1000MW機(jī)組電氣技術(shù)特點研究

李辰龍，單 華，楊宏宇，楊 春

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

截至目前，江蘇省93個同調(diào)電廠，總裝機(jī)容量6244.3萬kW，其中百萬kW超超臨界火電機(jī)組已有12臺，總裝機(jī)容量為1200萬kW，占省裝機(jī)總?cè)萘康?9.22%。百萬千瓦超超臨界火電機(jī)組已經(jīng)成為大型火電機(jī)組的趨勢。

1 百萬kW機(jī)組發(fā)電機(jī)組的特點

百萬kW機(jī)組與中小型機(jī)組相比具有明顯的優(yōu)越性，但是，由于機(jī)組容量的增大，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和運(yùn)行特性都發(fā)生了顯著變化，因而也帶來了一些新的問題。百萬kW機(jī)組主要參數(shù)變化如下：

（1）同步電抗Xd增大。由于發(fā)電機(jī)有效材料的利用率提高，線負(fù)荷增大，導(dǎo)致與線負(fù)荷成正比的電抗Xd增大，Xd的增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)靜過載能力減小，因而在系統(tǒng)受到擾動時，易于失去靜穩(wěn)定。電抗的增大，還使發(fā)電機(jī)平均異步轉(zhuǎn)矩降低。例如中小型汽輪發(fā)電機(jī)的平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍，而大型機(jī)組的平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值一般約為額定轉(zhuǎn)矩。因而大型發(fā)電機(jī)組失磁異步運(yùn)行時，滑差大，從電力系統(tǒng)吸收感性無功功率多，允許異步運(yùn)行的負(fù)載小，時間短。

（2）定子電阻相對減小，定子時間常數(shù)Ta增大。一般中小型發(fā)電機(jī)Ta=0.10～0.16 s，而國產(chǎn)1000 MW汽輪發(fā)電機(jī)的Ta為0.7 s。Ta的增大，使定子非周期電流的衰減變慢，從而對電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并且惡化了電流互感器和斷路器等元件的運(yùn)行條件[1-5]。

（3）機(jī)組慣性常數(shù)H降低。大容量發(fā)電機(jī)組的體積并不隨其容量成比例增大，采用氣體或液體直接冷卻的繞組與間接冷卻繞組相比，有效材料利用率高，在定子和轉(zhuǎn)子的尺寸沒有明顯增大的情況下，汽輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量急劇增大，因而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組慣性常數(shù)明顯降低。機(jī)組慣性常數(shù)H是一個重要參數(shù)，當(dāng)其他條件相同時，在過剩轉(zhuǎn)矩作用下H愈小，角度δ改變愈快，發(fā)電機(jī)易于失去同步。然而H值的增大，技術(shù)上復(fù)雜且造價昂貴[4]。

2 百萬kW機(jī)組電氣繼電保護(hù)配置

已經(jīng)建成的和在建的百萬kW機(jī)保護(hù)配置有以下特點：發(fā)變組與高壓備用變壓器均采用微機(jī)型保護(hù)裝置。其中電量保護(hù)雙重化，從電流和電壓回路、直流電源、保護(hù)出口繼電器及電纜均完全獨立。

3 百萬kW機(jī)組電氣值得注意的事項

3.1 發(fā)電機(jī)組性能的要求

系統(tǒng)頻率在50.5 Hz到48.5 Hz變化范圍內(nèi)應(yīng)連續(xù)保持恒定的有功功率輸出；系統(tǒng)頻率下降到48 Hz時有功功率輸出減少一般不超過5%機(jī)組額定有功功率。對低于額定頻率帶負(fù)載運(yùn)行的300 MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)低頻保護(hù)。保護(hù)動作于信號，并有累計時間顯示。對高于額定頻率帶負(fù)載運(yùn)行的100 MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)或水輪發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)高頻率保護(hù)。保護(hù)動作于解列滅磁或程序跳閘。

3.2 發(fā)變組保護(hù)

1000 MW機(jī)組的繼電保護(hù)和安全自動裝置，目前使用的有國產(chǎn)及進(jìn)口兩大類。進(jìn)口的有GE，ABB，SIEMENS等公司的產(chǎn)品；南瑞繼保的RCS-985及國電南自的DGT-801在國產(chǎn)的較為常見。江蘇省內(nèi)600 MW及以上容量的機(jī)組中應(yīng)用GE公司的發(fā)變組保護(hù)較多。以GE公司為代表的國外保護(hù)裝置有以下特點：硬件設(shè)備總體使用年限長；均采樣單CPU、單采樣通道運(yùn)行，硬件一旦損壞，保護(hù)立即出口，誤動作可能性高；保護(hù)邏輯靈活需現(xiàn)場進(jìn)行組態(tài)調(diào)試，部分保護(hù)功能無法滿足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)程的要求，增加了電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險。比如失步保護(hù)不判別震蕩中心位置，只能通過聯(lián)系廠家修改邏輯，增加主變電抗線，實現(xiàn)此功能。則后期運(yùn)行及維護(hù)繁瑣。國內(nèi)設(shè)備商提供的發(fā)變組保護(hù)裝置有以下特點：硬件設(shè)備總體使用年限短；均采樣雙CPU、雙采樣通道串聯(lián)運(yùn)行，某個硬件損壞，保護(hù)不會立即出口，除非相同設(shè)備也損壞，誤動作可能性低；保護(hù)邏輯已固化不需要現(xiàn)場編寫，保護(hù)原理先進(jìn)，保護(hù)原理基本滿足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)程的要求。則后期運(yùn)行及維護(hù)簡單。

3.2.1 發(fā)電機(jī)主保護(hù)

目前，國內(nèi)在建和已運(yùn)行的百萬kW級汽輪發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電機(jī)中性點和出線側(cè)均通常只引出3個端子，如圖1所示。不可能安裝橫差保護(hù)、不完全差動保護(hù)和裂相橫差保護(hù)，所以在對定子繞組匝間短路和開焊故障只能裝縱差保護(hù)和縱向零序電壓匝間保護(hù)以彌補(bǔ)其不足。在這方面應(yīng)不斷關(guān)注發(fā)電機(jī)中性點引出方式的新方案，提高主保護(hù)方案的性能。現(xiàn)在保護(hù)都是雙重化配置，可靠性得到提高，但也增加誤動可能，所以無論發(fā)電機(jī)出口有沒有開關(guān)都建議不要配置發(fā)變組大差動保護(hù)。如華能金陵電廠和中電投常熟電廠百萬kW機(jī)組都取消了大差保護(hù)。

圖1 傳統(tǒng)的中性點側(cè)引出3個端子裝設(shè)完全縱差保護(hù)

3.2.2 失步保護(hù)

對于百萬kW發(fā)變組，電抗較大，慣性時間常數(shù)較小，機(jī)組易于發(fā)生振蕩，而且振蕩中心常位于發(fā)電機(jī)附近，對機(jī)組和廠用電產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，對于百萬kW級機(jī)組要裝設(shè)失步保護(hù)。在短路故障、系統(tǒng)同步振蕩、電壓回路斷線等情況下，保護(hù)不應(yīng)誤動作。通常保護(hù)動作于信號。當(dāng)振蕩中心在發(fā)電機(jī)變壓器組內(nèi)部，失步運(yùn)行時間超過整定值或電流振蕩次數(shù)超過規(guī)定值時，保護(hù)還動作于解列，并保證斷路器斷開時的電流不超過斷路器允許開斷電流。相關(guān)規(guī)程要求：多臺并列運(yùn)行機(jī)組的失步保護(hù)滑極次數(shù)定值不能完全相同。

3.2.3 頻率保護(hù)

按DL/T 684－1999的規(guī)定，當(dāng)頻率異常保護(hù)需要動作于發(fā)電機(jī)解列時，其低頻段的動作頻率和延時應(yīng)注意與電力系統(tǒng)的低頻減負(fù)荷裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)。一般情況下，應(yīng)通過低頻減負(fù)荷裝置減負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率及時恢復(fù)，以保證機(jī)組的安全；僅在低頻減負(fù)荷裝置動作后頻率仍未恢復(fù)，從而危及機(jī)組安全時才進(jìn)行機(jī)組的解列。因此，要求在電力系統(tǒng)減負(fù)荷過程中頻率異常保護(hù)不應(yīng)解列發(fā)電機(jī)，防止出現(xiàn)頻率連鎖惡化的情況。其中機(jī)組低頻率保護(hù)的定值應(yīng)低于系低頻減載的最低一級定值。

3.2.4 失磁保護(hù)

失磁機(jī)組從系統(tǒng)吸取無功功率，可能使電網(wǎng)電壓下降，失磁機(jī)組電磁功率擺動，造成各機(jī)組間及系統(tǒng)部分振蕩。對勵磁電流異常下降或完全消失的失磁故障，應(yīng)按下列規(guī)定裝設(shè)失磁保護(hù)裝置：不允許失磁運(yùn)行的發(fā)電機(jī)及失磁對電力系統(tǒng)有重大影響的發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)專用的失磁保護(hù)。對汽輪發(fā)電機(jī)，失磁保護(hù)宜瞬時或短延時動作于信號，有條件的機(jī)組可進(jìn)行勵磁切換。失磁后母線電壓低于系統(tǒng)允許值時，帶時限動作于解列。當(dāng)發(fā)電機(jī)母線電壓低于保證廠用電穩(wěn)定運(yùn)行要求的電壓時，帶時限動作于解列，并切換廠用電源。有條件的機(jī)組失磁保護(hù)也可動作于自動減出力。當(dāng)減出力至發(fā)電機(jī)失磁允許負(fù)荷以下，其運(yùn)行時間接近于失磁允許運(yùn)行限時，可動作于程序跳閘。相關(guān)規(guī)程要求：各單位對失磁保護(hù)定值整定必須保證發(fā)電機(jī)失磁時可靠跳閘。同時失磁保護(hù)應(yīng)與勵磁系統(tǒng)“低勵限制線”配合，保證后者先于失磁保護(hù)動作[2]。

3.3 勵磁系統(tǒng)

目前，300～600 MW機(jī)組基本都采用靜態(tài)勵磁，而對于百萬機(jī)組勵磁，靜態(tài)勵磁和旋轉(zhuǎn)勵磁都有運(yùn)用。如已建成的華能金陵電廠和國電泰州電廠采用的是靜態(tài)勵磁，而在建的中電投常熟電廠和國電諫壁電廠都是旋轉(zhuǎn)勵磁的方式。由于百萬機(jī)組的Xd增大，靜穩(wěn)儲備降低，失磁故障增多，失磁對特大機(jī)組的影響增大，因此對失磁保護(hù)的可靠性要求提高。同時轉(zhuǎn)子電壓通常大于500 V，強(qiáng)勵時會更高，直接取出比較危險，電纜也不好選擇，建議失磁保護(hù)不采用轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)安裝在勵磁系統(tǒng)屏柜內(nèi)。靜態(tài)勵磁沒有主勵磁機(jī)時滯環(huán)節(jié)，碳刷勵磁屬高起始快速響應(yīng)勵磁系統(tǒng)，即勵磁直接調(diào)節(jié)輸出電流的大小，技術(shù)指標(biāo)高，響應(yīng)快，性能參數(shù)好。由于沒有旋轉(zhuǎn)部件。運(yùn)行可靠性高，調(diào)整、維護(hù)簡單，檢修方便。而旋轉(zhuǎn)勵磁沒有碳刷和滑環(huán)，沒有接觸部件的磨損，所以沒有碳粉和銅粉末引起對機(jī)組的污染，絕緣壽命長。同時，勵磁機(jī)獨立供電，可靠性增加，不會出現(xiàn)機(jī)端短路時，故障電流迅速衰減。但由于轉(zhuǎn)子回路不能接入滅磁設(shè)備，無法實現(xiàn)直接滅磁，所以滅磁時間較長。

由于這兩種不同方式的勵磁，使其在保護(hù)配置上有所不同，所以對于勵磁方式的選擇也是以后一個要努力研究的課題。在江蘇省各電廠中ABB公司生產(chǎn)的UNITROL勵磁調(diào)節(jié)器最為常見。ABB勵磁系統(tǒng)有原裝進(jìn)口及國內(nèi)組裝兩種設(shè)備，在現(xiàn)場實際運(yùn)行中原裝進(jìn)口設(shè)備故障率低運(yùn)行可靠，國內(nèi)組裝設(shè)備易發(fā)生故障。勵磁系統(tǒng)交直流側(cè)應(yīng)設(shè)置刀閘，已防止單臺整流柜故障時可以退出工作，機(jī)組可以繼續(xù)運(yùn)行。

3.4 同期系統(tǒng)

應(yīng)注意在勵磁系統(tǒng)出口回路中加裝同步檢查繼電器，已有效防止非同期合閘。

3.5 廠用電快切系統(tǒng)

因1000 MW機(jī)組容量大，廠用電失電易造成重大事故。手動切換時建議采樣并聯(lián)切換，先合備用開關(guān)，再分工作開關(guān)。檢修人員需要定期檢查廠用電快切系統(tǒng)各開關(guān)合分閘回路的完整性。在現(xiàn)場運(yùn)行中曾發(fā)生廠用電失電后，備用開關(guān)合閘回路斷線，造成廠用電切換失敗。

3.6 保安電源系統(tǒng)

在1000 MW機(jī)組中，保安電源失電易造成重大事故。每臺機(jī)組均設(shè)計有一臺柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)不僅要定期進(jìn)行啟動維護(hù)，而且要定期進(jìn)行帶載切換試驗（機(jī)組未并網(wǎng)時）。保安電源切換邏輯由柴油發(fā)電機(jī)組PLC控制，可聘請資深電氣調(diào)試人員進(jìn)行邏輯優(yōu)化，已保證保護(hù)電源可靠性。

3.7 廠用直流系統(tǒng)及交流UPS系統(tǒng)

嚴(yán)格執(zhí)行重要負(fù)荷分段供電的配置。如每套發(fā)變組保護(hù)用的直流電源要由不同直流段供電。為DEH提供的3個有功功率變送器的交流電源則要分段供電。

3.8 設(shè)備（保護(hù)）定值

200MW及以上并網(wǎng)機(jī)組的高頻率、低頻率保護(hù)，過電壓、低電壓保護(hù)，過勵磁保護(hù)，失磁保護(hù)，失步保護(hù)，阻抗保護(hù)及振蕩解列裝置、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)（包括PSS）等設(shè)備（保護(hù)）定值必須經(jīng)有關(guān)調(diào)度部門審定。百萬kW機(jī)組電廠在繼電保護(hù)定值管理工作中，更要加強(qiáng)對保護(hù)的特點的熟悉和了解，根據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》DL/T 684—1999的規(guī)定、電網(wǎng)運(yùn)行情況和主設(shè)備技術(shù)條件，認(rèn)真校核涉網(wǎng)保護(hù)與電網(wǎng)保護(hù)的整定配合關(guān)系，并根據(jù)調(diào)度部門的要求，做好每年度對所轄設(shè)備的整定值進(jìn)行全面復(fù)算和校核工作。當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)和短路電流水平發(fā)生變化時，應(yīng)及時校核相關(guān)涉網(wǎng)保護(hù)的配置與整定，避免保護(hù)發(fā)生不正確動作行為[6]。

4 結(jié)束語

百萬kW機(jī)組造價非常昂貴，發(fā)生故障對系統(tǒng)的影響也非常之大。只有對1000 MW機(jī)組電氣技術(shù)特點及注意事項有全面地了解，才能讓機(jī)組更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2]楊 莉.百萬kW機(jī)組發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)配置探討[J].電力自動化設(shè)備，2006，26（10）：1-3.

[3]趙 琪.百萬kW超超臨界機(jī)組汽機(jī)旁路選型情況介紹[J].熱力透平，2008，06（37）：1-2.

[4]何仰贊.電力系統(tǒng)分析[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[5]高紅艷.可靈活配置整定原則的繼電保護(hù)整定計算軟件的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，10（38）：3-5.