斷面零功率下機組狀態分析及其解決方案

吳志奇，王獻志，韓日濤

(1.神華河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州 061001;2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021 )

目前大多電廠尚無應對機組輸出功率突然缺失事故的技術措施，當大容量火電機組在重載情況下突然失去送電通道時，機組電壓迅速升高、機組轉速迅速上升，鍋爐水位急劇波動;由于發電機未滅磁、鍋爐未滅火，在調速器和勵磁調節器作用下機組從超壓、超頻狀態演變為低頻過程，甚至可能出現頻率擺動，對汽輪機葉片也有傷害。此時若不及時采取鍋爐熄火、關閉主汽門、滅磁等一系列措施，必將嚴重威協機組安全，甚至損壞熱力設備［1-3］。因此，大容量機組裝設發電機零功率保護是非常有必要的。以下結合國華滄東發電有限公司(簡稱“國華滄東電廠”)的一次斷面零功率事件分析，闡述零功率切機保護的原理和對機組安全的重要性。

1 故障情況概述

國華滄東電廠220 kV 升壓變電站為雙母線接線，1 號機組經2 條同桿架設的雙回線路將電能輸送至對端變電站，2 臺啟動備用變壓器分別為4 臺600 MW 機組提供啟動電源。故障前，對側變電站正常全接線方式運行，國華滄東電廠220 kV 系統雙母線運行;廠渤I、II 線運行;1 號發電機并網運行。由于船舶外力破壞，使渤臨I、II 線(同塔雙線)24 號塔倒塔，渤臨雙線分別故障跳閘，之后1 號機組跳閘，220 kV 升壓變電站失壓，渤海變電站220 kV 母線失壓，負荷失電。

2 故障原因分析

2.1 動作過程分析

17:30:14，渤臨I 線931、603 型微機保護動作，W 相轉V 相故障，未重合;17:30:19，渤臨II 線931、603 型微機保護動作，U 相轉V 相故障，未重合。

17:30:19，國華滄東電廠1 號機組負荷由530 MW 突降至308.6 MW，同時轉速開始飛升，1 s 后轉速升至3 094 r/min，機組調速系統OPC 動作，調速汽門開始關閉，2.5 s 后轉速升至3 304 r/min，機組頻率55.07 Hz，汽輪機110%超速跳閘(機械超速，電超速)，主汽門、調速汽門迅速關閉，發電機失去原動力。但是由于渤臨雙線斷開，無法提供外部電源，逆功率保護不能動作，無法斷開211 主斷路器。

期間，鍋爐主蒸汽壓力由16.63 MPa 經15 s 后升到18.055 MPa，越高限(限值17.5 MPa)，汽包壓力由17.48 MPa 經18 s 后升至18.14 MPa，40 s 左右，鍋爐側電動安全門動作。

17:30:28，1號機頻率持續下降，降低至頻率保護動作值，1 號機組錄波器顯示“1 號機組發電機低頻一段”保護動作，第一段低頻保護動作于發信號。17:30:30，1 號機組錄波器顯示“1 號機組發電機低頻二段”保護動作，第二段低頻保護動作于程序跳閘。但同樣由于渤臨雙線斷開，逆功率保護不能動作，無法斷開主斷路器。

17:30:56，由于機端電壓下降，1 號機組調節器運行在“復勵”運行狀態，17:31:06，1 號機組勵磁系統發“復勵故障”告警，至發變組保護啟動機組全停，跳開滅磁斷路器、211 斷路器，機組解列，6 kV 廠用11、12 及01 公用段斷路器斷開。

2.2 機組動作行為分析

在線路跳閘、機組與電網脫離、汽機甩負荷過程中，發電機一直處于運行狀態，沒有任何電氣量保護動作使發電機滅磁和跳閘，發電機完全處于被動位置。發電機勵磁系統感受到發電機仍處于并網狀態，但實際上已處于甩負荷狀態，電氣方面只能靠勵磁調節器自身的調節功能來減磁降壓。而對汽輪機來說，電廠汽輪機OPC 保護分兩部分，第一是當汽輪機轉速大于3 090 r/min 時，OPC 電磁閥動作，迅速關閉汽輪機調門;第二是甩負荷預測(LDA)，當機組負荷大于30%，且主斷路器跳閘后OPC 電磁閥動作，防止機組超速。由于本次事故屬于非常規甩負荷，主斷路器在甩負荷時未跳開，失去甩負荷預測功能，OPC 只在汽輪機轉速大于3 090 r/min 時動作，導致轉速飛升過高。一旦OPC 保護動作失靈，則有發生“飛車”的危險。同時，機組的突然甩負荷也會造成電網功率突然缺失，引起頻率的異常變化，給電網的安全穩定運行帶來風險。

另一方面，發電機突然甩負荷時，發電機的端電壓會突然增高。在甩負荷瞬間，發電機端電壓會異常升高至1.3 倍額定電壓甚至更高。同時發電機轉速也會上升，從而使發電機端電壓進一步升高，甚至達到危及設備安全的程度。在自動勵磁調節系統中，快速的、較高電壓放大倍數的調節器再加上可以逆變的勵磁系統，可以在很短時間內把電壓降至額定值。在這次事故中，勵磁調節器動作正確，避免了設備損害事件的發生。

3 零功率切機保護解決方案

國華滄東電廠2、3、4 號機組通過500 kV 同桿并架經過東驊I、II 線雙回線接入系統。500 kV 系統與220 kV 系統同樣面臨輸電線路同時故障造成機組無法輸出功率的問題，因此有必要裝設發電機零功率保護來保證機組的安全穩定運行。

國華滄東電廠選用PCS-985UP 型機組功率切機裝置，利用正向功率突降為零過程中的頻率突增、電壓突增、有功功率突降、電流突降等電氣特性，采集發變組單元的電壓和電流量構成邏輯判據，由啟動判據、動作判據、閉鎖判據三部分組成。啟動判據由發電機電壓突增元件、頻率突增元件、過頻元件和功率投入元件構成;動作判據由低功率元件、電流突降元件和低電流元件構成;閉鎖判據有正序電壓元件、負序電壓元件構成。啟動原件動作后，開放保護出口正電源，同時開放保護相應的保護元件，只有在啟動元件動作，同時對應的保護元件動作后才能跳閘出口。功率突降切機裝置動作后，迅速切換廠用電并對發電機滅磁，同時作用于汽機緊急跳閘保護“ETS”并啟動機爐聯鎖跳閘［4］。

4 結束語

國華滄東電廠零功率切機裝置的應用，可以有效解決送出線路斷面功率為零時，汽輪發電機組無快速保護跳閘，機組超速的重大安全隱患，防止發電機過電壓和降低熱力設備損壞風險，避免停機維修所帶來的大量的直接和間接經濟損失，具有巨大的綜合社會效益。

［1］夏傳江，楊正強，李 鳴.發電機零功率保護在300 MW 機組發變組保護中的應用器二次回路N600 多點接地查找及處理［J］.貴州電力技術，2013，16(4):57-58.

［2］葉朋真.零功率保護在REG670 中的實現及定值整定［J］.安徽電氣工程職業技術學院學報，2013，17(1):51-54.

［3］余 智.零功率裝置的發電機組外送線路中斷后超速保護方案［J］.貴州電力技術，2012，15(4):89-92.

［4］嚴 偉，方運昇，陳 俊，等.特大型機組保護若干問題探討.北京:中國電力出版社［J］.江蘇電機工程，2011，30(2):16-19.