发电机断路器断口闪络保护动作分析

李振军

(国家能源集团秦皇岛发电有限责任公司，河北 秦皇岛 066003)

0 引言

发电机断路器断口闪络事故不仅会造成断路器本身的损坏，还会因开关灭弧室绝缘水平降低而诱发接地故障，引起事故扩大甚至破坏系统的稳定运行；断口闪络时还会在发电机上出现负序电流，产生有危害的冲击转矩，在转子上生成附加损耗，严重威胁发电机的安全。因而在大型机组上装设断口闪络保护是一种必要的安全措施。

1 系统及设备概况

某厂电气系统接线方式为220 kV 系统双母线带旁路，正常运行中两条母线并联运行，母联开关合入。两台发电机组分别接入两条220 kV 母线，两条220 kV 线路也分别接入两条220 kV 母线，两台发电机组配有一台启动变，即1 号机组、1 号线路接入五母线，2 号机组、2 号线路、1 号启动变接入四母线。

220 kV 系统设有两套母线差动及失灵保护，分别为南京南瑞的PCS-915 和长圆深瑞的BP-2C型母差保护母线保护装置，均具有断路器失灵保护出口功能。线路设有两套纵联差动保护，分别为南京南瑞的RCS-931AM 和北京四方的CSC-103B型保护，还有一套断路器失灵保护为南京南瑞的RCS-923C 型保护。发变组电量保护采用双重化配置，保护A、B 两柜相互独立，A、B 柜采用南瑞公司的PCS-985B 发电机变压器成套保护装置；保护C 柜为非电量保护，采用南瑞公司的PCS-974A-G 非电量保护装置。2 号机组发变组出口主开关为西开电气的LW15B-252/Y 型开关。

2 事件经过

2022-06-18 ，2 号机组热备后按电网调度命令正常启动，09:29 汽轮机定速3 000 r/min，09:50发电机升压至额定电压15.7 kV 等待并网。09:56 2 号发变组断路器闪络保护首先动作，出口启动220 kV 母线失灵保护，两套母线失灵保护均正确动作，切除220 kV 母联开关及220 kV 四母线所带1 号启动变开关、2 号线路开关，2 号线路保护发远跳，2 号发电机灭磁，2 号机组厂用电系统失电，经检查确认各保护动作正确，现场检查220 kV 母联开关及刀闸，1 号启动变、2 号线路等开关及刀闸正常。

进一步检查发现2 号发电机出口四母线侧刀闸A 相靠开关侧引线至2 号发电机出口主开关接线端侧有明显放电痕迹，放电处瓷瓶有破损情况，其他设备均正常。立即拉开2 号发电机出口四母线侧刀闸，将故障点隔离。按电网调度命令，14:10 合入2 号线路开关，向220 kV 四母线送电，母线充电正常。14:13 合入220 kV 母联开关，恢复双母线运行方式。15:10 合入1 号启动变主开关，2 号机组厂用电系统恢复供电。

3 保护原理及动作逻辑

3.1 断口闪络保护的动作意义

大型发电机—变压器组在进行同步并列的过程中或发电机刚刚解列时，随着发电机与电力系统等效电势之间的角度φ不断变化，作用在发变组主断路器断口上的电压也不断变化。当φ=180°时，其值最大，有2 倍的运行电压作用于断口；当断路器断口两侧电势大于断口介质击穿电压时，可能会造成断口闪络事故。由于发电机—变压器组采用的是单元接线，发电机出口无开关，发电机在断口闪络时仍将对故障点提供能量，这在一定程度上加剧了故障程度，因此闪络保护动作后发电机应当立即灭磁降低断口电压。启动失灵保护，切除机组所在母线上的各电源支路或跳掉相对应的线路，阻断故障点能量来源，降低故障对设备及系统的影响。

3.2 标准的规定

DL/T 684—2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》的4.8.7 规定如下：发—变组接入220 kV 及以上系统时，应配置高压侧断路器断口闪络保护。断口闪络保护的动作条件是断路器处于断开位置但有负序电流出现。

负序电流I2.OP的整定应躲过正常运行时高压侧最大不平衡电流，一般可取：

式(1)中：ITN为变压器高压侧额定电流。

断路器断口闪络保护延时需躲过断路器合闸三相不一致时间，一般整定为0.1 ～0.2 s。当机端有断路器时，动作于机端断路器跳闸；当机端没有断路器时，动作于灭磁同时启动断路器失灵保护。

本机组的闪络保护定值：断路器闪络负序电流定值为0.26 A；发电机灭磁与启动失灵为同一时限，定值为0.1 s。

3.3 断路器断口闪络保护原理

发电机在进行并列过程中，当断路器两侧电压方向为180°时，断口易发生闪络。断路器断口闪络只考虑一相或两相，不考虑三相闪络。断路器闪络保护取主变高压侧开关CT 电流。判据如下：

1) 断路器三相位置接点均为断开状态。

2) 负序电流大于整定值。

3) 发电机已加励磁，机端电压大于一固定值。

相电流判据和零序电流判据可进行投退，断路器闪络保护一般第一时限保护动作于灭磁，第二时限动作于启动断路器失灵。断路器闪络保护逻辑如图1 所示。

图1 断路器闪络保护逻辑

4 保护动作行为分析

4.1 相关保护动作行为

4.1.1 发变组保护动作行为

09:56:02.021，发变组A 套PCS-985B 保护启动。

09:56:02.121，发变组保护A 套PCS-985B断路器闪络保护Ⅰ时限动作，出口起动失灵，跳灭磁开关。

09:56:02.022，2 号 发 变 组B 套PCS-985B保护启动。

09:56:02.122，2 号 发 变 组 保 护B 套PCS-985B 断路器闪络保护Ⅰ时限动作，出口起动失灵，跳灭磁开关。

4.1.2 220 kV 母线保护动作行为

09:56:02.015，母线保护A 套PCS-915SA保护启动。

09:56:02.137，母线保护A 套PCS-915SA失灵保护启动。

09:56:02.387，母线保护A 套PCS-915SA失灵保护跳母联开关。

09:56:02.637，母线保护A 套PCS-915SA Ⅰ母失灵保护动作，出口跳220 kV 四母所带2 号发电机出口开关、1 号启动变开关开关、2 号线路开关。

09:56:02.014，母线保护B 套BP-2C 失灵保护启动。

09:56:02.384，母线保护B 套BP-2C 失灵保护跳母联2245 开关。

09:56:02.634，母线保护B 套BP-2C Ⅰ母失灵保护动作，出口跳220 kV 四母所带2 号发电机出口开关、1 号启动变开关、2 号线路开关。

4.1.3 线路保护动作行为

09:56:02.014，2 号 线 路RCS-931AM 线 路保护启动。

09:56:02.652，2 号 线 路RCS-931AM 线 路保护发远跳。

09:56:02.693，2 号线路开关三相跳闸。

09:56:02.019，2 号线路CSC-103B 线路保护启动。

09:56:02.652，2 号线路CSC-103B 线路保护发远跳。

09:56:02.693，2 号线路开关三相跳闸。

4.2 保护动作行为分析

经查阅发电机故障录波器，闪络保护动作时主变高压侧电流录波图二次负序电流最大值为5.86 A，而定值为0.26 A，实际负序电流远大于负序电流整定值，闪络保护正确动作。两套发变组保护断路器闪络保护全部启动，出口起动失灵，跳灭磁开关。符合闪络保护的动作逻辑，保护动作正确。随后，发变组保护启动了两套母线差动及失灵保护，母线差动及失灵保护动作切除了母联开关和故障母线上的所有元件，保护动作符合逻辑。

线路保护启远跳的问题需要说明。线路保护的启远跳，实际上就是线路的失灵保护，启动后通过线路保护光纤通道将线路对侧的电源开关跳闸，使线路失电。本次事故的故障点，在2 号发变组主开关与出口刀闸引线处，因当时出口刀闸在合入状态，所以故障点也就相当于在母线上。对于线路纵联差动保护来说，属于区外故障，而启远跳应该在区外故障不能可靠消除时才能启动。在母线差动及失灵保护启动后，准确地切除了线路开关，而线路保护也启动了远跳，远跳是否应该启动需要探讨。从各保护的动作行为上看，634 ms 母线保护B 套失灵保护动作出口去跳线路开关，至693 ms 线路开关跳闸，而两套线路保护的启远跳时间都是在652 ms。由上述各保护的启动及动作时间节点看，线路保护启远跳是在母线失灵保护动作而线路开关未跳闸之间启动的，所以线路保护启远跳是合理的。

5 原因分析

由事故现场勘查情况和保护动作情况看，事故原因应为机组并列过程中发生了A 相闪络故障，对故障原因做如下分析。

1) 瓷套绝缘发生沿面闪络主要由两个因素决定：一是环境污染造成绝缘子表面积污，二是具备使绝缘子受潮的气象条件。6 月18 日当天，天气预报气温度为18～26 ℃，湿度85 %，且在之前一段时间内，长时间持续了低温高湿的大气温度及湿度。本次发生事故的现场是一个密闭空间的开关站，在开关站内虽有两台10 匹工业空调运行，但因空调除湿效果有限，室内湿度仍在70 %以上，而且室内空间相对巨大，空调也不足以促使室内空气循环流通，无法有效降低室内湿度，特别是在3 m 高度以上的空间，是空调力所不能及的，除湿作用更加有限，并网时开关已经有结露现象。因环境因素影响，致使开关瓷套外绝缘水平降低。

2) 事故发生时，2 号发电机已经升压至额定电压，处于待并网期间，此时主开关断口两侧承受电网侧系统电压与发电机侧额定电压，主开关两侧电压随待并发电机与系统之间电动势的角度差改变而不断变化，当两侧电压相位相差180°时达最大值，最大值为2 倍额定电压，这是事故的一个诱因。

3) 经实际测算，发变组主开关本体放电点与220 kV 四母线引线上的放电点的距离大约为1.94 m，经查阅DL/T 5352—2018《高压配电装置设计规范》5.1.4，屋内配电装置的安全净距不应小于2 m，所以两放电点之间的距离小于规定值。同时由于220 kV 开关站内湿度大，空气绝缘强度降低，放电电压下降，最终导致出口刀闸侧引线与主开关A相本体接线端外放电，相关保护动作跳闸，造成开关瓷套有小部分破损。

所以，本次事故的主要原因是，开关站内空气湿度过大，使空气绝缘强度降低，又因最小安全净距偏小，在发电机侧与系统侧两侧电压达到最大值时，造成主开关与出口刀闸引线间空气击穿，闪络保护动作。

6 预控措施

1) 220 kV 开关站内应增加配备除湿设备。现使用的空调设备已不能满足现场的除湿需要，根据室内面积应配备合理数量的专业除湿设备，且增加具备室内内循环功能的设备，使室内空气流通起来，才能更好地利用除湿设备有效降低室内湿度。

2) 加强设备防污闪管理、控制工作，根据机组检修、线路停电时间制定合理详细的检修计划，及时进行清扫除污工作。

3) 加强设备的绝缘管理，绝缘降低时应及时利用设备停运机会通过喷涂PRTV 防污闪涂料等手段提高设备绝缘能力。

4) 对220 kV 系统各开关与出口刀闸之间引线的最小安全净距进行测量，偏小的应进行调整。

7 结束语

因设备外绝缘故障引起闪络保护动作，需要从保护动作的过程进行保护动作的原因分析，找出故障的诱发因素，才能采取有效的处理和防范措施，避免同类故障的重复发生，保证机组安全稳定运行。