线路遭雷击引起发电机组差动保护动作分析

陈碧雨，唐 栋，郑明友

（1.湖北能源集团新能源发展有限公司，湖北武汉 430000；2.湖北能源集团溇水水电有限公司，湖北鹤峰 445800）

差动保护是发电机的主保护，随着微机保护的采用，差动保护的灵敏度得到了极大的提高，但是由于接线错误或设备配置不当，经常会造成保护误动，影响发电机的正常运行，造成差动保护误动作的原因主要有：外部短路时的不平衡电流；电流互感器二次回路断线；接线不正确或设备配置选型不当等。笔者从事小水电站工作多年，现将工作中遇到的发电机差动保护不正常动作情况案例进行分析，介绍处置成功的方法，探讨处置类似问题的解决方案。

芭蕉河水电站坐落于湖北省恩施州鹤峰县境内，属于流域梯级电站，上游一级电站装机为2台17 MW立式混流水轮发电机组和1台1 MW卧式混流水轮发电机组，下游二级电站装机为2台8 MW立式混流水轮发电机组。蕉二级电站自建厂以来多次发生110 kV外送线路受强雷击时，造成5G机组差动保护动作的事故。本文主要分析5G机组差动保护动作的事故及解决方案。

蕉二级电站2台8 MW水轮发电机组电气主接线图（见图1）采用双机、单变三绕组、10 kV单母线、35 kV单母线、110 kV单母线接线方式。机组出口开关柜、主变低压侧开关柜内均装有过电压避雷器，二次设备采用微机监控保护，电流电压回路电缆均采用KVVP阻燃屏蔽控制电缆。

1 事故经过

2013－06－22日5G机组处于发电状态，电站附近有强雷雨天气，于15时22分13秒110 kV双蕉线有雷电流流过，B、C两相放电计数器各动作一次，同时，故障录波装置启动，查看波形记录，波形凌乱。15时22分13.765秒5G机组差动保护动作跳发电机出口开关，监控系统报警信息记录显示：5G机组甩负荷机组过速N＞144%Ne，至紧急事故停机。

2 事故现场检查

机组保护装置检查，无异常；5G机组监控屏及励磁屏柜检查，无异常；5G机组差动保护范围检查，机组定子绕组无异常，转子绕组无异常，机坑无异常气味。机组机端至出口开关铜排无异常；5G机组机坑紧固螺栓、剪断销等部件检查，未发现异常。5G机组机尾电流互感器检查，接线端子无松动；机组绕组及出口铜牌电缆三相绝缘测试，相间为700 MΩ，相对地为500 MΩ，绝缘良好。检查完毕后，下令启5G机组至发电态分别带负荷2 000、4 000、8 000 kW，并观察保护装置采样值的变化，均无异常。

综合5G机组以往差动保护动作情况分析，此次属于110 kV线路遭雷击后，雷电流穿越引起5G机组差动保护动作。

3 原因分析

3.1 从保护动作期间的运行工况及经验进行分析

1）5G机组差动保护动作期间，机组运行正常，电站周围有强雷电天气。

2）5G机组差动保护动作期间，110 kV线路B、C相放电计数器各动作一次，同时，故障录波装置记录波形出现波动，可以确定有雷电流通过。

3）5G机组自投产以来，发生过因110 kV线路遭受强雷击引起5G机组差动保护动作事故且事故现象及检查结果基本相同。

因此，可以判定此次差动保护动作与雷击有关［1］。

3.2 从故障后设备检查结果分析

5G机组保护差动动作中，A相差动电流为5.022 A，相当于故障点有较大的故障电流，保护范围内应有明显的故障点。但经过检查，一次设备均没有明显故障点且定子绕组的绝缘良好，二次设备也无故障现象，机组至发电态后均没有发现任何故障。

因此，可以判定此次故障不是机组保护范围内的故障。

3.3 从差动保护动作报告分析

差动保护动作时刻，差动电流5.022 A，制动电流9.948 A；

整定值差动电流2 A，制动电流3.437，制动系数0.45；

可知S＝3.022／6.511＝0.464＞0.45故在动作范围内，保护装置正常动作。二次回路经检查未发现松动迹象，且机组发电态采样值正常及接线方式无误，冬修冬试期间，检验保护装置均正常。采样值显示A相差动电流明显高于B、C两相差动电流，其不平衡电流在整定时已经躲过，故不影响保护正常动作。

因此，可以判断与保护装置及二次回路无关。

3.4 从差动保护电流互感器因素分析

蕉二级电站5G发电机差动保护为保护机组定子绕组、引出线的相间短路而装设，其动作原理是基于被保护机组的机端和尾端的电流。在外部故障和正常运行时，忽略被保护设备的泄漏电流和电容电流，被保护机组机端和尾端的电流是相等的，如果电流互感器选型伏安特性完全相同，则机尾端二次电流相位一致、大小相等，差动电流为零，保护不动作［2］。

5G发电机差动保护动作跳闸，经检查动作报告发现微机保护动作正常，差动回路中有大于保护动作值的不平衡电流产生。经现场检查发现，用于发电机差动保护的两组电流互感器型号不一致，对比两组电流互感器的伏安励磁特性试验数据，也存在差异。

1）查阅图纸及现场核查差动保护电流互感器，机尾电流互感器6LH天津市某设备厂型号LMZ1－10，变比800／5，准确等级10P15；开关柜内电流互感器2LH广东市某机电厂型号LDJ3－10W，变比800／5，准确等级10P10。

2）查阅试验报告，两组CT电流互感器的伏安特性拐点相差较大［3］，故其磁饱和程度需进一步试验，便于更直观将试验曲线合并（见图2）。CT电流互感器10%误差曲线是否与满足目前电流互感器二次侧负载特性［4］，因电流互感器至保护装置二次电缆电路较长其阻抗值是否满足10%误差曲线要求，需进一步验证。

3）电流互感器的安装位置。电流互感器安装在机端出口开关柜与机尾，电流互感器间的电缆、铜牌与定绕组共同构成了LC滤波器，可以吸收多次谐波雷电流，这样可能会导致机尾电流互感器未受到大的影响，而机端电流互感器受到多次谐波电流的影响导致差流达到保护的定值，差动保护动作［5］。

据3.1、3.2项推定，外部雷电流穿越造成的差动保护动作，那么假设机端电流互感器与机尾电流互感器的电流相角未受外部电流影响。

｜I1－I2｜＝5.022

｜I1＋I2｜＝9.948

I1＝7.485 A

I2＝2.463 A

5G机组带负荷7 900 kW左右，换算二次电流约为2.8 A，与I2值相差不大，如果假设成立，那么可以认为机尾未受到较大的外部雷电流多次谐波的影响。

综上4方面可以认定，此次差动保护动作事故因雷电流穿越引起，与电流互感器型号及匹配情况、磁饱和程度、电流互感器的安装位置、电流互感器二次侧的负载等因素有关。

4 拟定处置方案

1）适当提高制动系数（0.1～0.9）至0.5，躲过因雷击暂态影响。

2）考虑做磁饱和试验，验证互感器二次负载情况及出口开关处电流互感器与机尾电流互感器的匹配情况，考虑更换为按10%误差特性同厂家同型号同变比同精度的电流互感器。

3）若以上不能解决，考虑差动保护采样电流从机端出口4LH电流互感器处采样，此方案因缩小差动保护范围，铜排及电缆不在差动保护范围，只能依靠复合过流保护，存在一定的隐患。

5 处理措施

根据以上分析，选用第一种方法未取得理想结果，拟采取第二种方法：水轮发电机组机端与机尾电流互感器虽然变比和CT误差范围均一致，但两组电流互感器非同一厂家制造及CT10%误差曲线M值存在区别，且报告显示两组电流互感器CT伏安励磁特性试验数据和曲线存在差异［6］，故推测在雷电波入侵后，外部雷电流流过机端－铜排－定子绕组－机尾，造成两组电流互感器存在一组先进入饱和状态，从而导致差动保护误动。经讨论后，2014年12月现场利用10 kV开关柜改造机会，对差动保护电流互感器重新选型，定制两组同一厂家制造同性能参数的电流互感器。

6 处理效果

发电机出口开关柜内电流互感器和机尾电流互感器改造更换后，5G机组运行至今，期间110 kV线路经历了数次雷击，没有再发生因雷电引起的发电机差动保护误动作的现象。

7 结 语

蕉二级站5G发电机差动保护动作出口跳闸，是由于发电机差动保护两侧采样电流互感器型号及性能参数不一致，即CT伏安励磁特性曲线、10%误差特性所允许的负载和一次侧电流倍数不同，使得在外部短路时，电流互感器饱和点不一样，即一侧CT饱和，一侧CT不饱和，使两侧CT采样数据误差增大，进而产生的不平衡电流相应增加较大，微机保护采样运算值至保护整定动作值或大于整定动作值时，保护动作跳闸出口。