吳小夢

(華能海南發(fā)電股份有限公司電力檢修分公司，海南 ?？?570311)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠受到電網(wǎng)單相接地故障的沖擊是比較多的，容易造成一些運行設(shè)備的異常跳閘和損壞，甚至跳機。因此，了解電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時電廠各機組和設(shè)備的電壓電流特征是很有必要的。通過故障特征分析，可以檢驗一些設(shè)備參數(shù)計算的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)存在的一些問題和隱患，及時采取措施解決。由于發(fā)電廠網(wǎng)控部分故障錄波器與發(fā)電機組的故障錄波器相互獨立，兩部分的錄波器不一定能同時啟動，因此把線路接地故障與電廠內(nèi)設(shè)備受故障影響結(jié)合在一起分析的情況較少。下面以某電廠一起220 kV線路出線近端接地故障為例進行分析。

1 某電廠電氣一次設(shè)備概況

該發(fā)電廠2臺發(fā)電機組容量為2×330 MW，設(shè)置1臺4號啟備變和3條220 kV線路，主變的接線方式為Ynd11。正常運行方式為雙母并列運行，4號啟備變中性點直接接地，9號主變中性點經(jīng)接地刀閘接地，8號主變中性點接地刀閘斷開。發(fā)變組保護型號均為RCS-985，4號啟備變保護型號均為RCS-985T，3號變220 kV線路保護均配有RCS-931縱聯(lián)差動保護。220 kV母線上各支路的電流互感器變比分別為：線路和主變均為1 250/1，4號啟備變?yōu)?00/1，主變中性點電流互感器為300/1。

2 220 kV線路接地故障情況

2018-12-15，某電廠8號、9號機組正常運行，00:55:37.586，電廠220 kV華長Ⅰ線發(fā)生接地故障，保護裝置A，B屏均正確動作，保護跳閘后重合閘不成功三相加速跳閘。經(jīng)檢查，故障部位在電廠線路出線的拉力絕緣子上，由于絕緣子老化臟污而對地擊穿短路。通過故障報告和檢查可知，故障點位于線路的近端出口0.1 km處，接近母線，相別為A相，線路保護正確動作。因絕緣子損壞，故障無法消除，線路開關(guān)重合后又加速跳閘。

3 接地故障電流分析及應(yīng)用

由于本次故障位于線路出口，基本等效于母線故障，可借此接地故障電流來校核發(fā)電廠繼電保護定值整定計算書中的220 kV母線接地的短路電流值。根據(jù)差動保護動作報文可知，線路故障相二次電流為15.04 A，故障二次差流為17.43 A (差流為兩側(cè)的電流差)。在短路電流計算電路圖中(純電抗),兩側(cè)電流相位差180°，因此該差流可看作接地電流。線路的電流互感器變比為1 250/1，因此接地短路電流3I0=17.43×1 250=21 787.5 (A)。

根據(jù)2018年電廠330 MW機組發(fā)變組保護整定計算書內(nèi)容，以1 000 MW為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量，電廠大方式下的電氣一次設(shè)備等值阻抗如圖1所示。

圖1 電氣一次設(shè)備等值阻抗

采用對稱分量分析法繪出220 kV母線發(fā)生A相接地故障后的A相復(fù)合序網(wǎng)如圖2所示。

圖2 A相復(fù)合序網(wǎng)

其中XF81=XF82=XF91=XF92=XT81+XG81=0.327 5+0.331 6=0.659 1。

正、負序等值電抗:

零序等值電抗:

A相各序電流：

接地故障電流3I0=3×IkA0=3×8 251=24 753(A)；In——基準(zhǔn)電壓230 kV、基準(zhǔn)容量1 000 MVA下的基準(zhǔn)電流2 510 A。

對比可看出本次接地故障電流21 787.5 A小于但接近整定方案中的計算值24 753 A?？紤]到電網(wǎng)當(dāng)時的運行方式并不完全是大方式，可判斷保護整定方案中的220 kV母線單相接地短路電流的計算值是準(zhǔn)確的，使用該電流的發(fā)電廠繼電保護整定計算書也是正確的。

4 實際等值電抗計算

利用機組故障錄波值計算系統(tǒng)當(dāng)時的實際等值電抗。在接地故障電流3I0基礎(chǔ)上，利用機組錄波器記錄的電流，結(jié)合序網(wǎng)絡(luò)，可反算出當(dāng)時實際的系統(tǒng)電抗。

根據(jù)9號主變中性點零序電流錄波圖，其二次電流為24.827 A，則有一次電流3I90：

根據(jù)圖2中零序網(wǎng)絡(luò)，已知總零序電流IkA0、9號主變零序電流I90及其零序等值電抗XT90，可求出圖中總的零序等值電抗X0∑：

進而可求系統(tǒng)實際的零序等值電抗XS0：

將X0∑代入公式(2)中,可得總的正序電抗X1∑：

根據(jù)圖2中正序網(wǎng)絡(luò),可求出系統(tǒng)實際的正序等值電抗XS1：

有了實際的系統(tǒng)等值電抗XS1，XS0，就能更加準(zhǔn)確地對各機組的故障電流進行計算分析。

5 9號機組故障電流特征分析

分析9號發(fā)電機三相電流，表1記錄故障電流各相二次有效值，可看出9號主變高壓側(cè)A相電流最大，其次是B相，最小是C相。同時三相電流的相位基本相同，A相略超前B，C兩相。

表1 9號機組故障電流二次值 單位：A

9號主變故障電流可以通過圖2的序網(wǎng)絡(luò)圖求得，同時機組故障前是有負荷電流的，因此故障時的電流還要通過疊加定理求得。查運行記錄，8號、9號主變高壓側(cè)故障前的負荷電流均為380 A，功率角約6°。

已知IkA1=IkA0=7 262.5 A，通過圖2的正序網(wǎng)絡(luò)圖，可計算9號主變的正序電流I91:

其二次電流:

已知I90=2 482.7 A，其二次電流:

故障前負荷二次電流:

負荷電流角度=180-6=174°。

9號主變高壓側(cè)各相電流等于其正序、負序及零序電流之和，最后再疊加負荷電流即為最終的總電流。由于故障錄波中主變高壓側(cè)電流極性是由母線指向主變，因此在分析時注意其電流是反向的，正序、負序及零序電流角度均超前電壓90°。

利用繪圖軟件繪出各相電流相量(見圖3)，可以看出，由于零序電流大于正、負序電流1倍，因而B，C兩相序分量合成的結(jié)果是與零序電流同向的電流，再與負荷電流疊加，最終得出9號主變高壓側(cè)三相電流分別為4.0 A∠94°，1.246 A∠82°，0.721 A∠80°。這與表1及錄波顯示值非常接近，三相電流相位基本相同，A相稍超前B，C兩相。

圖3 9號主變高壓側(cè)電流相量

根據(jù)主變的接線方式(Ynd11），發(fā)電機A相電流為主變低壓側(cè)A相繞組電流與B相繞組電流之差，即等于同相繞組與滯后相繞組電流之差，發(fā)電機B，C兩相電流亦同理，合成的結(jié)果如圖4所示(下標(biāo)小寫的為發(fā)電機電流)。特征是發(fā)電機A，B兩相電流相位在同一側(cè)方向，C相電流相位與之相反，C相電流最大，B相電流最小，這與錄波圖及表1中發(fā)電機側(cè)電流特征是一致的。同時由于發(fā)電機電流互感器極性(指向220 kV母線)與主變高壓側(cè)電流互感器極性(指向主變)相反，發(fā)電機電流最終相位則反了180°，這在錄波圖中與主變高壓側(cè)電流相位對比中可以看出。

圖4 9號發(fā)電機電流相量

通過一次電流換算，本次接地故障中9號主變故障相電流為4 851 A，約為主變額定電流(954 A)的5倍。而發(fā)電機最大故障相電流為25 833 A，約為發(fā)電機額定電流(11 200 A)的2.3倍。單從電流幅值上看，主變受沖擊影響較發(fā)電機大些。而從設(shè)備承受能力來講，在短時間內(nèi)，接地故障電流對主變和發(fā)電機的影響是可接受的，問題應(yīng)該不大。

需要注意的是，9號主變零序電流有7 448.1 A，比故障相電流大得多，且由于是永久性故障，受到故障電流沖擊兩次。在對9號主變中性點刀閘進行檢查時，發(fā)現(xiàn)中性點刀閘觸頭出現(xiàn)明顯拉弧過熱現(xiàn)象，觸頭邊緣已燒熔。因此，在發(fā)生此類接地故障后，要重點檢查一下主變接地刀閘觸頭是否有過熱燒傷現(xiàn)象，及時進行修復(fù)或更換。平時檢修時也要注意刀閘合上時是否到位，接觸是否良好，避免系統(tǒng)接地故障時對刀閘造成損傷。

6 8號機組故障電流特征分析

8號主變的中性點刀閘未合上，因此其中性點零序電流為零。表2記錄了故障電流各相二次有效值?？煽闯?號主變高壓側(cè)A相電流最大，幅值約為B，C兩相電流之和。B，C兩相電流相位在同一側(cè)方向，A相電流相位與其他兩相相反。

表2 8號機組故障電流二次值 單位：A

8號主變高壓側(cè)電流計算與9號主變相同，區(qū)別是沒有零序電流。各相電流為正、負序電流合成后再與負荷電流疊加。圖5為8號主變高壓側(cè)各相電流相量圖，可以看出A，B，C三相電流幅值分別為2.03 A∠99°，0.763 A∠-76°，1.271 A∠-84°，幅值、相位特征與表2和實際錄波顯示是非常接近的，基本特征就是故障相電流最大，相位與其他兩相相反，電流等于其他兩相電流之和。

圖5 8號主變高壓側(cè)電流相量

8號主變與9號主變的接線方式一樣，發(fā)電機各相電流等于主變低壓側(cè)繞組的同相電流與滯后相電流之差，合成的結(jié)果如圖6所示(下標(biāo)小寫的為發(fā)電機電流)。其特征就是A，B兩相電流相位在同一側(cè)，C相與之相反，C相電流最大，B相電流最小，這與表2和錄波顯示的8號發(fā)電機電流波形特征是一致的。

圖6 8號發(fā)電機電流相量

通過一次電流換算，8號主變故障相電流為2 407 A，8號發(fā)電機最大相電流為25 962 A。對比8，9號機主變高壓側(cè)故障電流，可看出中性點接地的主變高壓側(cè)電流較大，因為有零序電流流過。而對比圖4和圖7的8，9號發(fā)電機電流以及錄波顯示值，則發(fā)現(xiàn)它們之間電流的幅值與相位基本相同，說明不論主變中性點是否接地，相同型號的發(fā)電機故障電流是基本相同的。

7 4號啟備變故障電流特征分析

分析4號啟備變故障電流的錄波圖，可看出其高壓側(cè)三相電流的幅值及相位均一樣，A，B，C三相電流分別為0.525 A，0.526 A，0.526 A，換成一次電流則分別為315 A，315.6 A，315.6 A。

4號啟備變是負荷性質(zhì)，無正、負序阻抗，只有零序阻抗，因此其高壓側(cè)三相電流只流過零序電流。根據(jù)圖2零序網(wǎng)絡(luò)，可求出4號啟備變的零序電流I40。

結(jié)果與錄波圖是非常接近的，因此啟備變高壓側(cè)故障電流特點就是三相電流大小相等、相位相同。

8 8號、9號發(fā)電機零序電壓特征分析

從故障錄波器電壓波形上看，故障前發(fā)電機零序電壓只有三次諧波電壓，無基波零序電壓。故障時發(fā)電機受主變高壓側(cè)接地影響產(chǎn)生基波零序電壓，波形為基波零序電壓與三次諧波電壓的疊加。

表3是故障時測得的8，9號發(fā)電機各電壓值，從電壓數(shù)值上，可看出8號發(fā)電機機端零序電壓比9號發(fā)電機高，即主變中性點不接地的發(fā)電機零序電壓要比主變中性點接地的發(fā)電機零序電壓高。這可以通過DL/T 684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》中對主變高壓側(cè)接地的傳遞電壓電路圖(見圖7)看出，由于耦合電容的改變，主變中性點接地時傳遞到Zn的電壓較中性點不接地傳遞到Zn的電壓要低。這也說明了實際接地情況與導(dǎo)則中的理論分析是一致的。

表3 8，9號發(fā)電機電壓二次值 單位：V

圖7 計算傳遞電壓的近似簡化電路

根據(jù)DL/T 684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》，發(fā)電機定子接地保護中的零序電壓高值是按躲過主變高壓側(cè)接地時傳遞過來的零序電壓整定的，一般取(15 %～25 %)U0n。保護整定計算書中的傳遞系數(shù)是通過耦合電容理論計算出來的，基本上給的可靠系數(shù)偏高。本次接地故障，類似母線接地故障，測得的零序電壓值就是實際傳遞到發(fā)電機的零序電壓較大值，對發(fā)電機定子接地保護來講是非常有參考意義的，可依此合理調(diào)整保護定值，使之更好地兼顧可靠性和靈敏性。

該廠發(fā)電機中性點均通過接地變壓器接地，接地變壓器變比為20 kV/230 V，其負載為電阻箱，中性點零序電壓即從電阻箱的分抽頭引出，抽頭不同，中性點零序電壓實際變比也就不同。根據(jù)表3數(shù)據(jù)就可以計算出中性點零序電壓的實際變比。

分別代入表3中8號、9號機零序電壓值3U0，Un0，求得8號、9號發(fā)電機中性點零序電壓的實際變比如表4所示。

表4 實際的中性點零序電壓變比

從計算的結(jié)果可看出，8號、9號發(fā)電機中性點零序電壓的實際變比是不同的。電廠在投產(chǎn)時沒發(fā)現(xiàn)這個問題，而兩臺機組發(fā)電機定子接地保護定值完全一樣，這是不正確的，屬于保護定值誤整定的情況。解決的措施是調(diào)整抽頭更改變比使其一致，或按實際變比重新校核保護定值。

9 結(jié)束語

如何利用故障錄波去了解故障發(fā)生時設(shè)備的實際情況、分析故障特征、找出故障原因、發(fā)現(xiàn)深層次問題，是電氣專業(yè)人員故障分析能力的一個綜合體現(xiàn)。對故障事件更深層次的分析利用應(yīng)不局限于故障設(shè)備本身，還可擴展到其他相關(guān)聯(lián)設(shè)備的故障特征分析。因為發(fā)電廠的電氣設(shè)備在設(shè)計、安裝和運行維護過程中都有可能出現(xiàn)一些遺漏問題，需要在調(diào)試和運行當(dāng)中及時發(fā)現(xiàn)并糾正。而有些潛在問題在調(diào)試和正常運行時是難于被發(fā)現(xiàn)的，但在一些特殊情況下(如一些故障發(fā)生時)，卻很容易暴露出來。如對這些故障數(shù)據(jù)進行針對性的分析，就可能發(fā)現(xiàn)更多的存在問題，從而最大化地防患于未然，提高設(shè)備運行的安全可靠性。