1000MW機組電氣技術(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，總裝機容量6244.3萬kW，其中百萬kW超超臨界火電機組已有12臺，總裝機容量為1200萬kW，占省裝機總?cè)萘康?9.22%。百萬千瓦超超臨界火電機組已經(jīng)成為大型火電機組的趨勢。

1 百萬kW機組發(fā)電機組的特點

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

（1）同步電抗Xd增大。由于發(fā)電機有效材料的利用率提高，線負荷增大，導(dǎo)致與線負荷成正比的電抗Xd增大，Xd的增大導(dǎo)致發(fā)電機靜過載能力減小，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)電機平均異步轉(zhuǎn)矩降低。例如中小型汽輪發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值可達額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍，而大型機組的平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值一般約為額定轉(zhuǎn)矩。因而大型發(fā)電機組失磁異步運行時，滑差大，從電力系統(tǒng)吸收感性無功功率多，允許異步運行的負載小，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Ta=0.10～0.16 s，而國產(chǎn)1000 MW汽輪發(fā)電機的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行條件[1-5]。

（3）機組慣性常數(shù)H降低。大容量發(fā)電機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)電機的單機容量急劇增大，因而導(dǎo)致發(fā)電機組慣性常數(shù)明顯降低。機組慣性常數(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機組電氣繼電保護配置

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

3 百萬kW機組電氣值得注意的事項

3.1 發(fā)電機組性能的要求

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%機組額定有功功率。對低于額定頻率帶負載運行的300 MW及以上的汽輪發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)低頻保護。保護動作于信號，并有累計時間顯示。對高于額定頻率帶負載運行的100 MW及以上汽輪發(fā)電機或水輪發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)高頻率保護。保護動作于解列滅磁或程序跳閘。

3.2 發(fā)變組保護

1000 MW機組的繼電保護和安全自動裝置，目前使用的有國產(chǎn)及進口兩大類。進口的有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及以上容量的機組中應(yīng)用GE公司的發(fā)變組保護較多。以GE公司為代表的國外保護裝置有以下特點：硬件設(shè)備總體使用年限長；均采樣單CPU、單采樣通道運行，硬件一旦損壞，保護立即出口，誤動作可能性高；保護邏輯靈活需現(xiàn)場進行組態(tài)調(diào)試，部分保護功能無法滿足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)程的要求，增加了電網(wǎng)運行風(fēng)險。比如失步保護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。則后期運行及維護繁瑣。國內(nèi)設(shè)備商提供的發(fā)變組保護裝置有以下特點：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)運行，某個硬件損壞，保護不會立即出口，除非相同設(shè)備也損壞，誤動作可能性低；保護邏輯已固化不需要現(xiàn)場編寫，保護原理先進，保護原理基本滿足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)程的要求。則后期運行及維護簡單。

3.2.1 發(fā)電機主保護

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

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

3.2.2 失步保護

對于百萬kW發(fā)變組，電抗較大，慣性時間常數(shù)較小，機組易于發(fā)生振蕩，而且振蕩中心常位于發(fā)電機附近，對機組和廠用電產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，對于百萬kW級機組要裝設(shè)失步保護。在短路故障、系統(tǒng)同步振蕩、電壓回路斷線等情況下，保護不應(yīng)誤動作。通常保護動作于信號。當(dāng)振蕩中心在發(fā)電機變壓器組內(nèi)部，失步運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：多臺并列運行機組的失步保護滑極次數(shù)定值不能完全相同。

3.2.3 頻率保護

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

3.2.4 失磁保護

失磁機組從系統(tǒng)吸取無功功率，可能使電網(wǎng)電壓下降，失磁機組電磁功率擺動，造成各機組間及系統(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)失磁保護裝置：不允許失磁運行的發(fā)電機及失磁對電力系統(tǒng)有重大影響的發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)專用的失磁保護。對汽輪發(fā)電機，失磁保護宜瞬時或短延時動作于信號，有條件的機組可進行勵磁切換。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)電機母線電壓低于保證廠用電穩(wěn)定運行要求的電壓時，帶時限動作于解列，并切換廠用電源。有條件的機組失磁保護也可動作于自動減出力。當(dāng)減出力至發(fā)電機失磁允許負荷以下，其運行時間接近于失磁允許運行限時，可動作于程序跳閘。相關(guān)規(guī)程要求：各單位對失磁保護定值整定必須保證發(fā)電機失磁時可靠跳閘。同時失磁保護應(yīng)與勵磁系統(tǒng)“低勵限制線”配合，保證后者先于失磁保護動作[2]。

3.3 勵磁系統(tǒng)

目前，300～600 MW機組基本都采用靜態(tài)勵磁，而對于百萬機組勵磁，靜態(tài)勵磁和旋轉(zhuǎn)勵磁都有運用。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。由于百萬機組的Xd增大，靜穩(wěn)儲備降低，失磁故障增多，失磁對特大機組的影響增大，因此對失磁保護的可靠性要求提高。同時轉(zhuǎn)子電壓通常大于500 V，強勵時會更高，直接取出比較危險，電纜也不好選擇，建議失磁保護不采用轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，轉(zhuǎn)子接地保護安裝在勵磁系統(tǒng)屏柜內(nèi)。靜態(tài)勵磁沒有主勵磁機時滯環(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。運行可靠性高，調(diào)整、維護簡單，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組的污染，絕緣壽命長。同時，勵磁機獨立供電，可靠性增加，不會出現(xiàn)機端短路時，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)有原裝進口及國內(nèi)組裝兩種設(shè)備，在現(xiàn)場實際運行中原裝進口設(shè)備故障率低運行可靠，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，機組可以繼續(xù)運行。

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

3.7 廠用直流系統(tǒng)及交流UPS系統(tǒng)

嚴(yán)格執(zhí)行重要負荷分段供電的配置。如每套發(fā)變組保護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）定值

200MW及以上并網(wǎng)機組的高頻率、低頻率保護，過電壓、低電壓保護，過勵磁保護，失磁保護，失步保護，阻抗保護及振蕩解列裝置、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)（包括PSS）等設(shè)備（保護）定值必須經(jīng)有關(guān)調(diào)度部門審定。百萬kW機組電廠在繼電保護定值管理工作中，更要加強對保護的特點的熟悉和了解，根據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》DL/T 684—1999的規(guī)定、電網(wǎng)運行情況和主設(shè)備技術(shù)條件，認真校核涉網(wǎng)保護與電網(wǎng)保護的整定配合關(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)保護的配置與整定，避免保護發(fā)生不正確動作行為[6]。

4 結(jié)束語

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

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

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

[3]趙 琪.百萬kW超超臨界機組汽機旁路選型情況介紹[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整定計算軟件的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，10（38）：3-5.