一起油田电网故障处理时同期并网事故的分析

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

塔河油田电网因一条输电线路故障跳闸变成孤网，通过另一条输电线路进行同期并网操作时，发生了非同期并网，导致事故扩大化，造成油田大面积停电。表面上看，同期装置故障是事故原因，但通过事故调查发现，调度员的错误调度命令是主要原因。中石化西北油田分公司的研究人员蒲军，在2021年第2期《电气技术》杂志上撰文，详细介绍了该事故发生经过和开展的事故调查，提出相关建议和技术改造，对其他具有相同情况的电网具有参考意义。

电网并网需满足同期三要素：电压相等，频率相同和相位一致。非同期并网对电网存在很大的危害，特别当电压相位差180°时，冲击电流最大。发生非同期并网后，应查看故障录波，检查同期装置的整定值和同期试验。防止发生非同期事故的措施有同期技术改造、同期定值优化、提高调度员的事故处理能力和完善应急预案等。

位于新疆塔克拉玛干沙漠北部边缘的塔河油田电网，担负着三区五县约2.6万余km2的油气生产和生活用电。在油田电网运行中，发生了一次电网故障处理时同期并网事故。

1  事故电网运行方式

油田电网的供电电源有巴州电网、阿克苏电网和两个自备发电厂。

事故前，电网分网运行，具体情况为阿克苏电网、发电一厂和发电二厂带油田主体电网，巴州电网带采油一区10kV配电网，并网开关为发电一厂的110kV母联1150开关。如图1所示。

图1  塔河油田电网主构架图

2  事故发生经过

9月23日01:18，油田主体电网110kV布四联线接地保护跳闸，油田主体电网与阿克苏电网解网，成为孤网，由自备发电厂带负荷。为提高电网运行可靠性，电力调度员决定将油田主体电网并入巴州电网。

调度员未分析两边电网的并网条件[1]，给发电一厂的运行员下发了同期调度令。运行员在并网操作中，前两次同期合闸未成功，第三次同期操作时开关合闸成功。但合闸后，两个自备发电厂的所有发电机组相继保护跳机，并网开关也保护跳闸，发生油田主体电网失电事故。

3  事故调查经过和原因分析

事故发生后，电气技术组开展了以下调查工作并进行分析。

3.1  故障录波调阅

调阅故障录波，如图2所示。

从故障录波图可以得到1150母联开关闭合时间为9月23日01:32:32:536，即并网时间。将并网时两侧电网同期电压幅值、相位和频率整理成表，同时计算出差值填入表1中。

图2  电网相位差图

表1  故障录波记录表

故障录波记录表的差值是同期动作值，与同期保护定值单表2比较可知：

表2  同期保护定值单表

1）电压相位差194.47°，大于定值18°；电压幅值差为89.11V，大于定值8V；电压频率差0.76Hz，小于定值0.8Hz；只有电压频率差满足同期条件。

2）同期装置只有在电压频率差、幅值差和相位差3项数值同时达到条件，同期装置才出口开关。而实际情况为，电压幅值差和相位差均未达到同期定值，同期装置却出口了开关，说明同期装置存在问题。

3）电网并网时间点的电压相位差194.47°，属于严重的非同期合闸，相当于系统发生了短路故障。

3.2  非同期并网的危害性分析

非同期并网，由于两个电网的电压差很大，开关合闸时会产生很大的冲击电流，巨大的冲击电流对发电机、变压器和电力系统造成严重冲击。发电机组将发出强烈的振动，使发电机组绕组变形甚至烧毁。对整个电力系统来说，系统将会发生功率振荡，严重扰乱整个系统的正常安全运行，造成整个电网的崩溃。

电网并网的冲击电流计算如下

从上式可以看出，并网冲击电流大小同两边电网的电压差、相位差和系统短路阻抗有关系。此次并网由于相位差194.47°，电压差为9020V，冲击电流很大。

3.3  同期装置校验

1）同期装置采样

用继保仪对同期装置进行电压数据采样，发现装置的同期电压频率采样值存在数据固化，始终为50.1Hz，说明同期装置存在死机。重启装置后，电压采样值恢复正常。

2）校验同期定值

试验数据见表3。

表3  同期试验记录表

结果：同期保护动作正确。

3）同期装置误动作分析

（1）同期装置运行超10年，装置里面的电子器件老化，可靠性降低。

（2）运行员同期操作不符合规范是装置误动作的直接原因。同期装置工作原理为打同期把手的“同期”位后，装置开放40s寻找同期点，若达到同期条件则出口开关合闸，否则40s后报“同期失败”，才能开始下一次同期操作。

本次同期操作，由于调度员下达错误同期操作令，两边电网未达到同期条件，装置判同期失败是正确的。运行员不知情，频繁同期操作，且每次操作间隔小于40s，导致装置死机。

4  采取措施

4.1  对同期装置进行双冗余改造

同期装置为电子产品，必然存在可靠性问题，通过加装机械式同期继电器，实现双冗余判断，可避免其中一个同期装置损坏造成非同期并网事故。

双冗余同期需注意同期定值的整定和配合，特别是相位定值。如果相位定值设置偏小，并网成功率低。如果相位定值设置偏大，对电网的冲击大。

下面介绍一种相位定值配置方法：机械式同期继电器的相位差定值设为20°，用作防非同期闭锁；同期装置的相位差定值整定设为12°，作为同期判断。

4.2  同期定值优化

原同期定值电压差8V，相位差18°，同期频率差0.8Hz，考虑开关60ms的动作特性，最大冲击电流计算为

最大冲击电流154.8A，超过发电一厂的3台12MW的发电机组承受能力，应该将定值调小。

根据电网抗冲击能力，整定定值为电压差4V，相位差12°，同期频率0.3Hz。整定后最大冲击电流计算为39A。

4.3  信息化改造

本次电网同期事故，电调员的错误调度令是其中一个原因，但电调室没有电网电压实时波形的监测设备也是一个原因。

电调室建立远程故障录波系统，可实现电网电压实时波形监测，再通过调节5台发电机组的励磁电流和阀门开度，可调节油田电网电压的幅值和频率。

4.4  定期校验同期装置

为防止同期操作时同期装置故障，定期校验同期装置，如做假同期试验。

4.5  规范同期操作

操作人员在同期并网操作前，应检查同期装置和机械式同期继电器，必要时对同期装置重上电。同期操作严格遵守操作流程，两次操作必须间隔40s，等同期装置显示“同期判断失败”才可进行下一次操作。

4.6  提高调度员业务能力

提高调度员对事故情况下电网特殊运行的认识、分析和处理能力。

4.7  完善应急预案的编制，并定期演练

完善独立网运行、频率异常、电压异常的应急预案，定期同期操作演练。

5  结论

此次油田电网同期并网事故，调度员未分析两边电网是否具备并网条件，下达错误调度命令是主要原因。操作人员的同期操作不符合规范，导致装置死机后误动作是直接原因。

事故发生后，油田电管部门采取了同期装置双冗余改造、同期定值优化、信息化改造、定期校验同期装置、规范同期操作、提高调度员业务能力和完善同期操作预案并定期演练的措施。

本文编自2021年第2期《电气技术》，论文标题为“一起油田电网故障处理时同期并网事故的分析”，作者为蒲军。