内燃机组电厂外部故障引发系统崩溃原因探讨
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中冶集团铜锌有限公司巴基斯坦·山达克铜金项目的研究人员尤家安，在2016年第7期《电气技术》杂志上撰文，针对自备电厂的5台10MW燃油发电机组输出系统崩溃、供电全部中断事故，依据故障发生时的系统参数,短路电流计算结果和信号显示状态以及继电保护给定值，分别从系统的运行方式、继电保护动作情况，以及内燃机组PLC控制系统故障信息等几个方面，对事故发生的全过程进行了全面详细分析，确定了造成系统崩溃的最终原因和改进措施，为从事该项工作的工程技术人员提供参考。
笔者工作的巴基斯坦·山达克铜金项目远离城市，使用的是自备发、供电系统，其机组是由瑞士苏尔寿公司生产的16ZAV40S内燃机和德国西门子股份公司生产的发电设备及控制保护装置配套而成。系统有5台容量为12250kVA发电机，其型号为IDK5727-3 DE 06-Z，发电机输出电压为6.3kV，一次系统的相关回路见图1所示。
图1 5×10MW电厂一次系统图
系统主接线为单母线分段，负荷通过12条高压交联电缆分配给各生产单位，其中2条分配给水源地的电源线路（以下简称水源线），经升压站将6.3kV升压至33kV送到水源地。
三台容量为3028kVA的同步电动机，其型号为TS-139857分别接在选矿厂6.3kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母线上，另外还有生活区及周边7个部落村庄用电，形成小区域的发供电系统，特点是负荷以大中型电机为主，负荷变化对系统稳定性影响较大，因为供电范围比较小，所以各条线路末端短路时电流非常大。
1故障概况
2012年3月20日，1#、3#、4#机组并列运行，母联开关在合闸位置，1#、2#厂用变压器在工作状态，12条配出线路开关均在合闸位置。
01:05机组突然声音异常，主控室照明灯明暗变化，而后厂用电消失，事故照明灯自动点亮，主控室的控制保护屏显示多种信号，各辅机设备及三台内燃机组也停止运转，整个系统崩溃。
经过仔细检查，故障点发生在水源线升压站2#B变压器6.3kV套管之间，有一只野猫被电击烧焦死亡，三相套管螺丝可见弧光烧熔痕迹，从而确定了在2#B变压器6.3kV套管之间发生了严重的三相短路，这就是造成系统崩溃的直接原因。
此类故障曾经在用户端配电变压器上也发生过多起，其中电厂外部的一次非正常短路故障，引发了三台发电机跳闸停车，导致系统崩溃供电全部中断的重大事故，给生产造成了很大的经济损失。
1.1 故障发生后主控室各保护动作、信号显示及高压室开关跳闸情况
1) 三台发电机出口开关已经跳闸，但没有发出对应的跳闸信号，各发电机显示屏均显示低频信号、过流信号，只有低电压保护装置有动作跳闸信号。
2) 开关L20、L10、L01同时跳闸，其中开关L20过流保护、接地保护、速断保护均有起动信号，但没有保护跳闸信号。
3) 开关L14、L15有过流信号，但没有保护跳闸信号。
4) 其它回路没有信号显示，开关均在合闸位置。
5) 升压站2#B变压器差动保护动作，信号掉牌，开关（1024）、（2021）跳闸。
1.2保护装置
1) 发电机保护配置
7UD7150-3AA0/BB（差动保护）、7SJ5005-4DA00/EE（过流、速断、接地保护）、7SK8843（中性点零序保护）、7SN3500-1AA01/BB（失磁保护）、7UR2110-0AA01/CB（转子接地保护）、BU1-AC（过压/欠压保护）、FW4-2（低频/过频信号）、低频自动减载继电器。
2) 馈出线路保护配置
7SJ5005-4DA00/EE（过流、速断、接地保护）。
3) 上述保护装置信号显示特点，分为保护起动信号和跳闸信号两种。
4) 升压站2#B变压器保护配置
电磁式差动保护、速断保护、过流保护。
2故障分析
2.1短路电流计算
1) 设备参数计算
根据参考文献[1]，各元件电抗值计算结果见表1。
表1 电抗值计算结果
由表1电抗值计算结果，得出故障发生时系统的等值电路见图2所示。
图2 故障发生时的系统等值电路
2）故障点短路电流、各发电机和同步电动机向短路点提供的电流计算
简化计算，故一般规程计算中忽略负荷影响是完全可以的[2]。运行方式为：6.3kVⅠ段母线1台发电机和1台同步电动机并联运行经串联电抗器与6.3kVⅡ段母线2台发电机和2台同步电动机并网运行，分段开关在合闸位置。
取Ve=VB，则电压标幺值：（4）
故障点及各支路短路电流计算结果见表2。
表2 短路电流计算结果
2.2 对各开关保护动作及状态分析
1) 升压站2#B变压器开关（1024）、（2021）
故障点在2#B变压器6.3kV套管上，处在差动保护范围之内见图1所示，保护应该动作。已知保护定值Idzj=6.4A，nτ=400/5，将定值折算到一次侧（高压侧）差动保护的动作电流为：公式为[3]Idz=Idzj×nτ （7）
=6.4×400/5=512A
因为通过开关（1024）的短路电流IK=26.46kA＞＞512A
所以2#B变压器差动保护动作，0秒内将两侧开关（1024）、（2021）跳闸是正确的。
2) 电厂侧水源线和选矿线开关（L20、L10、L01）
根据表3定值，（同上计算）速断动作电流为：Idz=Idzj×nτ=51×600/5=6.12kA
因为通过开关（L20）的短路电流IK=26.46kA＞＞6.12kA
所以开关（L20）的速断和过流保护同时满足起动条件并发出起动信号，但并不是本保护所跳闸。
原因有一， 2#B变压器差动保护动作0s切除故障在先。原因有二，开关（L20）速断和过流保护分别要经过0.85s和0.5s的时限才能跳闸见表3所示。
所以开关（L20）本不应该跳闸，但事实上确已跳闸，究其跳闸原因是电力系统中短路时,由于系统中功率分布突然变化，发电机的输出功率也就突然变化，而发电机的输入功率不能立即相应变化，因而造成输入与输出功率失去了平衡[2]，当大电流短路冲击时，所产生的短路功率很大，由于内燃机调速器响应时间的滞后性，而导致原动机的功率不能及时增加，造成功率缺额，从而引起系统频率瞬间下降到设定值48Hz以下见表3所示，低频减载装置动作0s内同时跳闸于开关（L20）、（L10）、（L01）属于正常减载，所以开关（L20）不是故障电流直接引起的保护跳闸，而是因为频率下降所致。
另外，开关（L20）保护还发出了接地信号，这是因为野猫触电时，三相短路伴随有接地短路。
3) 发电机出口开关（L03、L16、L19）
(1) 由以上计算得知，发电机通过开关（L03、L16、L19）向故障点提供的短路电流分别是：I2=I3=8.91kA和I1=6.1kA，均＞Idz=Idzj×nτ=6×1250/5＝1.5kA定值见表1，虽然同时满足保护起动条件并发出信号，但并不是本保护所跳闸。
原因是当系统频率降低时，励磁机、发电机等转速相应降低，由于发电机的电势下降，使系统电压水平下降[4]，当系统电压降至U=6.3/0.11×Idzj=57.27×80V=4.6kV以下定值见表3，发电机低电压保护起动，在延时1.5s后超前于发电机过流保护时限1.7s提前动作并发出跳闸信号，所以过流保护只有起动信号而来不及跳闸。
(2) 根据故障时电压有下降这一现象来分析，低电压保护动作可跳闸于发电机开关（L03、L16、L19），但由于保护有1.5秒的延时大于开关（L20）、（1024）、（2021）的保护时限，开关（1024）、（2021）差动保护跳闸在先切除了故障，因此发电机开关（L03、L16、L19）的跳闸，不是因为系统电压下降造成的，而是系统电压长时间不能恢复所致。
(3) 发电机开关（L03、L16、L19）均同时发出低频保护信号。根据火电厂运行情况，当频率下降到47～48Hz时，火电厂的厂用设备的出力将显著降低，锅炉出力减少，导致发电厂发出功率进一步减少，致使功率缺额更为严重。
于是系统频率进一步下降，这样严重反馈将使发电厂运行受到破坏，从而造成频率崩溃[4]，内燃机组电厂也是如此，发电机发出低频保护信号，是由于短路故障使系统频率降至48Hz以下所致。
4) 电厂侧选矿开关（L14、L15）
由以上计算得知，同步电动机通过开关（L14、L15）向故障点提供的电流是：I5=I6=1.95kA＞Idz=Idzj×500/5＝17.75×100＝1.78kA定值见表1，所以开关（L14、L15）的过流保护定值均满足起动条件并发出起动信号,属于正常。
表3 电厂相关开关的部分继电保护定值表
5) 无功功率对系统的影响及补偿作用。
从运行情况看基本满足运行所需无功，当发生短路故障时对系统的无功补偿及电压提升表现的不尽人意。
原因有：
1、在部分单位配置的高压补偿电容器，因为气温太高问题频出，在电厂投运不久就停用失去了补偿作用。
2、系统无功补偿主要由3台球磨机的同步电动机提供，同步电动机的运行负载率在89％以上，无功补偿能力受到限制，只能对选矿厂内部同一母线上的电动机进行补偿，而通过电缆线路进入电厂母线向系统的补偿量十分有限，缺额部分只能由发电机提供，另外同步电动机的励磁控制是自动投入且励磁电流也作了限制，是防止系统较大负荷突减少时电压升高而设。
3、在短路故障发生时发电机的强行励磁并没有动作就被内燃机联跳了励磁开关，发电机失磁后系统电压迅速消失。因此系统电压单靠同步电动机的无功补偿是无法恢复的。
6) 事发过后，对相关的开关及继电保护按给定值做了复检试验，没有发现异常。
说明保护装置处于正常状态。对二次回路检查中发现，内燃机保护紧急停机可以跳闸于发电机励磁开关，但不能同时联跳发电机出口开关，这一缺陷已经存在多年，发电机失去励磁的同时又从系统吸收大量无功，加速了电压降低，也是造成电压崩溃的原因之一。
2.3内燃机跳机保护
内燃机有10大保护作用于紧急停机，其中低转速保护反应是最快的，当转速＜95％额定转速时保护动作紧急停机。因此当电气系统发生严重短路时，系统频率及内燃机转速会随之下降，当内燃机转速＜475r/min时紧急停机，紧急停机的同时联跳发电机励磁开关，发电机失磁后系统电压迅速消失，厂用电会中断，辅机设备无法维持运转，系统彻底崩溃。
从表4记录显示看，说明辅机设备是因为厂用电消失，而不能维持正常运行参数而发出的保护动作信号见表5所示，如：当润滑油压力＜3.0bar、缸套冷却水压力＜1.5bar时会紧急停机并发出信号等。这里需要强调的是内燃机低转速保护信号，实际没有进入到PLC记录显示。
表4 机控室PLC记录显示情况
表5 内燃机部分保护定值表
当电厂外部发生严重短路时，由于系统频率下降，内燃机低转速保护反应更灵敏，所以内燃机保护动作紧急停机在先，机组间失去同步，导致机组解列系统崩溃。
由于此类故障属于小概率事件，虽然继电保护工作年年搞，但是内燃机跟发电机保护之间的配合问题被忽视，从这次事故反映出长期以来技术管理方面只重视电气系统继电保护工作，而忽视了内燃机和发电机保护之间的联调联试工作，导致潜在的问题一触即发。
3 结论
经过上述分析和反复试验，发现5台内燃机的调速系统均存在着固有响应速度慢，惰性大的问题，特别是在低负荷的工况下更为明显，在故障电流的作用下，不能及时快速提高内燃机的喷油量及发电机输出功率，致使功率严重缺额，导致机组转速瞬间下降且恢复慢，机组间失去同步，从而造成机组频率崩溃。
由此得出事故的直接原因是野猫引起的短路，而内燃机的95％低转速保护动作跳机在先，才是造成本系统崩溃的主要原因，因此可以排除因电气保护动作造成全停的可能。
改进措施：
①为了提高系统整体运行可靠性，对电气系统继电保护与内燃机紧急停机保护，重新做了系统性整体配合，根据内燃机厂家技术规范，在保证内燃机运行安全的同时，将低转速保护原整定值从475r/min降低为470r/min，并增设了低转速保护延时2s动作，与发电机保护过电流动作时间1.7s相配合，避免了内燃机跳闸在先，从而减少内燃机的停机率。
②完善发电机保护，按设计规范要求，当内燃机故障时跳闸于发电机励磁开关的同时，必须联动跳闸发电机出口开关。
③低频减载量不足，增加减载负荷数量，将碎矿线路约(1500kW-2000kW)负荷纳入其中，确保厂用电稳定及厂内机组运转。
经过以上改进，机组运行稳定，三年来没有发生因电厂外部短路而引发的系统崩溃、全停事故，在2014年4月间，成功躲过一次短路故障。
在采坑爆破作业时，飞石将电铲6kV拖动电缆砸断造成短路，采矿西环线开关速断及接地保护跳闸，同时电厂低频减载装置动作切除了4条线路（L20）、（L10）、（L01）和L05（碎矿线新增）。
故障点距电厂约2kM，虽然短路电流小于IK=26.46kA，但是从低频减载装置动作情况看，改进措施是有效的。