一起线路短路故障引起发电机组跳闸的事故分析及应对措施

那广宇，付 宇，张天放，裴 丹，卢盛阳

(1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006;2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

电力系统集发电、变电、输配电和用电等各个环节为一体，电能的生产与消费同时完成，各个方面紧密相联，任何一个环节出现问题都有可能造成其他生产环节出现故障，甚至造成局部电网事故扩大化影响到整个大电网的安全生产运行[1]。

随着国家“碳达峰、碳中和”的双碳目标的落实，新能源装机容量占比不断提高，电网系统运行难度不断加大，对发电机组的网源协调水平提出了更高要求[2]。发电机组如何能够更安全稳定运行，如何能够对电网安全起到更有效支撑成为越来越重要的课题[3]。

本文详细介绍了某220 kV 线路故障导致关联发电机组跳闸事故的始末，从短路故障过程、励磁系统动作情况、三机系统电磁功率变化、机组过载能力4个方面进行分析，结合机组汽轮机振动数据，得到此次事故的结论，并提出了解决办法，为其他机组排除隐患，避免类似事故发生提供经验。

1 事故过程

220 kV AC乙线跳闸，三相重合不良，D变电站220 kVⅠ母跳闸，母线保护动作发送远跳至BD线对侧；电厂2号、3号、4号主变压器高压侧电流和2号、3号、4号发电机机端电流出现负序分量；2号、3号、4号主变压器高压侧电流和2号、3号、4号发电机机端电流呈现三相短路特性变化；电厂220 kV BD线第1套、第2套保护装置均收到远方其他保护动作命令，保护装置远方跳闸保护动作电厂220 kV BD线开关跳闸；故障切除电厂2号机组7瓦振动突增，汽轮机跳闸动作2号机组主汽门关闭完成；厂用电自动切换2号机组程序逆功率保护跳闸。

事故期间，受系统扰动影响，2号、3号、4号机组部分400 V辅机设备跳闸。区域系统接线如图1所示。

图1 系统接线

2 原因分析

2.1 短路故障过程分析

02:16:04，220 kV AC乙线发生单相接地故障。02:16:04.275，B电厂2号、3号、4号发电机定子绕组均出现负序电流，数据如表1所示。

表1 单相接地故障机组负序电流数据

02:16:07，B电厂2号、3号、4号机组转子轴系出现小幅振动。02:16:44，D变电站220 kV母联Ⅰ母隔离开关发生短路故障。根据B电厂提供录波文件，发现该短路故障由AC相间短路转为三相短路。

02:16:44.133，B电厂2号、3号、4号发电机定子绕组均出现负序电流，数据如表2所示。

表2 相间短路转三相短路故障机组负序电流数据

02:16:44.156，B电厂2号、3号、4号发电机机端呈现三相短路电流，数据如表3所示。

表3 相间短路转三相短路故障机端三相短路电流数据

02:16:46，B电厂2号、3号、4号机组转子轴系出现大幅振动，2号机组转子轴系7号轴瓦振动突增，满足汽轮机跳闸条件(200 μm 3取2)，振动数据如图2所示。

图2 2号机组振动曲线

负序电流在发电机气隙中产生反向旋转磁场，相对于转子为2倍的同步转速，因此在转子中感应出100 Hz的倍频电流。同时，转子正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间也产生100 Hz的交变电磁力矩，这2种力矩将同时作用于转子大轴引发轴系振动。

发电机三相短路时，定子电流会产生旋转磁场和直流磁场，导致转子磁链守恒被破坏。转子励磁回路中产生感应电流以建立抵消上述磁场对转子绕组形成的磁链，上述磁链暂态过程变化将进一步引发转子轴系振动。

综上所述，负序电流和三相短路电流都会对机组转子轴系振动产生影响。

2.2 励磁系统动作情况分析

励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备。当电力系统短路、负荷突然增减时对发电机进行强行增磁减磁以提高系统运行的稳定性和可靠性。随着励磁电流变化，造成磁场不平衡，易导致汽轮发电机振动数值增大。

根据3台机组故障录波波形可知，发生故障时，机组励磁电流增加，励磁系统进行增磁动作。发生三相短路故障时，较比单相短路故障，母线电压降幅更大，增磁幅度更大。对比分析3台机组在事故前后励磁电流变化与振动趋势可知，机组增磁时，磁场中安培力变大，发电机和励磁机振动增大。

2.3 三机系统电磁功率变化分析

发生单相接地时，机端电压降低至80%额定值，汽轮机输出功率不变，发电机输出的电磁功率ΔP下降较小，发电机与汽轮机之间的对轮传递功率降低，汽轮机转速上升较小，从2997.839 r/min上升至2998.825 r/min。而励磁电压、励磁电流的上升需要励磁机输出的电磁功率ΔP增大，因此励磁机功率增大导致发电机与励磁机对轮传递功率上升，进而导致转子振动上升。

发生三相短路时，机端电压降低至60%额定值，相较于接地短路，发电机输出的电磁功率ΔP下降更大，发电机与汽轮机之间的对轮传递功率降低更多，汽轮机转速上升较大，从2998.188 r/min上升至3002.245 r/min。同时，励磁机需要输出的电磁功率ΔP上升更大，发电机与励磁机对轮传递功率上升更大，转子振动也就更大。

2.4 机组过载能力分析

发电机过载能力体现发电机静态稳定性，具备较小同步电抗的发电机，具有更大的过载能力[4]。同步发电机额定功率为

(1)

式中:δΝ为发电机机端电压与空载电动势的夹角；U为发电机机端电压；E0为发电机空载电动势；xd为发电机同步电抗。

同步发电机的最大功率为

(2)

最大功率与额定功率之比称为过载能力，用Km表示为

(3)

由式(3)可知，δN越小，Km越大。在一定负载情况下，减小δN必须要减小同步电抗xd。因为短路比与直轴同步电抗xd互为倒数，所以具有较大短路比的电机也具有较大的过载能力。

B电厂2号、3号、4号机组的发电机电抗参数如表4所示。由表4可知，2号发电机的各项电抗参数均大于3号、4号发电机，因此3号、4号发电机具备更好的稳定性，过载能力更强，受故障电流影响小。

表4 发电机电抗参数

3 应对措施

a.为保障机组稳定运行，建议在轴承振动保护中增加1 s延时，避免振动突变造成机组跳闸事故。

b.调整PSS功能自动投退值定值，指导机组在深度调峰等工况下PSS正确投入，确保为系统提供阻尼。

c.开展励磁系统现场试验工作，定量分析发电机振动与励磁系统增减磁动作相关性。

d.改造400 V辅机设备交流接触器，进行适配性分析，防止母线电压降低，出现交流接触器无法保持吸合的情况。

e.开展电厂重要辅机低电压穿越测试，保证电厂对瞬时故障造成母线低电压的抗干扰能力[5-10]。

4 结论

a.短路故障过程中，负序电流和三相短路电流产生的交变电磁场均会引起机组转子轴系振动。

b.B厂发电机均采用三机无刷励磁方式，转子轴系较长。励磁系统增磁时产生的安培力叠加发电机定子故障电流产生的交变电磁力矩，易引发转子轴系末端振动。

c.三相短路时励磁机需要输出更大电磁功率，发电机与励磁机对轮传递功率更多，对轮承受的耦合力更大。

d.由于3号、4号发电机过载能力强于2号发电机，导致2号发电机受故障电流影响更大。