线路跳闸导致机组过速保护动作仿真分析与处理

线路跳闸导致机组过速保护动作仿真分析与处理

金培军

(新疆地方电力中心试验研究所， 新疆 乌鲁木齐830000)

【摘要】本文分析了一起220kV送出线路单相接地故障跳闸，重合于永久故障后线路跳闸。机组孤网运行情况下机组过速保护动作，全厂交流失压，后机组开机并入系统运行正常。事故显示送出线路故障跳开后，机组进入孤网运行状态，PI调节方式下机组频率振荡，机组高频保护动作导致紧急停机，机组紧急停机造成全厂及孤网交流失压。机组故障仿真及事故过程分析显示，随着孤网运行模式的变换，机组孤网运行判据应相应修正并予以试验。

【关键词】线路； 跳闸；仿真分析；孤网运行模式

中图分类号：TV734

Simulation analysis and treatment of unit over-speed protection

action due to line tripping

JIN Peijun

(XinjiangLocalPowerCenterTestResearchInstitute,Urumqi830000,China)

Abstract:In the paper, a single-phase grounding failure tripping on 220kV outgoing line is analyzed, which is overlapped with line tripping after permanent failure. The unit has over-speed protection action under the condition of unit isolated network operation. The whole plant suffers from AC under-voltage. The rear unit is started and incorporated into the system for normal operation. After outgoing line failure tripping is displayed due to accident, the unit enters into isolated network operation state. The unit frequency is fluctuated under PI regulation mode. Unit high frequency protection results in emergency suspension. The whole plant and isolated network suffer from AC under-voltage due to the emergency suspension of unit. Unit failure simulation and accident process analysis show that unit isolated network operation judgment should be correspondingly corrected and tested with the change of isolated network operation mode.

Key words: line; tripping; simulation analysis; isolated network operation mode

下坂地水电站地处高寒、高海拔山区，装机容量为3×50MW，电气主接线采用发变组单元接线，机端额定电压10.5kV，经10.5kV母线送至额定容量为63MVA三相双线圈无励磁调压升压变压器SSP9—63000/220的低压侧，主变高压侧送至220kV单母线，经由母线送至220kV坂英线与220kV降压站。

1线路故障跳闸后的异常现象

2014年11月25日17时29分，1号发变组并网[1]发电，有功功率20MW，4号主变为运行状态，负载15.2MW，坂英线负载3.9MW，坂士线、坂齐线、1号厂变、1号隔离变为运行状态，2号、3号机停机热备。电气一次主接线如图1所示。

图1　下坂地水电站电气一次主接线

17时29分7.083秒，220kV坂英线2919光纤及差动距离保护动作，1号机事故停机，1号机组大于115%转速水机常规保护动作，220kV坂英线2919断路器跳闸，220kV 4号主变高压侧断路器2204跳闸，220kV 1号主变高压侧断路器2201跳闸，10.5kV 1号发电机出口断路器1001跳闸，全厂交流失压。

2事故原因分析

坂英线故障光纤差动保护录波如图2所示。

图2　坂英线故障光纤差动保护录波

线路光纤差动保护录波显示：坂英线C相接地，线路光纤差动保护动作，单相重合闸启动后合闸于永久故障，坂英线线路2919跳闸。

坂英线2919断路器跳闸后，调速器检测到主变高压侧断路器未跳闸的情况下仍为并网运行模式，孤网运行频率波动范围大，频率波动范围超出50.03Hz，调速器一次调频功能启动，因超调机组大于115%电气额定转速，水机常规保护[2]动作于停机。造成本次机组水机常规保护动作的原因为下坂地站220kV降压站未接入主网时，塔县电网通过10kV母线与下坂地并网，1号机孤网试验时，孤网运行方式默认为1号发电机出口断路器合闸。下坂地站220kV降压站接入主网后，塔县电网通过220kV降压站降压为110kV后接入主电网。

3故障仿真分析

下坂地水电站单机容量50MW，单机孤网运行时最高负荷不足20MW，PID参数优先稳定性，空载运行工况下线性MATLAB平台仿真模型[3]如图3所示，其对象参数为Ty=0.2，ey=0.74，eqh=0.491，eh=1.4,eqy=0.78，Tw=1.62s,Ta=6.67s，Tb=2.001s，en=1，其中，Ty为接力器反应时间常数；ey为水轮机力矩对导叶开度的传递函数；eqh为水轮机流量对水头的传递函数；eh为水轮机力矩对水头的传递函数；eqy为水轮机流量对导叶开度的传递函数；Tw为水流惯性时间常数；Ta为机组惯性时间常数；Tb为电网惯性时间常数；en为机组综合自调节系数。

图3　水轮机线性调节系统模型

单机孤网PID调节模式下空载稳定性如图4所示。

图4　单机孤网调节模式下空载稳定性曲线

空载稳定性仿真显示：机组进入空载运行后，抗2Hz频率扰动高频达55.08Hz，后逐步趋于稳定。机组并网运行状态下，遇出线故障跳闸，机组进入频率调节模式应能可靠自稳。

为还原坂英线2919断路器跳闸后机组过速保护动作情况，搭建了故障状态线性MATLAB平台仿真模型[4]，如图5所示。

仿真结果如图6所示。

图5　坂英线故障跳闸系统仿真模型

图6　仿真结果

仿真结果表明：故障状态下，机组开度调节即PI调节模式，一次调频状态下比例系数Kp设定为5，孤网下频率振荡至高点75.22Hz。机组进入孤网运行状态后，机组115%电气过速保护动作于水机停机。

水轮机调节系统比例系数Kp越大，系统的响应速度越快，但产生超调和振荡甚至导致系统不稳定。仿真结果清晰表明：线路故障[5]状态下，机组调速系统因未切换至空载频率调节模式导致超调，机组过速保护动作于停机。

4故障技术处理措施

调速器孤网运行条件下的自稳，调速器电调应采用频率调节模式即PID调节方式，孤网与主网运行调速器调节模式的切换应结合电网运行条件的变化修改。在电网电源点薄弱的区域(如南疆孤网)，为避免事故情况下如送出线路故障跳闸而诱发机组过速保护停机，孤网调频逻辑切换根据电网运行情况进行修订。

更换孤网判据：发电态下增加孤网运行模式，在坂英线断路器分位、网频大于50.30Hz即坂英线对侧断路器跳闸或网频波动过大，机组转入孤网运行模式即频率调节模式运行，发电态下转入频率调节模式后，机组机频跟踪频率给定50Hz。与大电源网连接的模式下，调速器采用开度调节模式即PI调节方式，机组并网一次调频运行显示机组调频性能良好。

5现场处理

5.1硬接线回路改造

硬接线回路将坂英线2919断路器辅助接点的常开点引入调速器开入，在接线过程中，因220kV线路保护重合闸功能投入，坂英线2919断路器A、B、C相辅助接点常开点采用并联方式接入系统。

5.2软件完善

调速器软件利用逻辑判据对调速器孤网进行了修订。机组并网运行方式下，调速器PCC开关量输入检测到坂英线断路器分位即三相跳闸后转入孤网调节；另调速器PCC模拟量输入检测网频超过50.3Hz后转入孤网调节模式。

由于下坂地水电站110kV接带部分系统负荷，为保障220kV坂英线跳闸后下坂地水电站孤网系统频率的稳定性，优化下坂地水电站稳控相关策略。若稳控系统判断1号机组、2号机组、3号机组无故障跳闸，同时启动前跳闸机组功率和大于20MW，则向英吉沙站发机组跳闸信息，经英吉沙站转发至金鹿变，由金鹿变执行连锁策略。

5.3电气过速保护定值修改

原水机保护设计过速保护设定为：电气过速115%电气额定转速即动作于机组紧急停机。从图4中看到，机组达到115%电气额定转速后机组转速上升趋势偏缓，调速器电调处于可调节状态，机组具备自稳条件。为了保障孤网条件下的自调节，将机组电气过速保护定值修订为130%电气额定转速报警，机组停机设置为140%电气过速保护停机。

6建议

随着电网结构的不断变化，机组孤网运行模式判据会发生相应变化，为保障电网及电厂的运行安全，应结合电网变化情况适时完善机组孤网判据，并结合机组检修展开试验验证。

在电源点薄弱区域，机组进入孤网调节后，机组频率波动大，调速器频率调节会出现较大范围波动。一旦机组频率波动大，易诱发调速器事故低油压动作，进而引发机组事故停机，极端情况下易引发全厂交流失压。为确保设备运行安全，应适时有针对性地开展反事故演习，重点针对机组不利运行工况,才能更好地保证电厂的安全运行[6]。事故同时凸显了涉网试验对机组安全运行的重要性，对类似电站管理有一定的参考价值和借鉴作用。

参考文献

[1]Xiao Junming,Yu Yihua,Liu Liping,Liu Pengcheng,Du Yinghu,Jia Liangbao.Research on hydraulic power plant monitor and control system based on NC2000[C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Advanced Mechatronic Systems.Tokyo,Japan,September 18—21:690-694.

[2]肖俊明,余义华,贾良宝.计算机监控系统在水电厂机组控制中的应用研究[J].水利水电技术,2013,44(11):124-127.

[3]肖俊明,余义华,贾良宝,等.基于仿真的主变非完全差动保护误动分析与处理[J].水利水电技术,2014,45(4):50-54.

[4]余义华.基于MATLAB/Simulink的GIS盆式绝缘子闪络放电分析与处理[J].水利水电技术,2012,43(10):88.

[5]余义华. 基于Simulink的220kV高压电缆头闪络放电分析与处理[J].电工技术,2014,(8):17.

[6]余义华.下坂地水电站1#机组启动试运行综述[J].水利水电技术,2012,43(10):68.