞬时急增，对机组部分电气设备产生了影响。由于故障持续时间极短（100 ms），其电压电流的变化是个三相不对称的暂态过程，各机组设计上有差异，设备动态性能也不尽相同，所以各机组间受到的影响就有差异。

5 结论

5.1 本次故障中0#、3#机组的继电保护和自动装置等设备正确动作，由于110 kV系统主保护正确动作及时切除了故障，所以0#、3#机组保持了连续稳定运转。

5.2 本次故障中，主要暴露了4#机组误跳机的问题。在4#机组继电保护安装调试时，保护整定值清单由电厂提供，但是调试由制造厂和调试方负责，所以本次装置设定错误是由制造厂和调试方引起。由于本保护时间设定错误，对机组的正常运行无影响，而且在电气常规的开路、短路试验时，也无法进行验证，所以较难发现问题。

根据电力标准《DL/T 995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程》规定，新安装的继电保护装置投运一年内，必须进行第一次全部检验。4#机组在2010年2月时实施了首次B级检修，在设备的检修项目书中也安排了发变组保护的检验项目，但是检修单位未按要求实施检修，在检修文件包的“检修异常信息备忘”中明确反馈“本次检修因时间关系，新宝变保护E柜未涉及”，由此错过了一次改正错误的机会。

6 防范措施

（1）应对4#机组所有的继电保护装置检修情况进行全面梳理，核查保护整定值清单和实际设定值，对存在的问题及时整改。

（2）设备管理方应严格执行继电保护有关技术规程，切不可有侥幸心理，特别是对新建项目或改造项目，投运一年内，必须进行第一次全部检验。

（3）3#机组公用母线供电的两台控制气泵在故障中均跳闸，建议将其中一台控制气泵电源改接至机组厂高变供电的厂用电源母线，避免110 kV系统故障时引起两台控制气泵同时跳闸，给机组安全运行带来威胁。

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年毕业于清华大学，在职工程硕士，高级工程师，电气主任工程师，现从事发电厂电气专业工作。