发电厂低压厂用电系统接地保护配合方案研究

2023-08-22马敏

通信电源技术 2023年13期

马敏

（国家电投集团协鑫滨海发电有限公司，江苏盐城 224500）

0 引言

发电厂的各种故障中，厂用电系统事故所占比例很大，尤其是低压厂用电系统，其负荷多、分布广、运行环境差以及日常检修维护不到位等，导致设备故障率较高，其中单相接地短路发生的概率最大。目前，一些发电厂发生多起因380V 低压厂用电末端负荷接地故障保护越级跳闸造成380 V 电机控制中心（Motor Control Center，MCC）段和动力中心（Power Center，PC）段母线失压事故，部分发电厂因同时受其他因素影响，导致发电机组发生非计划停运事故。因此，文章对发电厂低压厂用电系统接地保护配合方案进行研究。

1 发电厂低压厂用电系统接地保护配置现状

发电厂低压厂用电系统包括中性点直接接地系统和中性点经高阻接地系统2 种。根据《火力发电厂厂用电设计技术规程》（DL/T 5153—2014），对于中性点经高电阻接地的低压厂用电系统，低压厂用母线上的馈线回路应装设接地故障检测装置，且检测装置宜由反映零序电流的元件构成，动作于接地信号；对于中性点直接接地的低压厂用电系统，低压厂用母线上的馈线回路应装设单相接地短路保护，同时可用相间短路保护兼作单相接地短路保护，当单相接地短路保护灵敏度不够时，应设单独的单相接地短路保护装置[1]。此外，低压厂用电系统中性点接地方式为直接接地时：对于容量为100 kW 以上的电动机，宜装设单相接地短路保护装置；对100 kW 以下的电动机，若相间短路保护能满足单相接地短路的灵敏性，则可由相间短路保护兼作接地短路保护，若不能满足，则应单独装设接地短路保护，保护瞬时动作于断路器跳闸。

由于下级所带低压负载较为重要，发电厂低压厂用380 V 汽机变、锅炉变、保安变通常采用中性点经高阻接地方式，与其相应的380 V PC 和MCC 段是中性点不接地系统，母线进线开关和馈线开关均未配置接地保护，且该段通常安装小电流选线装置，负载接地时，通过小电流选线装置报警来反映故障。其他的低压干式变压器，如检修变和公用变等采用中性点直接接地方式，与其相应的380 V PC 和MCC 段为中性点直接接地系统，厂用电系统380V PC 进线开关、PC 段馈线开关、380V MCC 进线开关均配置接地保护，但是380 V MCC 段所带负载不配置接地保护，其利用塑壳开关相间短路保护兼作接地短路保护。

基于以上保护配置方式，当发电厂低压厂用380 V MCC 段较长馈线负载发生远端金属性接地或近端非金属性接地故障时，保护越级跳闸的情况时有发生[2]。

2 发电厂低压厂用电系统接地保护越级跳闸事故案例

2.1 案例一

2017 年7 月1 日05:07，某电厂程控启动10A 皮带机、9A皮带机、8A皮带机、A碎煤机、A高幅振动筛、7A 皮带机以及L1 皮带机进行上煤加仓操作。05:20，燃料运行人员监盘发现10A 皮带机、9A 皮带机及原煤仓料位和煤仓间辅助设备反馈异常，8A 皮带机和7A 皮带机跳闸，就地检查发现7A 皮带机、8A 皮带机、9A 皮带机停转，10A 皮带机仍在运行且头部有焦糊味，就地拉绳跑偏无法停运。05:24，集控运行就地检查发现8A 皮带机和9A 皮带机开关已分闸，且开关发出报警信号，10A 皮带机开关在运行状态未跳闸；380 V 公用PC B 段至煤仓间MCC 电源2 号开关跳闸，并报零序过流报警。立即通知电气一次、二次工作人员检查8A 皮带机和9A 皮带机开关跳闸原因，通知输煤电气专业人员检查380 V 公用PC B 段至煤仓间MCC 电源开关2 零序过流故障跳闸的原因。05:40，10A 皮带机制动器自动抱闸落下，且与皮带摩擦产生焦糊味，燃料运行人员就地将制动器抱闸打开。05:50，检修人员就地检查380 V 公用PC 段煤仓间MCC 电源电源1、电源2 这2 路的开关，发现开关测控装置（ST-400PC）有零序保护动作，接地零序电流为5.65 A（二次值）。09:00，燃料维护人员对没有恢复送电的辅助设备进行绝缘测试，发现10A 皮带机布袋除尘器空压机的电机对地绝缘为0。14:00，燃料维护人员拆除空压机电机，解体发现电机定子线圈C 相有烧痕，电机转子有锈迹，外观很旧，初步怀疑为翻新产品，联系厂家处理。该案例中，10A 皮带机布袋除尘器的空压机电机故障，保护越级动作是该异常事件的根本原因。煤仓间MCC 段的10A 皮带机布袋除尘器电控柜电源的塑壳开关型号为GE 公司的FDN160TD，额定电流为100 A，配有长延时保护和速断保护，速断电流为1 000 A，开关无零序保护。根据故障报告计算接地电流一次值为565 A（零序电流互感器的变比为100 ∶1），小于10A 皮带机除尘系统电控柜电源开关的速断保护定值1 000 A，因此10A 皮带机除尘系统电控柜电源开关速断保护未动作[2]。而煤仓间MCC 段进线电源2 开关测控装置的零序保护整定电流为200 A，整定时间为0.2 s，故障电流大于煤仓间MCC 电源2 开关的测控装置零序定值。同时，根据开关特性曲线，测算10A 皮带机布袋除尘器电控柜电源开关长延时动作时限为4.5 s，远大于煤仓间MCC 电源2 开关测控装置的零序保护时间（0.2 s）。因此，当10A 皮带机布袋除尘器空压机电机故障时，10A 皮带机布袋除尘器电控柜电源开关长延时保护未动作，故煤仓间MCC 电源2 开关测控装置保护动作跳闸。380 V 公用PC 段至煤仓间MCC 电源进线2 开关的保护定值如表1 所示。380 V煤仓间MCC 段的10A 皮带除尘系统电控柜电源开关的保护定值如表2 所示。

表1 380V 公用PC 段至煤仓间MCC 电源2 进线开关的保护定值

表2 380V 10A 皮带除尘系统电控柜电源开关的保护定值

2.2 案例二

2018 年3 月13 日，某电厂2 号机组检修，高加正常疏水管道改造完成后，焊接后需要进行热处理，因此需要从除氧器平台检修箱接一路电源作为热处理临时电源。2018 年3 月14 日00:14，运行人员发现2 号机组汽机PC 段上2 号机组汽机检修MCC 电源开关跳闸，2号机组汽机检修MCC段母线失去电源供给。检查该开关保护装置的零序电流保护动作情况，动作电流为3 941 mA。经排查，发现检修单位在临时用电接线时，将热处理电源直接接入2 号机组除氧器平台检修电源箱进线开关前的铜排，工作时发生热处理电源接地，导致2 号机组汽机检修MCC 进线开关零序保护动作，开关跳闸。

由于临时用电接线不规范，发生故障时，检修电源箱内断路器起不到保护作用。该电源上级开关2 号汽机检修MCC 段的除氧器平台检修箱电源为GE 公司的FDN160TD 塑壳开关，配置了长延时和速断保护，额定电流为160 A，速断保护动作电流为1 280 A，塑壳开关本身没有配置零序保护。根据故障报告，故障时接地电流一次值为394.1 A（零序电流互感器的变比为100 ∶1），小于2 号机组除氧器平台检修箱电源开关的速断保护定值。2 号机组汽机PC 段上2 号机组汽机检修MCC 段进线电源开关智能测控保护装置的接地保护定值为240 A，整定时间为0.2 s，故障电流大于2 号机组汽机检修MCC 段进线电源开关接地保护定值。因此，2 号机组汽机检修MCC 段负载接地时，其电源开关接地保护动作，开关跳闸[3]。

3 发电厂低压厂用电系统接地保护越级动作解决方案

发电厂低压厂用电系统接地保护越级跳闸案例较为普遍，为解决此类故障，保障现场设备安全稳定运行，提出以下几种解决方案。

3.1 优化保护定值和配合关系

（1）根据《火力发电厂厂用电设计技术规程》（DL/T 5153—2014），当低压厂用电系统末端未配置接地保护时，允许用相间短路保护切除单相接地短路故障。计算定值时，应考虑MCC 段电源开关与下一级负荷开关速断保护配合，通过定值大小和整定时间的配合保证继电保护装置的选择性。

此外，380 V 系统单相接地电流大小受多种因素影响，不同工况下的故障电流相差较大，难以估算，因此该方法难以兼顾各种工况。结合现场实际情况，考虑仅在故障电流小于800 A 时进行配合，即下级空开额定电流在80 A 以下时进行配合。

（2）低压厂用电系统末端未配置接地保护，可以取消上级的接地保护。此时，需要用干式变综保装置的接地保护与末级负载短延时保护配合。其优点在于综保装置定值整定灵活性强，能满足保护选择性，缺点是保护电流定值较大，不能及时切除故障电流较小的单相接地故障，因此可能发展为较严重的单相故障或相间故障，进而严重损坏设备。

3.2 在发电厂低压厂用电系统末级使用带接地保护的开关

在发电厂低压厂用电系统末级使用带接地保护的开关，该方法是最简单可靠的方法。对于末级负荷开关配置可以整定的接地保护，通过各级接地保护定值逐级配合，即可实现故障时保护装置逐级动作。

一般情况下，低压厂用电系统在设计时末级采用不带接地保护的抽屉式开关，对于已投运的系统，需要进行开关改造，增加了实施难度和成本。目前，市场上已经出现了带接地保护的塑壳空开，无须采用框架断路器，一定限度上节约了安装空间和成本，新建机组在设计阶段可以综合考虑该装置[4,5]。

3.3 发电厂低压厂用电系统末级开关配置独立的接地保护

在发电厂低压厂用电系统末级抽屉开关内安装接地保护装置，将保护装置和开口式专用电流互感器固定在抽屉安装板上，无须改动一次线路，改造工程量较小，选择投退保护出口驱动塑壳开关分励线圈跳闸方式，实现零序保护。改造完成后，可以模拟故障从而进行保护调试，验证保护功能的正确性与可靠性。该方法实施成本较小，操作可行性较高。

目前，国内发电厂普遍采用优化保护定值和配合关系方案，通过上级接地保护和下级速断保护配合来实现选择性，但是其缺点也较为明显。随着科学技术的发展和厂家研发技术的不断升级，在发电厂低压厂用电系统末级使用带接地保护的开关方案和发电厂低压厂用电系统末级开关配置独立的接地保护方案的可行性及可操作性也越来越高。