發(fā)變組斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)改進(jìn)措施

沈文英，吳建軍，繆進(jìn)進(jìn)，李子武，葉 強(qiáng)

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單元接線的大型機(jī)組絕大部分用主變高壓側(cè)斷路器進(jìn)行并網(wǎng)與解列，斷路器容易發(fā)生閃絡(luò)故障，閃絡(luò)保護(hù)如果不能及時(shí)動(dòng)作，幾乎百分之百導(dǎo)致斷路器爆炸，甚至事故擴(kuò)大，發(fā)展成母線短路以及主設(shè)備損壞等事故［1-10］。造成斷路器閃絡(luò)原因較多，有新安裝設(shè)備本身帶有缺欠［11-12］，或運(yùn)行中受到區(qū)外短路故障沖擊導(dǎo)致斷路器本身絕緣性能下降。雖然減少線路永久性故障對(duì)斷路器的沖擊取得一定成效［13-18］，增加斷路器運(yùn)行前的缺陷檢測(cè)手段，降低開(kāi)關(guān)閃絡(luò)概率有一定幫助［19-22］，但還是避免不了斷路器閃絡(luò)事故的發(fā)生。

近年來(lái)，斷路器閃絡(luò)故障導(dǎo)致事故擴(kuò)大化是繼電保護(hù)整定人員對(duì)發(fā)生閃絡(luò)特點(diǎn)和危害認(rèn)識(shí)不足而定值整定計(jì)算過(guò)于理想化造成的［23-26］。本文通過(guò)案例分析斷路器閃絡(luò)的特點(diǎn)，閃絡(luò)電流的振蕩過(guò)程是導(dǎo)致閃絡(luò)保護(hù)不能正確動(dòng)作的主要原因，同時(shí)提出完善閃絡(luò)保護(hù)的判據(jù)和改進(jìn)斷路器失靈保護(hù)判據(jù)。這種雙管齊下方案，才能達(dá)到斷路器閃絡(luò)故障時(shí)減小事故擴(kuò)大化的效果。

1 斷路器閃絡(luò)特點(diǎn)

下面通過(guò)兩個(gè)閃絡(luò)保護(hù)不正確動(dòng)作典型案例分析，認(rèn)識(shí)斷路器閃絡(luò)特點(diǎn)。

1.1 案例一甲火電廠1 機(jī)組500 kV 斷路器斷口閃絡(luò)

事故分析

甲火電廠1號(hào)機(jī)單元接線，機(jī)端無(wú)斷路器，主變高壓側(cè)3/2主接線。該機(jī)組準(zhǔn)備并網(wǎng)時(shí)5021斷路器C相發(fā)生閃絡(luò)，失靈保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作，導(dǎo)致B 相斷路器爆炸，又引起母線短路，保護(hù)相關(guān)定值如表1。

表1 保護(hù)相關(guān)定值Table 1 Protection settings

閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作邏輯為（相電流元件+負(fù)序電流元件）&斷路器位置接點(diǎn)，相電流元件和斷路器位置接點(diǎn)按相配置。該機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)過(guò)程中主變高壓側(cè)邊斷路器B相發(fā)生閃絡(luò)。以閃絡(luò)開(kāi)始發(fā)生時(shí)，相對(duì)時(shí)間是0 ms，保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如下：410 ms，閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作起失靈，持續(xù)10.1 ms。420.1 ms，閃絡(luò)電流減小到0.44 A（二次值），閃絡(luò)保護(hù)隨后返回。518 ms 后閃絡(luò)電流再次增大到0.454 A，閃絡(luò)保護(hù)此時(shí)再次起動(dòng)，977 ms斷路器保護(hù)收到閃絡(luò)保護(hù)開(kāi)入。1 256.4 ms閃絡(luò)電流再次降到0.45 A以下（二次值），閃絡(luò)保護(hù)隨后返回，到1 360.9 ms，閃絡(luò)電流又增大到0.454 A，閃絡(luò)保護(hù)再次動(dòng)作，經(jīng)456.1 ms延時(shí)，到1817 ms，5021斷路器保護(hù)又收到閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作開(kāi)入，1 921.4 ms閃絡(luò)電流再次降到0.45 A，閃絡(luò)保護(hù)又返回。閃絡(luò)保護(hù)不停動(dòng)作與返回，起動(dòng)失靈時(shí)間到不了失靈保護(hù)時(shí)間，失靈保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作。閃絡(luò)發(fā)生后4 555 ms，B相斷路器垂直絕緣子支柱頂端由于閃絡(luò)高位發(fā)生爆裂，電弧吹至B相斷路器母線側(cè)均壓環(huán)，造成BC相間短路，500 kV 1號(hào)母線保護(hù)一、二隨后動(dòng)作切除500 kV 1號(hào)母線，至此完全切除故障。

如圖1 所示是主開(kāi)關(guān)B 相閃絡(luò)時(shí)電流錄波，閃絡(luò)時(shí)機(jī)組與系統(tǒng)之間發(fā)生了振蕩，電流周期性大小變化，導(dǎo)致保護(hù)的不斷動(dòng)作與返回，無(wú)法起動(dòng)失靈保護(hù)導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

圖1 550 kV斷路器B相閃絡(luò)時(shí)電流錄波Fig.1 Current waveform of phase-B flashover fault of 500 kV circuit breaker

表2數(shù)據(jù)是閃絡(luò)初始時(shí)刻第一故障周期電壓電流變化特征，系統(tǒng)A相電壓是3/2接線的母線電壓，因11點(diǎn)接線的原因，機(jī)端電壓滯后系統(tǒng)電壓150°，對(duì)應(yīng)的斷路器兩端電壓是180°角差，斷路器斷口承受約2 倍額定電壓。

從表2 可以得到以下重要信息，閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓160°角，變化的機(jī)端電壓相角剛過(guò)150°，閃絡(luò)電流達(dá)到3.86 A（TA 二次額定電流為1 A）。隨著機(jī)端電壓角度增大，電流減小，到481 ms時(shí)，機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓328°角（斷口兩側(cè)約0°角差），這時(shí)閃絡(luò)電流到達(dá)最小值0.29 A，接著閃絡(luò)電流增大，進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期。

表2 閃絡(luò)第一個(gè)故障周期錄波數(shù)據(jù)Table 2 The first fault period waveform of flashover fault

1.2 案例二乙火電廠1 機(jī)組220 kV 斷路器閃絡(luò)事故分析

乙火電廠1號(hào)機(jī)單元接線，機(jī)端無(wú)斷路器，主變高壓側(cè)雙母主接線。發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列后，經(jīng)過(guò)大約9 s主變高壓側(cè)A 相斷路器發(fā)生了閃絡(luò)，失靈保護(hù)動(dòng)作較晚最終導(dǎo)致主變高壓側(cè)A相斷路器發(fā)生了爆炸。保護(hù)相關(guān)定值如表3。

表3 保護(hù)相關(guān)定值Table 3 Protection settings

保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如下：以閃絡(luò)開(kāi)始發(fā)生時(shí)相對(duì)時(shí)間是0 ms，504 ms 閃絡(luò)保護(hù)第一次動(dòng)作，出口跳滅磁開(kāi)關(guān)、關(guān)主氣門(mén)和起動(dòng)失靈。隨后發(fā)電機(jī)組和系統(tǒng)發(fā)生了振蕩，隨著電流的減小，543 ms 閃絡(luò)保護(hù)返回，失靈起動(dòng)接點(diǎn)只動(dòng)作了約40 ms，根本不可能起動(dòng)0.6 s 的失靈保護(hù)。604 ms 失靈再次起動(dòng)，1 108 ms 閃絡(luò)保護(hù)第二次動(dòng)作同時(shí)起動(dòng)失靈，1 710 ms 后失靈保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)母線相鄰斷路器。但此時(shí)斷路器已經(jīng)發(fā)展成接地故障，主變高壓側(cè)電流因慢速滅磁仍然提供短路電流3 354 ms，開(kāi)關(guān)爆炸事故結(jié)束。

如圖2 所示是主開(kāi)關(guān)A 相閃絡(luò)時(shí)電流錄波，閃絡(luò)時(shí)機(jī)組與系統(tǒng)之間發(fā)生了振蕩，導(dǎo)致保護(hù)的動(dòng)作后返回?zé)o法及時(shí)起動(dòng)失靈保護(hù)。閃絡(luò)電流再次增大時(shí)，閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作，起動(dòng)失靈保護(hù)切除相鄰斷路器，但是斷路器發(fā)展成接地故障，仍然有短路電流，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

圖2 220 kV斷路器A相閃絡(luò)時(shí)電流錄波Fig.2 Current waveform of phase-A flashover fault of 220 kV circuit breaker

表4 數(shù)據(jù)是閃絡(luò)初始時(shí)刻電壓電流變化特征，系統(tǒng)B 相電壓母線電壓，因11 點(diǎn)接線的原因，機(jī)端電壓滯后系統(tǒng)電壓150°，斷路器兩端電壓是180°角差，斷路器斷口承受約2倍額定電壓。

從表4 可以得到以下重要信息：閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓159°，變化的機(jī)端電壓相角剛過(guò)150°，閃絡(luò)電流達(dá)到23.5 A（二次額定定電流5 A）。隨著機(jī)端電壓角度增大閃絡(luò)電流減小，到481 ms 時(shí)，機(jī)端電壓落后系統(tǒng)電壓327°（斷口兩側(cè)約0°角差），這時(shí)閃絡(luò)電流到達(dá)最小值1.3 A。接著閃絡(luò)電流增大，進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期。

表4 閃絡(luò)第一個(gè)故障周期錄波數(shù)據(jù)Table 4 The first fault period waveform of flashover fault

1.3 斷路器閃絡(luò)基本特點(diǎn)

從以上案例可以得出以下結(jié)論：

1）不論是220 kV 還是500 kV 斷路器，在斷路器兩側(cè)的壓差180°角差附近，斷路器斷口承受約2 倍額定電壓，斷路器若有絕緣薄弱點(diǎn)，容易發(fā)生閃絡(luò)。初始閃絡(luò)電流都很大，實(shí)際類似于同期電壓接反的非同期合閘，但是比非同期合閘危害大得多。閃絡(luò)電弧在斷路器滅弧室內(nèi)持續(xù)燃燒，斷路器滅弧按短時(shí)設(shè)計(jì)的，不及時(shí)切除閃絡(luò)電流，容易發(fā)生爆炸事故。

2）閃絡(luò)時(shí)發(fā)生振蕩，閃絡(luò)開(kāi)始時(shí)從較大電流變?。ú粫?huì)從小變大），到最小電流前若閃絡(luò)保護(hù)返回，則起動(dòng)失靈接點(diǎn)返回。正是因?yàn)槠饎?dòng)失靈接點(diǎn)返回，失靈保護(hù)無(wú)法動(dòng)作，是導(dǎo)致閃絡(luò)故障切除慢或切除不了的主要因素。

斷路器閃絡(luò)時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩，是因?yàn)椴⒕W(wǎng)前機(jī)組頻率與系統(tǒng)頻率有頻差，斷路器斷口擊穿后必然發(fā)生振蕩，一般頻差按1 Hz考慮，振蕩周期大約1 s［27］，第一個(gè)故障周期是振蕩的半個(gè)周期，大約0.5 s。從多起閃絡(luò)故障來(lái)看，第一個(gè)故障周期大都在400～500 ms。

3）閃絡(luò)發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)只是縱向閃絡(luò)電流，不會(huì)引起斷路器兩側(cè)相鄰元件主保護(hù)動(dòng)作，若發(fā)展成橫向的接地故障，即使閃絡(luò)斷路器相鄰主保護(hù)動(dòng)作切除相鄰斷路器，也容易導(dǎo)致事故擴(kuò)大化，因發(fā)電機(jī)滅磁較慢，仍然提供短路電流。所以必須在發(fā)展成接地故障之前，失靈保護(hù)動(dòng)作切除相鄰斷路器，才會(huì)使閃絡(luò)電流切除。

1.4 斷路器斷口閃絡(luò)振蕩時(shí)最小電流計(jì)算[27-28]

式（1）中：Ifl是單相或兩相閃絡(luò)時(shí)的斷口兩側(cè)電勢(shì)角差180°時(shí)的最大電流，Ug是斷路器斷口發(fā)電機(jī)側(cè)等效電勢(shì)的標(biāo)幺值，Us系統(tǒng)側(cè)等效電勢(shì)的標(biāo)幺值。

閃絡(luò)振蕩時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電勢(shì)與系統(tǒng)電勢(shì)之間的功角到0度時(shí)，如果系統(tǒng)電勢(shì)與發(fā)電機(jī)電勢(shì)相等，最小振蕩閃絡(luò)電流為0，閃絡(luò)保護(hù)一定返回，這是閃絡(luò)保護(hù)最不利的情況。當(dāng)振蕩功角擺到0 度時(shí)，發(fā)電機(jī)電勢(shì)與系統(tǒng)電勢(shì)差別越大，最小振蕩閃絡(luò)電流越大，防止閃絡(luò)保護(hù)返回越有利。從錄波圖1 中可以看出，第一個(gè)故障周期結(jié)束時(shí)，最小振蕩閃絡(luò)電流很小，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)滅磁較慢，閃絡(luò)后的四五百毫秒后發(fā)電機(jī)電勢(shì)不會(huì)明顯下降。當(dāng)?shù)诙€(gè)故障周期結(jié)束時(shí)，最小振蕩閃絡(luò)電流明顯增加，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電勢(shì)明顯下降偏離額定值較大一些。

2 斷口閃絡(luò)故障繼電保護(hù)改進(jìn)措施

綜合以上分析，斷口閃絡(luò)故障在第一個(gè)故障周期內(nèi)，閃絡(luò)保護(hù)返回之前跳開(kāi)相鄰斷路器，才能減小斷路器爆炸的概率，只有從閃絡(luò)保護(hù)與斷路器失靈保護(hù)著手，才能找到解決問(wèn)題的辦法。

2.1 閃絡(luò)保護(hù)的改進(jìn)措施

閃絡(luò)保護(hù)普遍做法是負(fù)序電流元件&斷路器位置接點(diǎn)［29］，建議用（3I0+負(fù)序電流元件）&斷路器位置接點(diǎn)作為主判據(jù)。閃絡(luò)發(fā)生時(shí)絕大多數(shù)是單相閃絡(luò)，閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻在并網(wǎng)前或解列后，而且主變中性點(diǎn)接地，一定有零序電流。單相閃絡(luò)時(shí)，用負(fù)序電流作為判據(jù)靈敏度不高，發(fā)生概率較低的兩相閃絡(luò)，負(fù)序電流靈敏度較高。

閃絡(luò)保護(hù)的整定時(shí)間非常關(guān)鍵，以往閃絡(luò)時(shí)斷路器爆炸大都和閃絡(luò)保護(hù)起動(dòng)失靈時(shí)間整定過(guò)長(zhǎng)有關(guān)?！禗L/T 684—2012 大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》規(guī)定0.1～0.2 s［30］，個(gè)人建議不取上限時(shí)間，取下限0.1 s即可，整定人員為了保證可靠性傾向于取上限0.2 s，認(rèn)為可靠，恰恰相反時(shí)間越短越可靠。因線路保護(hù)手合零序加速保護(hù)就是0.1 s，用的非常普遍，能有效躲開(kāi)斷路器非同期合閘在接地變壓器中產(chǎn)生的零序電流［31］。閃絡(luò)初始階段，發(fā)電機(jī)滅磁對(duì)于消除閃絡(luò)幾乎沒(méi)有作用，閃絡(luò)保護(hù)滅磁與起動(dòng)失靈都用0.1 s。

閃絡(luò)保護(hù)跳閘出口建議用線路保護(hù)有流保持無(wú)流返回的出口方式，這樣可以保證即使起動(dòng)電流整定較大，閃絡(luò)振蕩電流變小時(shí)起動(dòng)失靈接點(diǎn)延遲返回，甚至不返回，有利于失靈保護(hù)的動(dòng)作。本文兩個(gè)案例中，在這種定值整定有瑕疵的情況下，采用無(wú)流返回的方式，在第一故障周期結(jié)束的最小電流失靈起動(dòng)接點(diǎn)都不會(huì)返回。高壓線路保護(hù)在電網(wǎng)應(yīng)用非常普遍，出口起動(dòng)失靈都是以無(wú)流作為返回條件，工程實(shí)踐證明了這種方式的安全性。發(fā)變組保護(hù)有特殊性，機(jī)組內(nèi)部故障慢速滅磁故障電流返回慢，但是主變高壓斷路器不受此影響。

2.2 斷路器失靈保護(hù)的改進(jìn)措施

3/2主接線斷路器失靈保護(hù)第一時(shí)限跳本斷路器，第二時(shí)限跳相鄰斷路器。因級(jí)差原因，跳相鄰斷路器整定都在幾百毫秒，對(duì)于閃絡(luò)保護(hù)起動(dòng)失靈時(shí)間較長(zhǎng)。有必要設(shè)置一個(gè)新的閃絡(luò)失靈保護(hù)，它的判據(jù)：（3I0+負(fù)序電流元件）&三跳開(kāi)入&斷路器位置接點(diǎn)。其中零序電流和負(fù)序電流定值與閃絡(luò)保護(hù)配合，靈敏度只高不低。時(shí)限取0.15 s，跳相鄰斷路器。改進(jìn)措施已經(jīng)在南瑞繼保電氣有限公司的斷路器保護(hù)裝置得到應(yīng)用，命名為死區(qū)保護(hù)，廠家推薦的時(shí)間是0.15 s，現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題［32］。當(dāng)三相開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，收到起動(dòng)失靈接點(diǎn)，用閃絡(luò)死區(qū)保護(hù)快速跳開(kāi)相鄰斷路器。當(dāng)三相開(kāi)關(guān)合閘時(shí)起動(dòng)失靈用原有的失靈保護(hù)。在現(xiàn)有的條件下，增設(shè)閃絡(luò)失靈保護(hù)不需增加額外回路。

對(duì)于雙母線主接線，斷路器失靈保護(hù)同樣增設(shè)閃絡(luò)失靈保護(hù)，與3/2 主接線相比，多個(gè)電壓閉鎖判據(jù)。發(fā)變組單元主斷路器三相TWJ 以串聯(lián)形式接入母線保護(hù)裝置，增加了回路接線，對(duì)于母差保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，一臺(tái)機(jī)組增加一個(gè)位置接點(diǎn)開(kāi)入通道，實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜。

3 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)電廠側(cè)斷路器閃絡(luò)事故擴(kuò)大化問(wèn)題，到目前為止始終沒(méi)有得到很好的解決。本文通過(guò)案例分析斷路器閃絡(luò)的特點(diǎn)，閃絡(luò)電流的振蕩過(guò)程是導(dǎo)致閃絡(luò)保護(hù)不能正確動(dòng)作的主要原因，同時(shí)提出完善閃絡(luò)保護(hù)的判據(jù)和改進(jìn)斷路器失靈保護(hù)判據(jù)，大大減少開(kāi)關(guān)爆炸的概率，也能降低發(fā)電機(jī)及主變發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)。以后隨著智能站技術(shù)推廣到電廠側(cè)應(yīng)用，機(jī)組保護(hù)與失靈保護(hù)裝置之間信息共享，斷路器閃絡(luò)時(shí)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間還能縮短，問(wèn)題更好解決。