发电机断路器失灵保护判据问题探讨

兀鹏越 孙钢虎 徐 金 许寅智 刘国荣

（1.西安热工研究院有限责任公司，西安 710043；2.南瑞继保电气有限公司，南京 211100；3.西北电力建设第一工程公司，陕西 渭南 714000）

按照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》[1]中11.6条的要求：“发电机变压器组的主断路器出现非全相运行时，其相关保护应及时起动断路器失灵保护，在主断路器无法断开时，断开与其相连在同一母线上的所有电源。”因此，发电机出口断路器有必要装设失灵保护。

由于传统上对于发电机出口断路器应用较少，在实际工程中也遇到了一些问题，例如发电机出口断路器的失灵保护配置及整定。《继电保护及安全自动装置规程》[2]、《大型发变组保护整定计算导则》[3]中对此没有明确说明，目前工程上的一般做法，仅仅是将常规的线路断路器失灵保护简单套用到发电机断路器了事，而忽视了这两者之间有着根本的区别，这在某些情况下有可能导致严重的后果。

本文分析了某厂一起发电机断路器失灵保护误动事故的原因，并进一步对发电机失灵保护的有关判据进行了探讨，指出存在的问题，并提出了新的保护判据，以期引起同行对此问题的重视，进一步完善此保护。

1 某厂1号机组系统接线

某厂 1号机组是一台百万千瓦等级的燃煤机组，以发电机－变压器单元接线接入500kV配电装置，发电机经出口断路器与1号主变、1A高厂变和1B高厂变相连。发电机中性点采用经接地变压器的高阻接地方式。发电机出口断路器由ABB制造，额定电流28000A，额定短路切断电流160kA，液压弹簧三相机械联动操作机构。发变组保护采用南瑞继保RCS-985微机成套保护装置。

图1 某厂1号机组系统图

2 事故经过

在2009年6月22日1号机组的首次整套起动试验过程中，当机端电压升至额定电压运行不久，17时 47分，发电机定子接地保护、发电机断路器失灵保护动作，起动“全停 I”出口，跳 500kV升压站断路器 5011、5012、发电机断路器 801、灭磁开关、6kV高压厂用电源断路器61A、61B、61C、61D，由于该机组备用电源不设置快速事故切换方式，而备自投装置也未投运，因此备用电源没有切换，高厂变跳闸后导致全厂厂用电失电。幸亏柴油发电机组自动紧急起动成功，保安段及时恢复供电，机组安全停机。

保护动作故障录波如图2所示：发现发电机定子C相电压突然完全消失，同时A、B相电压上升为100V，零序电压58V，发电机中性点出现零序电流 13A，外接电源式定子接地保护显示接地电阻由3000kΩ迅速下降为 0，以上故障持续延时达到定值0.5s后保护跳闸，发电机机端电压消失，零序电压零序电流均消失。当机组跳闸后，“零序电压+三次谐波”式定子接地保护可以复归，但外加电源式定子接地保护仍可测得C相接地电阻为0。

图2 保护动作波形

停机检查发现，发电机出口断路器C相与封母的软连接铜皮断裂翘起，与封母外壳内壁接触，发电机机端金属性一点接地，接地点如图1中箭头位置。发变组保护A柜的注入式定子接地保护和B柜的“基波零序+三次谐波”定子接地保护同时正确动作，跳灭磁开关、关主汽门及跳开发电机断路器[4]。

但是，在定子接地保护动作的同时，发变组保护C柜的RCS-974FG保护装置中的非电量跳闸保护“发电机断路器失灵保护”却误动作，跳开主变、厂变，导致事故范围扩大。

3 失灵保护误动原因分析

3.1 发电机断路器失灵保护原理[5]

1号机组发电机断路器失灵保护逻辑如图 3所示，由相电流元件、负序电流元件、零序电流元件中任一判据满足，再与发电机保护起动失灵和断路器位置与门后延时跳相邻断路器。其基本原理同一般变电站断路器失灵保护基本相同。

图3 发电机断路器失灵保护的逻辑图

3.2 失灵保护误动原因

发电机断路器失灵保护接线图如图4所示。图4（a）中，保护由RCS-974FG保护装置实现，发电机电流及保护动作触点、断路器位置构成完整的保护逻辑，所有判据条件满足后，失灵保护动作，图4（b）中的TJ1-2触点闭合。图4（b）回路是为了防止失灵保护误动，再次与发电机保护动作触点串联后才动作于最后的出口跳闸。

由于技术人员对保护原理不清楚，在实际接线中，错误地将 8LD3处与 8FD18直接短接，如图3（b）所示虚线部分，导致断路器失灵保护的电流判据和断路器位置判据被忽略，发电机保护动作后就直接跳闸于发电机短路器失灵保护出口。

图4 发电机断路器失灵保护接线图

4 发电机断路器失灵分析

4.1 问题的提出

以上事故中，查明发电机断路器失灵保护误动的原因是接线错误，导致电流判据不起作用。修改了错误的接线后，保护原理与设计意图相符合。而且在以后的几次发电机保护动作时，失灵保护也没有再动作。看起来这个问题似乎已经圆满解决了，但是，从另一个角度来思考：如果在这次定子接地事故中，发电机断路器拒动了的话，发电机断路器失灵保护会正确动作吗？

4.2 定子接地时断路器失灵分析

发电机中性点通过高阻接地变压器接地，属于小电流接地系统。发电机机端一点金属性接地时，接地一次电流理论值只有 18A，这次发电机定子接地保护动作时故障录波器实测的接地电流一次值为13A。而有关规程中[2-3]，对负序和零序过电流元件的整定计算原则没有明确的规定。所以负序电流元件整定值按躲过发电机长期允许的最大负序电流值考虑。零序电流元件的整定按躲过正常工况下的最大零序不平衡电流整定[6]，这样整定计算的定值见表1。

表1 1号发电机断路器失灵保护整定值

可见，定子接地时的零序电流远远小于发电机断路器失灵保护的零序电流定值，而相电流也不会大于机组额定负荷电流，因此三相拒动时不会起动断路器失灵保护。对于断路器单相拒动情况，如图4，假设A相拒动，由于B、C相已经断开，电流Ia将无法形成回路，负序电流判据也失去作用。只有断路器概率极小的两相拒动的时候，才会有负序电流，而负序电流是否达到定值，还有待进一步计算。如果负序电流小于定值，说明在发电机长期允许范围内，可以短时间运行。

图5 发电机变压器主回路

这样一来，如果发电机断路器拒动，发电机保护动作后只能跳灭磁开关、关汽机主汽门。此时发电机断路器仍然合闸，但发电机已无原动力，处于逆功率状态；因此断路器失灵保护将无法起动，上一级断路器也无保护动作，无法将故障发电机与系统隔离，在手动跳开上一级断路器以前，只能任由事故发展。

4.3 其他发电机故障时分析断路器失灵分析

不但定子接地时发电机断路器失灵保护不能起动，还有其他的一些发电机故障也存在这样的问题。这是因为目前发电机断路器失灵保护的原理，仅仅是从220kV以上变电站的断路器失灵保护简单套用而来的。在我国，220kV以上系统属于大电流接地系统，各种故障均有较大的故障电流。而发电机出口电压一般在10～27kV，为了防止单相接地电流烧坏发电机定子铁心，采用不接地、经高阻接地，或经消弧线圈接地，除了相间及三相短路故障外，其他发电机故障不会有很大的故障电流，与此同时，发电机相当多的故障量反映在定子电压的变化，甚至是转子电压、电流的变化。这些对发电机电流不一定有影响的故障量，自然不会满足发电机断路器失灵保护中的电流判据。

表2是1号机组发电机保护配置表。可见，所谓的发电机断路器失灵保护，仅在发电机发生相间短路时，差动保护、后备过流保护动作时能够起动。但发电机差动、过流保护动作时候很少，而单相接地、励磁故障、转子故障、运行异常等原因引起的跳机却很多，占发电机保护动作的大部分。据1987年至于1991年全国100MW以上发电机继电保护实际运行情况统计资料[7]：发电机保护动作 442次，其中差动保护动作 62次，仅为总的保护动作次数14%。也即大部分的发电机保护动作时断路器失灵保护是不会起动的。

表2 1号发电机保护配置

而对于相间断路故障，发电机差动保护会瞬时动作跳开断路器。当断路器单相拒动时，无论该相是不是故障相，由于其余两相已经断开不会形成电流回路，该相都不会再有故障电流。失灵保护虽然在短路开始时已经起动，但差动保护动作后故障电流消失，失灵保护经0.3s延时，又会返回，同样不会出口。只有发生相间故障时三相拒动和两相拒动情况下，断路器失灵保护才会正确出口。

5 发电机断路器失灵保护整定及判据商榷

以上分析可见，发电机断路器失灵保护属于小电流接地系统，本质上有别于大电流接地系统的断路器失灵保护。简单套用大电流接地系统的断路器失灵保护，在小电流接地系统中能够正确动作的几率是很低的。这个问题之所以没有引起重视，是因为发电机断路器拒动发生的概率很小。但是如果这种情况发生了，可能会引起严重后果。为了保证发电机断路器失灵保护正确动作，笔者提出以下建议：

1）定值整定。发电机断路器失灵保护与高压线路失灵保护有着本质区别，其整定原则不能简单套用。对发电机断路器失灵保护的电流判据如果按照躲过发电机最大负荷电流、长期运行允许负序电流等原则整定，大多数情况下将会导致保护拒动，因此建议判“有流”，当保护跳闸而断路器未分，且有流，即可起动失灵出口。

2）增加判据。对于发电机保护中，凡是起动断路器失灵的保护，均应增加相应判据。比如定子接地，就要增加零序电压起动发动机断路器失灵判据，这样才能保证不拒动。华能玉环电厂采用 GE公司的 UR系列数字式保护继电器，其发电机断路器失灵保护就增加了电压保护动作判据，与电流判据组成或门出口[8]。但是，仅增加了电压判据是不够的，还需考虑转子侧的故障、励磁变故障等判据，如何选择判据全面反映发电机的各种故障，这个问题有待进一步研究。

6 结论

对于发电机出口这样的小电流接地系统，断路器失灵保护的电流判据与大电流接地系统有着本质区别，不能简单套用。发电机出口断路器失灵保护如果仅设置电流判据是不完善的，大多数发电机故障时断路器拒动将不会起动失灵保护。建议研究按照无流原则整定定值及增加电压等判据起动发电机断路器失灵保护，以确保保护不拒动。

[1] 国家电力公司发输电运营部.防止电力生产重大事故的二十五项重点要求[Z].北京:中国电力出版社,2001.

[2] 国家标准化委员会.GB/T 14286—2006继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京:中国电力出版社,2006.

[3] 国家经济贸易委员会. DL/T 684—1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].北京:中国电力出版社, 1999.

[4] 梁玉枝,张洁,王非,等.发变组非全相及失灵保护电流元件整定计算探讨[J].华北电力技术, 2007(2): 1-2.

[5] 兀鹏越,陈飞文,黄旭鹏,等. 1036MW机组注入式定子接地保护调试及动作分析[J].电力自动化设备, 2011,31(3): 88-89.

[6] 南京南瑞继保电气有限公司. RCS-985系列发电机变压器成套保护装置技术说明书[Z], 2001.

[7] 周玉兰，李文毅. 1987年至1991年全国电网继电保护及安全自动装置运行情况(二)[J].电网技术,1993(6): 65-66

[8] 谢勇,翟大海,李传波. GE发变组保护在华能玉环电厂的应用[J].电力建设, 2010, 31(4): 69-71.