一、事故经过

2017年7月6日13:31分左右，某水电站#2发电机出口开关022、#4发电机出口开关024跳闸，#2、#4机事故停机。

二、故障前运行方式

220kVⅠ、Ⅱ段母线并列运行，思孙I回201线路、思孙Ⅲ回203线路运行在220kVⅠ段母线，思孙Ⅱ回202线路运行在220kVⅡ段母线，#1发变组、#3发变组运行在220kVⅠ段母线，#2发变组、#4发变组运行在220kVⅡ段母线。

图1：电厂电气接线图

三、事故经过

13:31:13.023#2机组跳闸；13:31:14.515#4机组跳闸。电厂机组保护配置南自DGT-801B保护。现场检查发现#2发电机保护A、B柜对称过负荷反时限保护动作，#4发电机保护B柜对称过负荷反时限保护动作。

四、发电机保护动作原因分析

因电厂电压控制等原因，系统发生振荡。根据故障录波数据分析（见图2、图3），保护动作前振荡持续约100秒，机组电流振荡幅度最大达到1.4A（额定电流0.764A）。根据故障录波整理时序：

    13:31:13.023  #2机组跳闸；

    13:31:14.515  #4机组跳闸；

    13:31:17.830  #1机组振荡消失；

3:31:19.727  #3机组振荡消失。

图2：#2机故障录波                         图3：#4机故障录波

图4：

图6：#2机组正序阻抗轨迹（振荡末尾阶段）  图7：振荡过程中#4机组的正序阻抗轨迹
#2机组正序阻抗轨迹（振荡起始阶段）  图5：#2机组正序阻抗轨迹（振荡中间阶段）

由#2、#4机组的阻抗轨迹图可知，振荡发生在第一象限，振荡中心在发变组保护区外。综合机组功率特征和测量阻抗分析，本次振荡属于同步振荡，不是失步振荡，机组应有耐同步振荡的能力。

发电机对称过负荷保护的反时限特性曲线由三部分构成：上限短延时、反时限及下限长延时。其特性曲线如图8所示。

              图中：  ——保护整定值 

 图8：发电机反时限对称过负荷保护动作特性

发电机对称过负荷保护需考虑电流的热积累效应，保护对电流每次进入定值区的时间做累加计算。DGT801保护判断两次连续进入定值区的时间间隔达到10S以上，会消减热积累值（每10s消减热积累值的1/2）。本次振荡过程中，#2机进入动作区约38次，#4机进入动作区约34次，每次动作区的时间间隔仅1秒，热积累值未消减。

计算电厂跳闸的#2、4机组及未跳闸的#1、3机组的热积累值。

Is=0.886A（反时限启动定值），Iup=3.688A（反时限上限定值），A为计算的热累积值，A1为上一时刻计算的热累积值，I为A相电流有效值，IN=0.764A（额定电流），K2=1（散热系数定值），为相邻采样的时间间隔。

计算4台机组的热累积值分别如下:

a）#2机: A=27.37197，与整定值K1=27.65接近，考虑故障录波器与保护装置采样差异性，故保护动作。

b）#4机: A=27.36049，与整定值K1=27.65接近，处于临界，考虑故障录波器与保护装置采样差异性，故保护动作。

c）#1机: A=26.22178，与整定值K1=27.65，相差较大，故保护不动作。

d）#3机: A=23.47347，与整定值K1=27.65相差较大，故保护不动作。

根据以上分析，本次振荡过程中，#2、#4机组反时限过负荷保护的热积累值达到定值，保护动作。#1、#3机组反时限过负荷保护的热积累值逐渐增加，但振荡消失前未达到定值，振荡消失后保护热积累值逐渐消减。如振荡末平息，#1、#3机反时限过负荷保护同样会动作。

五、存在的问题分析

1、电厂对称过负荷保护定值如下：

电厂对称过负荷保护定值计算如下：

作为发电机负荷过高的保护，由定时限和反时限两部分组成，定时限按发电机长期允许电流下能可靠返回，反时限部分动作特性按定子绕组过负荷能力确定。

2、反时限曲线整定情况

根据导则：发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为：

T=K_tc/(I_*²-1)

T:允许的持续时间；

I_*：以定子额定电流为基准的标幺值(I_gfh/ In)；

K_tc：定子绕组热容量常数，取K_tc=37.5

反时限特性计算曲线：

I_*=1.1时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(1.1²-1)=178.57S

I_*=1.16时   t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(1.16²-1)=108.51S(对应下限0.886A）

I_*=1.2时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(1.2²-1)=85.23S

I_*=1.25时   t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(1.25²-1)=66.67S

I_*=1.3时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(1.3²-1)=54.35S

I_*=1.5时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(1.5²-1)=30.0S

I_*=2.0时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(2.0²-1)=12.5S

I_*=3.0时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(3.0²-1)=4.69S

I_*=4.0时    t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(4.0²-1)=2.5S

I_*=4.83时   t=K_tc/（I_*²-1）=37.5/(4.83²-1)=1.68S（对应上限3.688A）

反时限上限（短延时、速断动作延时）整定：

取反时限下限延时t_s=80S对应下限电流，即：下限电流0.886时，允许时间为80S，算出K_tc=27.65

按t_s=80S，K_tc=27.65算出反时限特性动作曲线为：

I_*=1.16时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(1.16²-1)=80.01S(对应下限0.886A)

I_*=1.2时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(1.2²-1)=62.84S

I_*=1.25时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(1.25²-1)=49.16S

I_*=1.3时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(1.3²-1)=40.07S

I_*=1.5时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(1.5²-1)=22.12S

I_*=2.0时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(2.0²-1)=9.22S

I_*=3.0时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(3.0²-1)=3.46S

I_*=4.0时    t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(4.0²-1)=1.84S

I_*=4.83时   t=K_tc/（I_*²-1）=27.65/(4.83²-1)=1.24S（对应上限3.688A）

故取：I_s＝0.886A，t_s=80.01S，K_tc=27.65　，I_up＝3.688A ，t_up＝1.24S

3、定值整定存在的问题：

电厂整定计算书中，热容量常数K_tc定值根据37.5推算，计算依据是DL/T 684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》：

DL/T 684-2012的附录E对热容量常数的要求源自汽轮机技术标准GB/T7064-2008《隐极同步发电机技术要求》中4.15的规定“额定容量在1200MVA及以下的电机，应能承受1.5倍的额定定子电流历时30s而无损伤”。水轮发电机的过负荷水平通常高于汽轮发电机，GB/T7894-2009《水轮发电机基本技术条件》中7.1.1的要求如下：“水轮发电机在事故条件下允许短时过电流。定子绕组过电流倍数与相应的允许持续时间按附表确定，但到达附表中允许持续时间的过电流次数平均每年不超过2次。”

哈尔滨电机厂提供的机组定子过负荷水平与GB/T7894-2009的要求一致。水轮机组的热容量常数K_tc普遍大于汽轮机组，根据哈电给出的参数及DL/T 684附录E的公式，计算热容量系数K：

根据以上计算结果可见，电厂的热容量常数K_tc定值27.65偏小。如Ktc整定120，假设振荡电气特征无变化，估算振荡持续400秒保护才会动作，期间可通过失步解列装置（如振荡发展成失步）或人工切机等措施平息振荡。热容量常数定值偏小，是本次振荡过程中保护动作的原因。

电厂散热系数整定为1，未按规程整定1.02 ～1.05。在南自保护逻辑中，散热系数不影响散热计算，只影响热积累值的计算（见前述说明），散热系数取1～1.05的计算结果差异不大。对于南瑞继保等散热系数参与散热计算的保护逻辑，当机组长期满负荷运行，系统频繁扰动时（如发生区外故障），保护程序计算不会减少热累积时间，热累积时间持续增多，易导致保护动作。

六、处理建议和措施

1、目前在运的水轮机组多采用空冷方式，空冷机组的短时过负荷能力强，DL/T 684明确规定Ktc值37.5不适用于空冷机组。电厂保护整定计算人员应按照整定规程及机组实际过负荷能力整定Ktc定值，确保系统扰动时机组不跳闸。

2、各保护厂家对定子绕组反时限过负荷保护热积累和散热的算法存在差异。建议各发电公司组织主机厂对振荡过程中机组的温升特性做定量化计算分析，建议保护厂家结合机组实际温升特性，考虑优化反时限过负荷保护应对机组振荡工况的算法。

参考文献

【1】高春如，大型发电机组继电保护整定计算与运行技术 第二版【M】中国电力出版社，2010

【2】《水轮发电机基本技术条件》（GB/T7894-2009）

【3】《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》（DL/T 684-2012）

【4】《隐极同步发电机技术要求》（GB/T7064-2008）

作者简介：

南泽瑞（1982-），男，本科，电气工程师，继电保护技师，主要从事发电厂电气设备安全管理工作。