1號線路B相故障引起電廠#3、#4機組零功率切機動作分析及處理

陳鋒云

摘要：1號線路B相故障引起負荷瞬時突變，#3、#4機組DEH中KU（功率負荷不平衡保護）回路觸發，導致機組功率下降，致使發電機零功率切機保護動作，機組解列，由此分析并處理功率變送器故障情況下畸變問題以及功率負荷不平衡保護和零功率切機保護配合的不合理問題，以期能對有類似保護的機組的安全穩定運行有借鑒意義。

關鍵詞：KU回路；功率負荷；不平衡保護；DEH功率變送器；零功率切機；電力故障 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM86 文章編號：1009-2374（2016）12-0122-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.057

1 事件經過

2013年6月1日，當地強雷雨天氣。21∶35∶48，某電廠1號線路P546差動保護動作，查為線路B相故障，故障電流為1.4A（一次電流5600A），5012及5013開關B相跳閘，766ms后#3、#4機組零功率保護動作，#3、#4機組跳閘，1049.6ms后5012、5013兩個開關B相重合成功，保護故障測距為41km。B相跳開后1號線路及2號線路電流在766ms內均下降到約0.05A（一次值為200A）。

2 系統配置

第一，該電廠當時有4臺機組，Ⅰ期為2臺600MW超臨界機組，Ⅱ期為2臺660MW超超臨界機組。

第二，電氣一次系統接線方式：該電廠500kV系統采用3/2接線方式，采用三菱GIS，共有三個完整串（5011、5012、5013；5021、5022、5023；5031、5032、5033）和一個不完整串（500kV高壓備變5001開關）。發電機出口裝設GCB。

第三，主要設備參數：#3、#4發電機，型號QFSN-660-2，為上海汽輪發電機有限公司產品，額定功率為660MW，額定電壓為20kV；#3、#4主變為800MVA/530kV±2×2.5%/20kV的三相變壓器；高壓廠變每臺機組2臺，均為40MVA/20kV+8（-10）×1.25%/6.3kV三相雙繞組變壓器。

第四，保護配置情況：500kV開關保護采用AREVA的P442失靈/重合閘保護，500kV線路保護采用AREVA的P443距離阻抗保護和P546差動保護。#3發變組保護為南瑞公司RCS985系列產品，#4發變組保護為南瑞公司PCS985系列產品。#3、#4機零功率切機保護均為四方公司的CSS-100BE保護裝置（軟件版本：V1.00），保護均采用雙重化配置。

第五，#3、#4機組DEH系統采用Simens公司T3000控制系統，汽輪機主汽門、調節汽門和補汽閥的開度主要通過電液轉換機構、數字式計算機、高壓抗燃油系統和油動機控制，實現對汽輪發電機組的負荷與轉速的實時控制。DEH配有KU（功率負荷不平衡）保護，當KU動作快速關閉高中壓調閥，減少汽輪機的輸入能量，快速平衡電網負荷，降低汽輪機轉速飛升量。

3 跳閘分析

#3、#4機組跳閘后，運行值班人員和繼電保護人員對線路保護、發變組保護裝置、零功率切機保護裝置、機組故障錄波器和線路故障錄波器進行了檢查，熱控人員對DEH功率負荷不平衡保護動作情況進行了檢查。依據波形及保護動作時間判斷：1號線路B相故障引起負荷瞬時突變，DEH側檢測到功率突變，達到限值時觸發KU動作。#3、#4機組DEH中KU（功率負荷不平衡保護）回路觸發后，快速關閉調門，減少汽輪機的輸入能量，快速平衡電網負荷，降低汽輪機轉速飛升量。然后引起機組汽輪機功率和電功率都下降，導致#3、#4發電機組零功率切機保護動作并解列。

3.1 KU回路說明及動作情況

#3、#4機組DEH系統采用Simens公司T3000控制系統，具有負荷干擾控制功能。負荷干擾能被控制系統中的負荷干擾識別模塊組件快速檢測出，從而發出相應的信號到轉速設定值形成回路，通過轉速負荷調節模塊，以使其發生相應的動作。機組實際的負荷測量值在負荷干擾識別模塊中進行進一步處理，主要有兩個目的：其一是求該信號的微分，以檢測負荷的變化速率；其二是補償變送器的延遲時間，使得測量到的負荷值有負荷的原始時間特性。以下兩種情況，系統將會發出負荷中斷信號（KU）：

第一，若出現負荷變化速率大于負荷跳變限值（480MW/s）。

第二，以下條件都同時滿足：實際的負荷小于104MW；實際的負荷大于-26MW；機組處于并網狀態；負荷控制偏差大于104MW。

#3機KU動作情況：線路故障時60ms內機組負荷在340～512MW之間波動，線路故障前機組負荷為384MW，該條件滿足。

#4機KU動作情況：線路故障時60ms內機組負荷在349～553MW之間波動，故障前機組負荷為380MW，該條件滿足。

#3、#4機組滿足“負荷變化速率大于負荷跳變限值（480MW/s）”條件，觸發KU回路，期間#3、#4機組汽輪機轉速最高為3006r/min，最低為2988r/min。

3.2 DEH功率變送器輸出畸變

電科院對該類DEH功率變送器檢測結果已出，在外部發生不同故障情況下存在輸出失真現象，可認為是導致KU回路動作的誘因。

3.3 零功率切機保護動作情況

在系統B相短路時刻，機組KU觸發，引起高中壓調門關閉，零功率切機保護條件如下（以下5項條件均滿足時保護動作）：

第一，正常運行時實際電流大于“投運電流設定值（73A）”。實際（#3：437A，#4：439A），該條件

滿足。

第二，正常運行時實際有功功率大于“投運功率設定值（60MW）”，實際情況（#3：383MW；#4：379MW），該條件滿足。

第三，突變量啟動。滿足以下任何一個條件：突變量電流啟動；突變量功率啟動。此次線路故障時突變量電流啟動條件滿足：|△I|=|Ik-Ik-20ms|≥IQD（任兩相電流有效值在20ms前后之差若大于突變量啟動定值便啟動），故障后60～80ms，B相電流△I約為-1230A，C相電流△I約為-153A（IQD為150A），滿足該啟動條件。

第四，啟動前（-200ms）功率大于“事故前功率設定值（300MW）”，該條件滿足。

第五，故障后實時功率小于“事故后功率設定值（50MW）”，實際為17MW，該條件滿足。該項為零功率的主要判據。故障后電流有兩相均小于“投運電流設定值（73A）”，實際35A，該條件滿足。

故障且KU動作后的運行工況滿足零功率保護動作條件，#3、#4零功率切機保護動作。

4 采取的措施

4.1 采用新型的DEH功率變送器

向南瑞繼保定制的新型的功率變送器具有如下特點：數量三只，供熱控三取二；原變送器為單電源。新變送器采用雙路電源冗余，輔助電源額定電壓為AC220V（現場采用機組UPS電源）；具有濾波功能，在各種故障下輸出無畸變；在電流額定值超過定值或者電流突變量超過定值的情況下，將由測量級CT無縫切換為保護級CT；響應時間≤100ms；可無需屏幕，但具有錄波功能，可調出錄波波形；新變送器輸出四路有功為4～20mA，三路無功為4～20mA，負載能力不小于500Ω；原采用三相三線，新變送器擬采用三相四線制，輸入100V、5A，量程為0～2000W，精度0.2級。

新型功率變送器模擬發電機PTB相斷線模擬試驗的波形如下圖2所示：

B相PT斷線的情況下，發電機出口有功功率波形未發生失真和畸變，在60ms內有功功率由407MW緩慢下降到280MW。

4.2 KU邏輯改動

增加3018轉速閉鎖信號，轉速低于3018轉/分鐘閉鎖KU回路。

4.3 零功率切機保護邏輯升級

發電機零功率保護又稱發電機低功率保護或主變正功率突降保護。當大容量火電機組在重載情況下突然失去負荷時，如不及時采取關閉主汽門、鍋爐熄火、滅磁等一系列措施，必將嚴重威脅機組安全運行，甚至損壞熱力設備，因此發電機零功率切機保護在大容量機組上大都有裝設。

零功率切機保護需確認發電機功率大于故障前功率定值后才自動投入發電機零功率判別，因為即使在機組輸出功率較小時發生了正功率突降，對熱力設備并不會構成安全威脅。

由于KU回路和零功率切機保護在保護目的上有重疊，且動作結果有所沖突，在繼電保護人員與零功率切機裝置生產廠家北京四方對此次動作事件進行研討之后，決定對動作判據進行進一步完善。

4.3.1 原判據。

第一，啟動判別。在正常運行情況下需保證裝置不會進行頻繁的啟動，當電網發生可能影響電廠送出功率的事故時，裝置能夠可靠啟動，進入事故判別狀態。裝置采用以下兩種啟動判據：

以上任一個判據滿足都能使裝置進入啟動狀態。

第二，零功率切機保護的故障判據。突變量啟動；事故前0.2s時的功率方向為負（即電廠送出）且事故前0.2s時的功率值≥事故前功率定值；事故時刻的功率小于事故后功率定值；任兩相電流I<投運電流定值；任兩相電流有效值在20ms前后之差|△I|=|Ik-Ik-20ms|≥IQD（突變量啟動定值）；持續時間t≥ts（故障判斷延時定值，一般取0～20ms）。同時滿足以上條件，判為零功率故障。

4.3.2 優化后判據。

第一，啟動條件。啟動條件采用電流突變量和功率突變量為判據，兩者之間為“或”邏輯關系。

第二，開放條件。

新增關于△U1、f、△f的3個條件，組成或門作為防誤條件，主要考慮發電機突然甩負荷后引起電壓和頻率升高，故可以采用電壓升高或頻率升高元件作為保護出口輔助條件以確保在機組功率正常調節情況下裝置不會動作；相關的3項定值可以整定得靈敏一些，確保不會拒動；△fset整定為0.2Hz，fset整定為50.3～50.5Hz（上述定值整定時，可根據電廠甩負荷試驗數據進行整定）。

P>Pset1，如果當時機組負荷小于這個定值，即使送出線路跳閘，也不會對發電機造成損害，則無需切除機組，該判據主要用于判斷機組正處在正常發電狀態。Pset1可以按照機組正常出力整定，一般整定為30%～50%Pn。

新增U24.3.3 故障判據。

第一，I-I-20ms>△Iset的判據用來主要用來區分系統振蕩、線路跳閘與其他AGC發出指令使功率緩慢下降的情況，此條件僅展寬150ms。

第二，P