发电厂高压电厂用电系统接地故障导致机组全停事故分析

张兵海,常永亮,王献志,赵宇皓

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

发电厂高压电厂用电系统接地故障导致机组全停事故分析

张兵海,常永亮,王献志,赵宇皓

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

介绍了近期发生的几起火力发电厂高压厂用电系统接地故障,对其相对应的继电保护拒动原因进行了分析,探讨继电保护配置及整定、防止机组全停措施,提出需要改进继电保护配置、整定、试验原则以预防发电厂高压厂用电系统接地故障导致全停事故的建议。

发电厂;厂用电系统;接地故障;继电保护

1 概述

随着发电机组容量的增大,其厂用辅机供电系统容量也在增大,为了抑制因电容电流过大导致的接地故障时的暂态过电压,降低其对设备绝缘的破坏,现在的发电厂高压厂用系统均已不再采用不接地方式和消弧线圈接地方式,而是变压器中性点经过一固定数值的电阻接地[1]。当高压厂用系统发生接地故障时,接地电流一般为200～600 A不等(与电压等级和配置的接地电阻阻值相关联,电阻阻值的选择与电容参数相关联),配置相应的继电保护隔离故障设备,则机组能够继续运行。

2 高压厂用电系统接地故障分析及措施

2.1 案例1

2.1.1 故障概况

某厂600 MW机组高压厂用电系统为10kV电压等级,10kV公用01A段为1号机组的10kV1B段供电、01B段为2号机组的10kV2A段供电,主接线见图1。

图1 某厂600MW机组高压厂用10kV系统主接线

机组运行过程中,从10kV2A 工作段到10kV01B公用段的电缆发生接地故障,因为01B工作进线开关没有配置接地保护,2A工作进线开关也没有配置接地保护,由2号机组的2A高压厂用电变压器10kV侧中性点接地保护动作跳开02A工作进线开关,快切合上备用进线开关,因为故障点仍然存在,备用进线开关再由保护动作跳闸,2号机组失去一半厂用负荷后锅炉燃烧没有稳住致使机组停机。01B失电后自动合入联络开关,即

切至由01A公用段供电到01B段,因为接地故障仍然存在,因为接地保护没有配置的原因,由1号机组的1A高压厂用电变压器接地保护动作跳开1A的工作进线开关,快切合上备用进线开关后又因为同样原因跳闸使1号机组停机。

2.1.2 关键位置配置零序电流互感器的必要性

因为高压公用段一般运行的是2台机组的公用负荷,一般为非一类电机,而工作段电机一般均为一类电机,因此工作段与公用段在供电重要性方面有一定区别。此电厂设计年代尚没有能满足要求的大口径零序电流互感器(有6根3×185 mm2电缆),因此设计没有配置零序保护,因此在接地故障时工作段与公用段实际上等同于一个段,扩大了故障影响范围。当没有满足要求的大口径零序电流互感器情况下,可使用每根电缆安装一个零序电流互感器,各电流互感器二次回路串接后送入零序保护,可实现接地保护的目的。

2.1.3 机组稳定运行的能力控制

大机组高压工作段一般设计为两个段或以上,当运行于之一段上的电机故障后,由成对配置的另一电机以热备用或冷备用的方式启动接替故障电机的作用,从而实现不影响机组负荷的目的。对于冷备方式启动的电机,实际上因为往往因为此高压电机的低压润滑油泵电机所在段没有电源而导致高压电机无法自启,从而导致负荷下降进而停机。

优化电机配置,将配合作用的高低压电机系统性地看待可从根本上改变在紧急情况下备用电机无法启动的情况,从而保证在特殊情况下不降负荷、或者不停机。

2.1.4 建议

由图1可看出,机组的2个公用段并没有由同名的工作段带,而是交叉工作(即2A带01B、1B带01A),设计之初的原因是考虑2个工作段的负荷平衡,因为该厂机组为空冷机组,没有汽动给水泵,而电动给水泵容量较大。如此设计的后果则是公用段接地故障导致工作段失电,切至备用电源后导致两备用变全部跳闸,即失去全部备用电源,不利于机组的安全停机。

2.2 案例2

2.2.1 故障概况

某厂300MW机组1号机组6kV1A工作段的1B胶带机发生接地故障,配置于胶带机开关的综保接地保护拒动。

2.2.2 原因分析

胶带机为一个断路器带2个电机形式。当时1台电机检修,拆电机2电缆后两端接地,安全措施如图2。

图2 某厂300MW机组1/2胶带机检修时安全措施示意

安全措施做好后,合开关电机1启动。启动过程中,高压厂用电变压器零序过流保护1段动作跳开本段工作进线开关,故障录波显示接地电流为320A。高压厂用电变压器6kV侧中性点接地电阻9.09Ω,胶带机支路零序TA变比100/1,零序保护定值为0.8A、0.4s。

因为在拆电缆时误将不准备检修的电机电缆的V相拆下,造成了电机1的U、W相带电,和电机2电缆V相的接地故障,而对于反应2根电缆的零序电流互感器应该能够感应出与一次故障电流对应的二次接地电流,如图2所示,因为被拆电缆两侧挂有接地线,因为两个接地点不同,实际流经零序电流互感器的一次接地故障电流并非足够大。

根据火力发电厂设计技术,胶带机一般位于输煤皮带的桥段位置,距高压段母线电缆长度大于350m,案例中的胶带机电缆长度为380m。高压厂用系统接地故障的电流回路是高压变厂用侧相绕组-共箱母线-母线-电机支路电缆-接地故障点-接地母线(大地)-变压器中性点,见图3。

图3 接地故障电流分流电路

图3中,Z1为电机V相电缆阻抗,Z2为电机本体到电缆首端的U、W相电缆阻抗,Z3为开关到高压厂用电变压器中性点接地网阻抗,Z4为电机本体到高压厂用电变压器中性点接地网阻抗, Z0为高压厂用电变压器中性点接地电阻阻抗。电

缆为3×95mm2电缆,单位阻抗为0.247+j0.107 Ω/km,电缆长度为约0.4km,开关到高压厂用电变压器距离为约0.1km,接地网阻抗为10Ω/km,因此可计算出各阻抗参数,按6kV的相电压计算接地故障总电流为322.8A,与实际故障电流相符,进而可计算出I02=82A。因为电机1的IA+ IC=-IB,因此由电机1产生的零序电流为零,零序电流互感器的输出电流主要由电机2产生;电机2的V相有两个接地点,即两个电流I01和I02,设I01为开关侧接地电流,I02为电机本体侧接地电流,因为开关距离高压厂用电变压器中性点位置远近于电机本体位置,因为接地电阻的原因,接地电流I01＞I02,I01是通过电缆回流到开关侧接地点的电流,分析可知I01在零序电流互感器中没有感应出电流,零序电流互感器的输出电流是由I02产生的,因I02理论计算值与保护动作门槛接近,电机保护拒动,由上级保护动作跳闸。

高压厂用电机支路接地保护的整定原则没有标准规程可供参考,实际整定过程中一般有2种选择,其一是按躲过电机支路正常可能的最大零序电流,其二是按电机支路发生接地故障时的最大零序电流取一定灵敏度[2];由此2个原则可以看出,按原则二考虑选取的定值肯定高于原则一,虽在一般情况下均能灵敏反应所保护设备,但是对于本例中的情况则可能因灵敏度问题而使保护拒动。分析认为,按照DL/T5153-2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》中规定的高压厂用允许接地电容电流数值进行整定较为适宜,一般取一次电流15～20A、延时0.3～0.5s,则可有效保护到各种接地故障。

2.3 案例3

2.3.1 故障概况

某厂1000MW机组1号机组6kV1A工作段的给水泵前置泵电机电缆引线发生接地故障,高压厂用电变压器零序过流1段保护动作跳开工作进线开关,因为一次侧零序与相分支不在同一侧而二次接线仍按同一侧接线,因此零序1段动作后故障仍存在,零序2段动作停机。

故障记录显示,高压厂用电变压器零序保护动作值为528A(TA变比600/1,记录值为二次0.88A,保护定值0.2A、延时1段1.1s和2段1.7 s),电机综保记录动作电流为198A(TA变比150/5,记录值6.598A,保护定值0.65A、延时0.3 s),即电机支路综保装置记录的电流与高压厂用电变压器保护装置记录的电流大小不一致。

2.3.2 电机保护拒动原因

理论上分析电机的零序过流保护应在高压厂用电变压器零序过流保护之前动作,而实际上却晚于高压厂用电变压器零序2段,造成此后果的原因事后检查是电机综保的零序保护模块TA二次额定电流配置错误,应选择5A而实际是1A,因此故障电流大于装置允许的电流范围后,装置已不能正常反应故障电流,装置的电流二次变换电路饱和,影响了保护的正常动作。

对于最大故障电流已明确的系统,应在试验时选择其中一套保护装置加入最大故障电流对应的二次电流,检查装置的动作情况。

2.3.3 保护后备段动作导致机组全停原因

大部分三绕组双分裂变压器低压侧的两个绕组的中性点设计位置与相绕组在同一侧,因为变压器内部绕组结构设计的原因,有一部分厂家的设计没有在同一侧,即低压绕组1的中性点出线设计在了绕组2一侧,绕组2的中性点出线设计在了绕组1侧,这样仍然按在同侧进行二次安装接线,则在实际发生接地故障时会造成对应接地保护动作跳闸后仍然有故障电流存在,直到变压器全停(或机组全停)。

可通过投运前一次模拟试验的方法进行检查,即在一次系统(母线或支路)上挂接接地线模拟一次接地故障,使用发电机或升压升流设备检查一、二次接线是否正确。

3 结论

对于发电厂高压厂用系统接地故障的继电保护配置与整定,应根据系统的特殊情况进行特殊分析,应尽量消除继电保护盲区,尽量提高继电保护灵敏度,降低各种可能的保护拒动行为的发生。

与发电机和大型变压器等主设备保护和高电压等级继电保护(110kV及以上)不同,发电厂高压厂用系统设备的继电保护的标准、规程相对不足,现场应根据此系统继电保护的特点开展一些适用于现场的类似于型式试验的试验项目。

[1] DL/T5153-2002,火力发电厂厂用电设计技术规定[S]

[2] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京:中国电力出版社,2010.

本文责任编辑: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

张兵海(1968-),男,高级工程师,主要从事各类继电保护及自动装置的试验研究工作。