飞来峡电厂发电机组定子接地保护误报警误动作原因分析

肖南文

(广东粤海飞来峡水力发电有限公司，广东 清远 511825)

1 概况

1.1 故障前的一次设备运行工况

飞来峡电厂一次设备运行情况为：1#机组、2#机组和4#机组均带负荷30 MW运行，3#机组检修，1#主变、2#主变运行，220 kV飞浩线2 387开关运行，110 kV 1#主变变中101开关运行，10.5 kV 1#主变变低5 010刀闸运行，110 kV飞北线121A开关热备用，110 kV 2#主变变高102开关运行，10.5kV厂用电510、520和530开关运行，500和550处于热备用状态(10 kV三段厂用电分段运行)，10 kV厂用电备自投装置投入状态。飞来峡电厂一次设备[1]如图1所示。

图1 一次设备示意

1.2 故障现象

2019年4月13日02时04分，监控系统出现220 kV 1#主变“10.5 kV PT101接地故障”报警，10 kVⅠ段母线接地保护动作(64B)、1#机组定子接地报警和2#机组定子接地保护(64G)动作跳闸等信息，1#、2#机组分别甩30 MW负荷跳闸。机组跳闸后接地跳闸报警信号自动消失。1#、2#机组出口开关501、502跳闸，厂用电备自投装置退出。现场检查发现如下信息。

1) 220 kV 1#变压器保护装置

1#变压器保护装置A屏、B屏面板上出现装置报警和主变低压侧零序电压报警，无跳闸信号。

2) 1#、2#机组保护装置

1#机组保护柜10 kV母线1接地、发电机频率保护、发电机断路器失灵保护信号灯亮，2#机组保护柜发电机定子接地保护灯亮；现场检查1#、2#机组出口开关501、502已跳开，两台机组都已停稳。

3) 1#、2#机组及10 kVⅠ段母线柜检查

现场对10 kV厂用母线PT柜绝缘、10 kV封闭母线、10 kV部分馈线电缆和1#、2#机组出线电缆等进行外观检查，未发现异常，但在10 kV电缆廊道闻到焦味。

4) 开关站220 kV 1#变压器及5010刀闸室检查

220 kV 1#变压器外观未发现异常，但在开关站5010刀闸室也闻到烧焦气味。

2 故障处理及存在的问题

2.1 故障处理[2]

事件发生后，当班值长立即通知运维值班人员到现场检查处理，向中调汇报220 kV 1#主变运行情况和1#机组、2#机组跳闸停机等事件；并立即下令倒换厂用电，将电厂10 kV厂用电Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分段运行倒换为由Ⅲ段带Ⅰ段与Ⅱ段分段运行，联系地调申请向飞北线送电；然后向中调汇报保护装置动作情况且做好相关记录，并向中调申请将220 kV 1#变压器由运行转为冷备用，填报紧急抢险单作进一步检查处理。

2.2 发现的问题

根据10 kV电缆廊道和5010室闻到的烧焦气味，推测其原因可能是1#主变低压侧到10 kV封闭母线某处存在故障，打开该段封闭母线盖板，发现220 kV 1#主变“10.5 kV 出线母线口A相绝缘板烧毁，故障判定为1#主变低压侧A相弧光接地故障，遂做整体更换处理，后测其绝缘值，绝缘A相68 MΩ、B相62 MΩ、C相105 MΩ，试验合格(规程10 MΩ满足要求[3])。

通过与出现的报警信息对比，发现A相绝缘板烧毁是1#主变低压侧母线接地保护(64B)动作的直接原因，在该故障过程中不应出现1#机组定子接地报警和2#机组的定子接地动作的信息，即1#主变低压侧接地保护动作属于机组定子保护区外故障引起，1#机组和2#机组定子保护区内并无故障发生，其定子保护不应该有报警和动作信息。

由于上述可以确定故障为1#主变低压侧母线接地保护(64B)动作所引起，根据1#机组跳闸矩阵设置，1#机组母线接地保护64B动作后果是自动停机和启动失灵[4]，而不是跳出口断路器，所以按照失灵保护的逻辑，在母线接地保护64B动作时同时也启动了失灵保护，并且由于是自动停机，发电机在停机前仍然带着负荷，这样就满足了失灵保护的动作条件：保护启动且电流>0.1 A，经过0.3 min后失灵保护将动作重跳出口断路器并点亮红灯，断路器跳开后失灵保护返回，失灵保护的黄灯是用来监视保护启动信号超时的，在没有电流的情况下如果保护启动信号持续超过5 min(定值)将复归该启动信号并点亮黄灯，失灵保护将被闭锁，这样的设计为防止在并网前如果有失灵保护启动开入量一直在动作(如误启动，开入量故障等情况)，而并网后加上电流条件会引起失灵保护动作。报警信息中的失灵保护属于正确动作，下文不再做原因分析说明。

3 原因分析及整改措施

3.1 原因分析

1) 接地保护原理及定值[5]

飞来峡电厂发电机定子接地保护为定子接地零序功率方向保护[6]，采用零序电压和零序电流作为判断依据。零序电压作为动作量，而用零序电流与零序电压间的相位角来判断接地点的范围。无论在系统那一点发生接地故障时，都将有电流流过发电机中性点配电变压器同时出现电压降，从而该电压降在变压器二次电路的电阻中产生一个电流，这个电流经过一个中间CT， 另外在发电机出口零序CT的二次绕组产生一电流量，通过方向组件比较这两个电流量的方向来判断故障范围，如果两个电流方向相同则保护发生在保护范围外，如果两个电流方向相反则故障发生在保护范围内。

飞来峡电厂为扩大单元式机组，为确保发电机区内和区外接地时具有选择性[7]，定子接地保护采用的是方向接地保护功能64G[8]，该功能使用中性点零序电压作为动作判据，中性点及机端零序电流与中性点零序电压的角度作为方向判据来区分区内还是区外接地(如图2所示)，另外对区外接地还考虑了在主变低压母线接地时发电机中性点设备的承受能力，特设置了一个无方向的母线接地保护64B[9]，在达到较长的延时后跳开两台机组出口断路器以保护发电机中性点设备，而不是在主变低压母线(发电机区外)接地时只报警进而对发电机中性点设备造成损伤，在主变单独运行不带发电机时可以允许低压侧接地后报警而不跳闸等待运行人员处理。

图2 机组方向接地CT接线示意[10]

保护定值：90%定子接地按保护区90%，零序电压动作值为10 V，延时为0.3 s，动作区slope角度为60°，方向为1，动作角度是判断I0超前U0的角度，动作范围是slope+90°～slope-90°，即150°～-30°。

2) 根据220 kV 1#主变低压侧母线接地无方向的接地保护64B正确动作、1#机组定子接地保护误报警、2#机组定子接地保护(64G)误动作跳闸，而定子保护区内无故障现象、定子绝缘试验数据合格，推测1#机组定子接地保护误报警和2#机组定子接地保护(64G)误动作跳闸的原因为定子保护参数设置问题，与厂家沟通后决定对飞来峡4台机组定子接地保护进行定子单相接地模拟试验[10]。由模拟试验示意(见图3)和试验记录(见表1)可见：当前定值可以区分区内和区外接地故障，但1#机组和其他3台机的模拟试验时的角度显示不同，1#机组区外单相接地电压为10%额定电压时φI0_U0为-69°，其他3台机则为-126°，该角度会在额定电压时增大，例如1号区外接地时角度会达到-95°，其他3台机大约会增大至超过-150°。

#机区内外单相接地模拟试验：10%-100UN 2#～4#机区内外接地示意

表1 1#～4#机组单相接地模拟试验数据

3) 1#机组、2#机组定子接地保护在母线接地后的动作分析

由于1#机组定子接地保护在同样保护参数设置和同样模拟电压下进入定子保护动作区的slope角度绝对值较其他3台机组要小(电压为10%额定电压时φI0_U0为-69°，其他3台机则为-126°)，首先调出了1#机组在主变低压侧母线接地保护动作后的录波记录(见图4)。由图4可见，间歇性弧光接地时的零序电流已经不是标准的正弦波，含有大量高次谐波及直流分量，在零序电流突然增大的地方各次谐波分量值见表2所示。在这个时候计算的角度已经进入动作区(显示的角度已经达-250°)，如果持续时间超过定子接地保护延时，定子接地保护就会动作跳闸，1#机组的情况是该突变波形只持续几十毫秒，定子接地保护只发出报警信号(alarm瞬时启动并点亮黄灯)，最终经10 min后由母线接地保护64B跳闸[11-12]。

图4 1#机组母线接地保护动作后录波示意

表2 谐波分量值

而2#机组的故障录波基本和1#机组波形相近，只是2#机组在模拟区外接地时的I0超前U0角度要比1#机组大(由表1可知2#机组为-126°，1#机组为-69°)，所以更容易提前进入动作区而最终由定子接地保护64G跳闸(重复发出了跳2#机组出口502开关的命令)。

3.2 定子接地保护整改措施[13]

根据模拟试验结果中4台机实际的角度及区外接地时角度的变化方向和范围，建议4台机定子接地保护保护的slope定值整定为不同值，即1#机组的slope由原来的60°改为30°,2#～4#机的slope由原来的60°改为0°，这样可以更好的避免区外接地时的零序电流和电压的角度进入动作区(如图5所示)。

图5 1#～4#机组不同slope定值动作区示意

4 结语

飞来峡电厂2018年1月完成4台机组保护装置改造项目，改造后采用的是安德里茨公司的compact2A保护装置，投运以来，装置硬件运行稳定；2019年4月13日在雷雨大风天气下，1#主变低压侧母线发生弧光接地故障，暴露出定子保护slope定值问题；于同年11月，经过与厂家、设计单位商榷和广东省集中调度中心继电保护部的批准，将1#机组的slope由原来的60°改为30°而2#～4#机的slope由原来的60°改为0°，实验测试后运行至今，未出现过定子保护误报警、误动等异常现象。而在改造之前4台机组slope定值均为30°且未出现过定子接地误报警误动作现象(2015年04月29日，2#机组出口电缆C相金属性接地[1]，也属于1#主变低压侧母线接地故障，其并未导致1#机组和2#机组定子保护报警和动作信息)，是什么原因导致机组保护装置改造后需要将1#机组的slope由原来的60°改为30°而2#～4#机的slope由原来的60°改为0°是一个值得研讨的课题。