一起外线路故障引起发电机跳闸事件原因分析

摘 要：以一起某电厂110 kV外线路接地故障引起的全厂发电机跳闸事件为例，分别从保护装置动作记录、波形回放、理论分析等方面深入分析该次跳闸事件的原因以及暴露出来的问题，并根据某电厂系统运行实际情况制定相应的防范措施，为分析、防范此类跳闸事件提供参考。

关键词：线路故障；波形回放；过激磁；差动保护；发电机跳闸；孤岛运行；防范措施

中图分类号：TM412 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）28-0143-06

Abstract： Taking a plant generator tripping event caused by a ground fault on an external 110 kV line in a power plant as an example， the causes of this tripping event and the exposed problems are analyzed in depth from aspects such as protection device action recording， waveform playback， and theoretical analysis. Correspondent waterlogging preventive measures are formulated based on the actual operation conditions of a power plant system to provide reference for analyzing and preventing such tripping events.

Keywords： line fault; waveform playback; over-excitation; differential protection; generator tripping; island operation; preventive measure

发电机作为电厂的主要发电设备，其安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用。由于发电机本身的结构、运行特性，可能发生定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等故障，影响发电机本身的安全，甚至危及整个电力系统。《继电保护和安全自动装置技术规程》对发电机保护提出了配置要求：电压在3 kV及以上，容量在600 MW及以下的发电机，对定子绕组相间短路、定子匝间短路、定子绕组接地、发电机外部相间短路、定子铁芯过励磁和频率异常等故障及异常运行状态，装设相应的保护。且需根据并网机组类型、容量的不同以及接线方式的差异，设计符合现场实际且性能完善的继电保护配置方案，以期在安全允许的时间内，有选择性地停机或故障报警，减少事故范围，保护发电机、电力系统安全。

除发电机本身故障外，电网的故障冲击也会对发电机安全稳定运行产生一定影响，特别是对于没有孤岛运行能力的机组，产生的影响更大。王少华等[1]研究了某水电站单回送出线路发生单相瞬时故障后线路短时非全相运行对发电机、变压器继电保护功能的影响，并针对受影响的继电保护功能定值整定提出了相应的技术防范措施。赵树卫[2]对龙煤鹤岗热电厂直配线路系统冲击进行了分析，分析了线路故障，电网一般性扰动等常见的电网故障或者运行方式异常对发电机组所产生的影响，并且提出具体应对措施。刘万平等[3]从一起发电机运行中与励磁系统有关的电气异常事件入手，利用发电机故障录波图对此异常事件进行了深入分析，揭示了该机组励磁调节器在TV断线判据设置上存在的隐患，并提出了相应的对策和措施。那广宇等[4]针对某220 kV线路故障导致关联发电机组跳闸，并造成同一母线的其他发电机组汽轮机振动突增但保持在网运行的情况，详细介绍跳闸事故经过，从多角度分析原因并提出解决方案，为电网运行中规避类似事故起到借鉴作用，同时也提示发电企业提前排查隐患采取应对措施。

本文以某电厂110 kV线路发生接地故障，相继引起全厂4台发电机全停，导致事故范围扩大的事件为例，深入分析了造成事故扩大的原因，充分阐述了此类电网故障冲击对不具备孤岛运行能力的发电机的影响，揭露了某电厂在应对电网扰动下的安全隐患并提出了相应的防范措施。

1 全厂保护动作及过程分析

1.1 接线及运行方式介绍

某电厂建有4台发电机，每台发电机容量为35 MW，每台机组采用单元接线方式接入110 kV母线，110 kV母线采用单母线分段接线方式，电厂通过110 kV甲、乙2条出线与电网连接。正常运行方式下，1号、3号发电机挂110 kV I母线，外接甲线运行；2号、4号发电机挂110 kV II母线，外接乙线运行；110 kV母联处于断开状态，母线分列运行。每台发电机出口未设置高厂变，设一段10 kV厂用母线，下接10 kV焚烧段、汽机段、炉前公用段等厂用负荷，并设有厂用电快切装置，4台机组厂用负荷存在交叉供电的情况。全厂设有一套给水空冷系统，由4台给水空冷变组成，4台机组共用。

事件发生前，1号、3号发电机挂110 kV I母线，外接甲线运行；2号、4号发电机挂110 kV II母线，外接乙线运行，母联断开。10 kV厂用电由4台机组交叉供电，其中，1号给水空冷变、3号给水空冷变由2号发电机供电，2号给水空冷变、4号给水空冷变由3号发电机供电，全厂设备正常，无故障。

1.2 保护配置情况

110 kV甲线、乙线采用PCS-943N高压输电线路成套保护装置，按要求配置了纵联差动、相间距离、接地距离、零序过流保护和重合闸等保护。

4台发电机保护配置一致，采用PCS-985发电机保护装置，配置了差动、复合电压过流保护、（基波）定子绕组接地保护、转子接地保护、定子过负荷保护、负序过负荷保护、失磁保护、定子过电压保护、逆功率保护和频率异常保护。其中，频率异常保护动作于报警。

4台给水空冷变采用PCS-9622D变压器保护装置，配置了差动、高压侧过流、过负荷、高压侧负序过负荷、高压侧零序过流和低压侧零序过流等保护。

1.3 保护动作行为分析

1.3.1 动作过程

电厂保护装置接入了对时系统，全厂设备时间保持同步。根据电厂保护装置、DCS后台报文梳理了此次事件的发展态势。

2022年5月6日15点45分，110 kV甲线接地距离Ⅱ段保护动作，线路开关跳闸；2号、4号给水空冷变比率差动保护动作，开关跳闸；1号、3号发电机励磁调节器低频切除动作，跳开发电机出口断路器；2号、4号发电机逆功率保护动作，跳开发电机出口断路器。

1.3.2 保护动作分析

通过现场排查、波形分析以及波形回放等方式进行事故分析。

1）110 kV甲线保护动作分析。首先，对110 kV甲线保护故障录波进行了分析，波形如图1、图2所示。根据波形可见：110 kV I段母线B相电压骤降至0 V左右，同时110 kV I、II段母线零序电压由0 V左右开始增加，I段母线零序电压大于II段母线零序电压。

经现场排查发现，在110 kV甲线发生故障期间，甲线电缆沟上方有工程人员施工，进行了地面挖掘，误碰了B相电缆，导致甲线接地，线路保护正确动作。

2）1号、3号发电机保护动作分析。经现场排查，1号、3号发电机均未发现明显故障。对1号、3号发电机保护故障录波进行分析，波形如图3、图4所示。根据波形可见：在线路发生单相接地瞬间，1号、3号发电机A、B两相电压异常波动明显、电压下降且中性点A、B两相电流明显增加。由于1号、3号机与故障线路直连，线路B相接地后电压降至0，故障经主变压器后，反应为发电机A、B两相电压下降，波形现象与现实故障一致。

甲线保护动作跳开甲线开关后，1号、3号发电机励磁装置低频切除动作，跳灭磁开关，进而联跳发电机出口断路器。在发电机跳闸前，发电机电压、电流变化较大，变化无规律，波形如图5、图6所示。

甲线保护动作后，1号、3号发电机进入孤岛运行模式。由于电厂孤岛短路容量小，控制系统不具备快速调节的能力，发电机无法在孤岛状态下安全稳定运行，因此电压、电流呈现无规律变化。在励磁调节器的调节作用下，首先，发电机机端电压上升，触发了励磁装置V/Hz限制；其次，发电机转速开始下降，励磁电流增大，当励磁电流增加至过励限值时，过励限制动作，发电机电压、频率持续下降；当频率低至切除值时，励磁装置低频切除动作，跳灭磁开关，进而联跳发电机出口断路器，动作正确。

3）2号、4号发电机保护动作分析。2号、4号发电机与甲线无直接联系，不属于故障范围，但在故障切除后，事故却扩大至2号、4号发电机，造成全厂停电。本文将对造成事故扩大的原因进行深入分析。

经现场排查，2号、4号发电机均未发现明显故障。

对2号、4号发电机保护故障录波进行分析，波形如图7、图8所示。根据波形可见：在线路发生单相接地瞬间，2号、4号发电机三相电压变化不明显，中性点电流稍有增加，未触发任何保护动作。

接着，甲线跳闸，1号、3号发电机进入孤岛运行阶段，由3号发电机供电的2号给水空冷变、4号给水空冷变差动保护跳闸。经现场检查，空冷变内部无故障；查看保护装置的差流和制动电流，经过计算，保护动作正确，装置逻辑正确。

为查清空冷变差动保护动作的原因，对事件发生时，2号、4号给水空冷变保护装置的波形进行了回放。根据波形回放发现，空冷变差流中各次谐波含量增加，其中三次谐波、五次谐波占比均超过20%，如图9所示。

变压器铁芯一般使用冷轧硅钢片，在过电压工况下，变压器励磁电流将激增，波形严重畸变，且含较多的三次、五次谐波分量[5]。给水空冷变的差流谐波分析，与变压器处于过激磁状态下的谐波变化一致，给水空冷变处于过激磁状态。

根据变压器过激磁特性可知：当变压器工作在额定磁密及以下时，励磁电流很小，与磁密呈线性关系，相对变压器额定电流可忽略不计[6]；但是，当变压器铁心的磁密度超过额定磁密后，励磁电流随磁密增加飞速增大[7]，如图10所示。

根据电机学原理，变压器负载运行时的磁势平衡式为[8]

电流表示式为

变压器负载运行时的负载关系如图11所示。

初级电流等于负载电流与励磁电流之和，正常运行时，励磁电流较小，变压器简化等效电路中可以忽略不计，若是励磁电流占比较大，则变压器高低压侧会产生差流。

在1号、3号发电机孤岛运行时，发电机及10 kV厂用系统电压频率、电压大小均在波动，系统谐波含量增大，在发电机机端电压上升阶段，给水空冷变进入过激磁状态。此时给水空冷变的励磁电流大幅增加，其中五次谐波占比增加较大，而此电流不能流入给水空冷变低压侧，因此在差动回路中形成了较大的不平衡电流，由于给水空冷变保护装置未设置五次谐波闭锁差动保护功能，无法识别变压器是否处于过激磁状态，故造成比率差动动作，2号、4号给水空冷变跳闸。

2号、4号给水空冷变用于2号、4号发电机组，在给水空冷变差动保护动作跳闸后，400 V给水空冷段母线失压，2号、4号发电机真空由-75.4 kPa迅速降低至-55 kPa，真空低保护动作，逆功率保护动作，跳开发电机出口断路器，事故范围扩大至2号、4号发电机，最终导致全厂停电。

2 暴露的问题

本次事件是由外线路接地故障引起的发电机跳闸事故，事故本身只涉及1号、3号发电机所在的系统，但却扩大至2号、4号发电机组，导致全厂失电。暴露了电厂在设计、保护配置方面的问题，具体问题如下。

第一，厂用电设计不够合理，不满足厂用电源的对应供电性。本机、炉的厂用负荷按设计原则应由本机组供电，但该厂10 kV厂用电由4台发电机交叉供电，1号、3号发电机组的给水空冷变由2号发电机供电，2号、4号发电机组的给水空冷变由3号发电机供电，这种不对应的供电设计，导致了1号、3号发电机发生故障后，故障往2号、4号机发展的后果，最终导致事故扩大。

第二，发电机保护对电力系统的稳定运行和电能质量起着举足轻重的作用[9]。从本次事故可见，该厂发电机保护配置不合理。在甲线保护动作切除故障后，1号、3号发电机进入孤岛运行，由于未设置快速动2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=作的电气量保护，导致整个孤岛系统的电压、频率长时间波动，2号、4号空冷变进入过激磁状态，最终差动保护动作跳闸，导致事故扩大至2号、4号发电机。若在1号、3号发电机孤岛运行后，能通过电气量保护快速、直接将发电机切除，则10 kV 2号、4号空冷变能在较短的时间内通过快切装置转至由2号、4号发电机供电，可避免事故扩大。

3 总结与建议

本次事件的起因是甲线外部故障，导致B相接地。在切2b7GgqBKxqjE0VOeIcghu3dzmuQ8MImcJ3hZOq1sntU=除外部线路后，由于厂内系统孤岛短路容量很小，1号、3号发电机无法维持孤岛运行，且机组控制系统不具备快速调节的能力，因此发电机无法稳定运行，机端电压、频率大幅波动。在此期间，发电机没有任何的电量保护动作于停机，最终通过励磁装置低频切除动作，跳灭磁开关，联跳发电机出口断路器。

由于1号、3号发电机孤岛运行时间较长，2号、4号给水空冷变进入过激磁状态。由于励磁电流只流过其电源侧，因此形成不平衡电流，反应到差动回路，导致比率差动动作。2号、4号给水空冷变差动保护动作跳闸后，导致事故范围扩大至2号、4号发电机，最终2号、4号发电机跳闸。

根据本次事件的分析，本文提出以下建议，以期为防范同类型事件提供参考。

1）从设计层面上避免此类事故的发生，在厂用电设计时，尽量满足厂用电源的对应供电性，本炉、本机的厂用负荷，尽量由自身系统供电，不同机组厂用电可通过快切、备自投等方式互为备用。

2）发电机保护配置方面，建议对不具备孤岛运行能力，且对外仅有单线路供电的发电机设置过激磁、频率保护并动作于跳闸，防止此类事故的发生。

3）变压器过压工况下容易进入过激磁状态，为防止差动保护误动，建议可投入五次谐波闭锁差动保护功能。

参考文献：

[1] 王少华，刘灏.输电线路短时非全相运行对水轮发电机的影响[J].水电站机电技术，2022，45（5）：34-36.

[2] 赵树卫.浅析电网故障冲击对发电机组的影响及应对措施[J].电子制作，2017（2）：64-65.

[3] 刘万平，郭爱军.线路短路冲击引起发电机励磁调节方式切换的故障分析[C]//第一届水力发电技术国际会议，2006：838-841.

[4] 那广宇，付宇，张天放，等.一起线路短路故障引起发电机组跳闸的事故分析及应对措施[J].东北电力技术，2022，43（11）：39-41，52.

[5] 王哲，郭晓，行武，等.变压器过励磁五次谐波特征及机制的研究[J].华电技术，2019，41（5）：22-27，33.

[6] 连杰，周云安.一起变压器过激磁保护误动作事故分析[J].电力安全技术，2010，12（5）：27-29.

[7] 耿卫星，刘建武，刘春玲，等.变压器过激磁保护分析及改进[J].电力系统保护与控制，2009，37（22）：181-183.

[8] 程小华.变压器和异步机激磁磁势研究[J].防爆电机，2022，57（2）：1-4.

[9] 李朝晖，李勇.微机在发电机保护中的运用[J].电器工业，2010（5）：63-67.