特大型機組保護若干問題探討

嚴偉，方運昇，陳俊，郭自剛，沈全榮

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.安徽省電力工程監理有限公司，安徽池州247100）

隨著華能海門電廠2×1036MW機組、大唐潮州三百門電廠2×1000MW機組、田灣核電2號1000MW機組、廣西龍灘水電站7×700MW機組以及構皮灘水電站5×600MW機組等特大型火電、核電及水電機組相繼投入運行，國內保護廠家已在特大型機組上積累了一定的研發和運行經驗，在工程實施過程中遇到了一些新的問題，并采取了有效的應對措施，本文在此逐一對這些問題進行探討，希望引起廣大同行的重視，為今后類似特大型機組保護的研發、設計和工程實施提供參考。

1 大型汽輪機零功率切機保護

隨著我國特高壓、大電網的形成，在電力輸送通道建設中大量采用了緊湊型線路、同桿架設、遠距離輸電、串聯補償、中間開關站等各種技術，減少了線路數量，節約了線路走廊。這些新技術的使用，為功率的穩定輸出提供了有效的保證，但由于輸電線路的同時故障，會造成機組無法輸出功率，對機組熱力設備等產生危害和影響。近些年來，國內個別電廠已出現了因電網功率突然缺失而導致發電機組熱力設備不同程度損壞的事件，比如：江蘇沙洲電廠600MW機組爆管，陜西府谷電廠600MW機組、河北滄東電廠600MW機組功率缺失后未能快速穩定停機，廣東某電廠6臺135MW機組功率缺失后導致孤立網系統振蕩，直至瓦解。

大型汽輪機組多為超臨界或超超臨界機組，由于其蒸汽參數高、流量大，轉子轉動慣量大，當機組滿載情況下發生正功率突降（如惟一的送出線發生故障跳開）時，機組轉速迅速上升、主變高壓側電壓迅速升高，鍋爐水位急劇波動；此時由于一般的機組保護不能動作，發電機不能滅磁、鍋爐不能滅火，汽輪機超速保護將針對超速進行保護和控制。當發電機組發生功率突降為零時，汽輪機轉速上升，OPC保護103%超速動作并快速關閉高中壓調節汽門，隨后轉速開始下降，機組從超壓、超頻逐漸轉變為低頻過程，當轉速降到2950r／min時，調節汽門重新開啟，轉速再次上升，在此過程中，DEH處于自動狀態，容易出現反復“振蕩”過程，甚至可能出現頻率擺動過程，對汽輪機葉片也有傷害。因此，當發生發電機正功率突降時，如不及時采取鍋爐熄火，關閉主汽門、滅磁等一系列措施，必將嚴重威脅機組安全，甚至損壞熱力設備。可見，發電機零功率切機保護在大型機組上是十分必要的。

發電機零功率切機保護可利用該過程中的電氣特性如電流突降、電壓突增、頻率突增、有功功率突降等構成判據[1，2]。

發電機零功率切機動作后，應迅速切換廠用電并對發電機滅磁；同時作用于鍋爐滅火保護（MFT）和汽機緊急跳閘保護（ETS）。對于個別有條件安裝負荷快速切回功能（FCB）的電廠，可動作于啟動FCB功能，將機組穩定于帶廠用電解列運行狀態，在輸電通道恢復后可快速并網。

2 大型水電機組中性點分支電流不完全引入對后備保護的影響

特大型水電機組的定子繞組分支數很多，中性點引出方式靈活，有足夠的空間安裝多個中性點電流互感器（TA），可裝設多種主保護。目前，國內大型水電機組主保護大多采用“定量化設計”，在全面的內部短路故障仿真計算的基礎上，確定定子繞組中性點側的引出方式、分支TA的數目和位置，構成多重主保護，確保同一種內部故障，至少有2種主保護能夠靈敏反映。圖1為某每相8個并聯分支的大型水電機組多重主保護TA配置方案，配置了2套不完全縱差保護和2套單元件橫差保護，可靈敏反應發電機各種相間、匝間短路和分支開焊故障。

圖1中定子中性點側第3和第6分支未安裝TA，發電機中性點側的電流只能按照已引入保護裝置的TA電流進行折算。當發電機內部故障時，由于中性點側分支電流未完全引入，不能真實反映過流中性點的電流大小，采用中性點側電流的后備保護將受到影響。

由于發電機已經裝置了多重不同原理的主保護，工頻情況下的相間后備保護可改取機端TA電流，并網前由多重主保護起作用，中性點分TA不完全引入的影響可不考慮；但對于發電機啟停機期間的相間后備保護，如發電機低頻過流保護，由于只能取發電機中性點電流，而該過程為低頻工況，基于工頻算法的多重主保護在此情況下可能失效，無法取代啟停機保護，中性點分支電流不完全引入的影響不能不考慮。

采用“定量化設計”之后，可將上述圖中的發電機中性點分支分成2組，例如第1，3，5，7分支為一組裝3臺TA，第2，4，6，8分支為一組裝3臺TA，2組分支的中性點之間裝一組高靈敏零序電流型橫差保護用TA。2分支組TA分別與機端TA構成兩套不完全縱差保護，中性點兩組分支間可構成一套發電機完全裂相橫差保護。這種方案，由于發電機中性點所有分支電流全部引入保護裝置，上述后備保護可以取中性點電流和機端電流共同構成判據，構成完善的保護方案。

基于以上分析，在進行大型水電機組主保護定量化設計時，需兼顧后備保護，尤其是啟停機保護，將中性點分支TA電流均引入保護裝置，以構成完善的主、后備保護方案。

3 大型機組失磁轉子電壓引入方式探討

為了提高失磁保護的可靠性，國內很多電廠均配置了失磁轉子低電壓判據，將發電機轉子電壓通過高壓電纜引入發電機保護屏柜。

隨著機組容量的增大，大型機組的轉子額定電壓越來越高，1000MW火電機組的額定轉子電壓可達500V以上，強勵時更高，直接將轉子電壓引入保護裝置不安全，并且該段回路電纜的選型也比較困難。

為了能夠繼續應用失磁轉子低電壓判據，大型機組用于失磁保護的轉子電壓一般用以下2種輸入方式。

（1）經分壓器降壓后接入保護裝置：分壓器的變比一般設計為10:1或15:1，分壓器的電阻值不宜太大，要求比故障錄波器和保護裝置內的測量回路內阻低一個數量級，否則會影響測量（變比不準），且建議分壓器具有多個抽頭，給2套保護和故障錄波器的轉子電壓分別取自不同的抽頭，來確保變化準確。

（2）經4～20 mA變送器傳變后接入保護裝置：變送器可以起到隔離的作用，且電纜選擇要求較低，這是該方式的優點，但需要考慮變送器的轉換時滯和精度問題。機組失磁時，阻抗軌跡進入失磁阻抗圓需要一段時間，因此變送器的傳變延時對保護的影響不大。

目前，上述2種方式在現場均已得到應用。實際上，采用分壓器的方式不能起到完全隔離的作用，并沒有從根本上改變電纜及保護屏柜的對地耐壓問題，從安全性角度考慮，建議采用第二種輸入方式。

4 注入式定子接地保護與接地變壓器參數的配合原則

隨著機組容量的不斷增大，發電機的定子額定電壓越來越高，1000MW火電機組的定子額定電壓可達27kV，而700MW級水電機組的定子額定電壓也可達24kV，相應地對定子繞組絕緣檢測的要求也提高了，要求實現無勵磁狀態下的絕緣檢測。

目前，1000MW級火電機組、核電、大型水電機組以及抽水蓄能機組上廣泛應用注入20 Hz電源式定子接地保護，如圖2所示。與傳統基波零序電壓＋3次諧波式定子接地保護方案構成雙套不同原理的100%定子接地保護。

注入式定子接地保護從發電機中性點接地變壓器的二次側負載電阻上注入20 Hz電源，通過導納法求解定子繞組對地絕緣電阻值[3]。注入式定子接地保護不受發電機運行工況的影響，在發電機靜止、起停過程、空載運行、并網運行、甩負荷等各種工況下，均能可靠工作。其保護范圍為100%的定子繞組，靈敏度一致，不受接地位置影響，還可監視定子繞組絕緣的緩慢老化。

注入式定子接地保護需要與接地變的參數進行配合。注入式定子接地保護由于注入電壓比較低，為了提高保護的靈敏度，要求接地變二次負載電阻不宜太小。而如無特別說明，設計院一般按照限制2.6倍動態過電壓考慮，接地變負載電阻折算到一次的阻值要求不大于容抗值[4]，接地變的二次額定電壓一般設計為200多伏，以此得到的二次負載電阻值比較小，一般小于0.5 Ω，某些工程甚至小于0.1 Ω，無法應用注入式定子接地保護原理。

一般負載電阻值大于1 Ω時，保護可取得比較好的效果。在進行接地變壓器負載電阻設計時，在一次電阻值不變的情況下，可通過適當提高中性點接地變壓器二次額定電壓，使得二次負載電阻值達到或超過1 Ω，以便一次設備與注入式定子接地保護實現良好地配合。

5 注入式轉子接地保護故障定位功能

大型機組的額定轉子電壓越來越高，相應地對轉子繞組對地絕緣檢測提出了更高的要求。為了避免高壓電纜長距離輸送到發電機保護屏柜，大型機組轉子接地保護宜采用單裝置，就地安裝在勵磁系統室內。

注入式轉子接地保護由于能夠實現無勵磁狀態下的絕緣檢測，受到了青睞，在大型火電和大型水電機組上得到了廣泛應用。

目前，在現場應用較多的注入式轉子接地保護有注入交流電壓原理、注入直流電壓原理和注入低頻方波式原理。注入交流電壓原理受轉子繞組對地電容影響大，其靈敏度不高，一般小于10 kΩ。注入直流電壓原理不受轉子繞組對地電容的影響，但在轉子繞組不同位置接地時，保護的靈敏度相差較大，而且容易受到高次諧波的影響。注入低頻方波式原理可根據轉子繞組引出方式，選擇單端注入式或雙端注入式，方波電源的頻率可根據轉子繞組對地電容的大小進行調整，以消除轉子繞組對地電容的影響[5]。其保護靈敏度與轉子接地位置無關，保護無死區，在轉子繞組上任一點接地都有很高的靈敏度，不受高次諧波的影響。

其中雙端注入式轉子接地保護如圖3所示[3]。

圖3 注入低頻方波式轉子接地保護原理

與單端注入式原理相比，雙端注入原理能夠測量轉子一點接地位置，一般以百分比表示，為故障排查提供參考，縮短故障排查的時間；雙端注入式由于能夠采集到轉子電壓，可在轉子電壓波動時，采取輔助判據，消除該過程對接地電阻測量的影響，提高轉子接地保護的可靠性；此外，雙端注入式原理由于能夠測量轉子接地位置，還可根據接地位置的變化，實現轉子繞組兩點接地保護功能。

基于以上分析，現場應用時，建議采用具有故障定位功能的注入低頻方波式轉子接地保護原理。

6 高靈敏橫差保護探討

為了防止在發生轉子兩點接地故障時，單元件橫差保護可能誤動，一般采用轉子一點接地報警后給橫差保護增加一定延時的措施。

而實際上，單元件橫差保護大多在大型水電機組上應用，而水電機組一般不裝設轉子兩點接地保護；少量火電機組（如俄羅斯進口機組）有條件裝設橫差保護，即使裝設了轉子兩點接地保護，由于目前尚無完善的轉子兩點接地保護原理，很多火電機組轉子兩點接地保護是退出運行的。

基于以上考慮，建議單元件橫差保護動作延時與轉子一點接地無關，由橫差保護兼作轉子兩點接地保護，一旦發生轉子兩點接地故障，由橫差保護快速動作停機，這對保護機組安全是十分有利的。

7 結束語

（1）大型汽輪機宜裝設零功率切機保護，以保護鍋爐等熱力設備；

（2）大型水電機組在進行主保護定量化設計時，應兼顧后備保護，宜將中性點分支TA電流全部引入保護裝置；

（3）大型機組失磁保護用轉子電壓宜采取分壓器降壓或變送器傳變后接入保護裝置；

（4）注入式定子接地保護需要與接地變的參數進行配合，負載電阻在1 Ω以上，可取得比較好的應用效果；

（5）注入式轉子接地保護宜采用雙端注入式，提供轉子一點接地故障定位功能；

（6）橫差保護動作延時宜與轉子一點接地無關，由高靈敏橫差保護兼作轉子兩點接地保護功能。

[1] 南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985UP發電機零功率切機裝置技術使用說明書[S].2008.

[2] 許正亞.發電廠繼電保護整定計算及其運行技術[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[3] 南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985注入式定子轉子接地保護技術使用說明書[S].2007.

[4] 王維儉，王祥珩，王贊基.大型發電機變壓器內部故障分析與繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2006.

[5] 陳俊，王光，嚴偉，等.關于發電機轉子接地保護幾個問題的探討[J].電力系統自動化，2008,32(1)：90-92.