發電機零功率保護切機裝置的應用

苗春華

(云南大唐國際紅河發電有限責任公司，云南 開遠 661600)

發電機零功率保護切機裝置的應用

苗春華

(云南大唐國際紅河發電有限責任公司，云南 開遠 661600)

當電廠進出線路事故跳閘或者開關偷跳，機組的有功功率突降至0時，會造成汽輪機組超速、機組過電壓。介紹機組保護存在的問題，分析加裝零功率保護切機裝置的必要性及其工作原理，提出加裝零功率保護切機裝置的改造方案。實際應用效果表明，該裝置可防止汽輪機超速、端電壓上升，達到安全停機的目的。

汽輪發電機組；零功率保護；超速；過電壓；滅磁

0 概述

某公司2臺300 MW機組于2006年相繼投運。2臺機組均采用發電機-變壓器-線路組單元接線方式，汽輪機為亞臨界機組，系統設置2條出線(唐紅I回線、唐紅II回線)，接入220 kV紅河開關站，電廠不設升高電壓母線，不裝發電機出口斷路器，采用單一走廊同桿并架設計方案。1號機主接線如圖1所示。

圖1 1號機主接線示意

1 機組保護存在的問題

當發生下列故障時，線路保護動作方式只跳線路側斷路器，機組保護不能動作，不跳發電機，不關主汽門，鍋爐不滅火。

(1) 對側變電站母線故障或其他原因導致對應的線路停電。

(2) 斷路器失靈保護動作。

(3) 本側及對側開關偷跳、誤跳。

(4) 控制及保護等自動裝置誤動作。

(5) 系統解列保護停線未停機。

(6) 其他原因造成的發電廠輸電通道斷開，發電機不能全停。

2 加裝零功率保護切機裝置的必要性

隨著我國特高壓、大電網的建成，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；但也造成輸電線路故障增多，導致機組無法輸出功率，對機組熱力設備等產生危害和不良影響。

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(如唯一的送出線發生故障跳開等)時，機組轉速會迅速上升，主變高壓側電壓會迅速升高，鍋爐水位會急劇波動。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。當機組功率突降為0時，汽輪機轉速上升，OPC(Over speed Protect Controller，超速保護控制單元)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。當轉速降到2 950 r/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”現象，甚至可能出現頻率擺動過程，對汽輪機葉片也會造成傷害。因此，當發生汽輪機組正功率突降時，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，在大型機組上應用功率突降切機裝置是十分必要的。

近些年來，個別電廠已出現因電廠輸出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。如：江蘇沙洲電廠600 MW機組鍋爐因輸出功率缺失而爆管；陜西府谷電廠600 MW機組、河北滄東電廠600 MW機組功率缺失后未能快速穩定停機；廣東某電廠6臺135 MW機組功率缺失后導致孤立網系統振蕩，直至瓦解。

該公司主系統接入方式易因線間故障等多種原因造成機組無法輸出功率，解列不停機，引起汽輪機超速，對機組熱力設備等產生危害和影響。因此，提出了加裝零功率保護切機裝置的改造方案。

3 零功率保護切機裝置工作原理

零功率保護切機裝置工作原理：利用正向功率突降過程中的電氣特性，如電流突降、電壓突增、頻率突增、有功功率突降等構成邏輯判據。當機組在調速系統和勵磁系統正常運行時，如果突然甩負荷，發電機各電氣量會發生變化，可根據變化量來判別是正常停機還是異常事故。零功率保護切機裝置動作后，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FCB(Fast Cut Back，負荷快速切回)功能的電廠，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；待輸電通道恢復后可快速并網，以此起到防止汽輪機轉速飛升，快速滅磁防止端電壓升高的作用。

發電機零功率切機裝置采集發變組單元的電壓和電流量構成保護判據，由啟動判據、動作判據、閉鎖判據3部分組成，無需任何開關輔助接點，具有突出的優勢。

其中，啟動判據為：系統側任一相電壓突增且大于定值2.1 V；或機端側任一相電壓突增且大于1.27 V；或任一相頻率突增且大于定值0.7 Hz，同時有功功率大于25 % Pn且負序電壓閉鎖條件滿足時，保護裝置啟動。

動作判據為功率突降為15 % Pn(作為零功率)，系統側、機端均過壓且大于49 V，主變高壓側電流突降且突降量大于定值0.7 A，任意2相機端低電流小于0.68 A，滿足機端負序電壓、系統側負序電壓均小于3.5 V時，裝置動作出口，經延時0.1 s后出口全停。

該裝置優點如下：

(1) 純電氣量判據，可靠性高；

(2) 完善的保護判據，采用功率、頻率、電壓等綜合判據，設計合理，判據完善；

(3) 多重輔助判據，可防止PT或CT斷線造成誤動。

該裝置邏輯如圖2所示。

圖2中:PG表示發電機有功功率;Pset2表示電發機正向低功率定值;ΔIt1表示主變高壓側電流突降量;ΔIt1set表示主變高壓側電流突降定值;Ifa、Ifb和Ifc為發電機各相電流;Iψset為發電機機端低電流定值；Ut1和Uf1為主變高壓側和發電機正序電壓;U1set為正序電壓定值1;Ut2和Uf2為主變高壓側和發電機負序電壓;U2set為負序電壓閉鎖定值2。

4 改造方案及注意事項

4.1 改造方案

加裝發電機零功率保護功機裝置作為發變組保護的補充，其改造方案如下。

(1) 零功率保護切機裝置機端電壓取自于發變組B套保護，并聯而成；零功率保護切機裝置機端電流取自于發變組B套保護，串聯而成。B套保護是國電南京自動化公司生產的保護屏。

(2) 系統側電壓取自于B套保護，并聯而成；系統側電流取自于B套保護，串聯而成。

4.2 切機方案

國內學者普遍將大學生“蟻族”定義為具有高智、弱小、群居等特點的大學畢業生，他們的生活環境差、生活水平不高。然而這樣的定義有失偏頗，筆者認為可以將具有這些特點的大學畢業生分為兩種：一種是“被蟻族”的大學畢業生，這一部分畢業生不悲觀于眼前的狀況，甚至對未來充滿希望，他們認為“蟻族”只是人們給予他們的標簽，他們自身并不認可這一標簽；而另一種則是“蟻族”大學畢業生，這一部分大學畢業生盲目選擇城市與工作之后，陷于理想與現實的矛盾沖突中，帶有悲觀情緒，對未來越發迷茫。在本文中筆者將重點討論第二種“蟻族”大學畢業生。

由于該公司機組接線方式簡單，為單元接線機組，沒有出口斷路器，沒有母聯開關，所以出口方式也比較簡單。當零功率保護切機裝置動作后，作用于全停，切換廠用電、滅磁，同時關主汽門并啟動機爐聯鎖(防止機組轉速飛升)。

4.3 注意事項

(1) 零功率保護切機裝置投運前，先將裝置投信號位(跳閘出口壓板退出)，運行2個月后，如無異常，即可投跳閘。

(2) 零功率保護切機裝置正式投入運行后，在鍋爐壓火前或者機組進行甩負荷試驗時，需要將零功率保護功能壓板及跳閘出口壓板退出，防止負荷突降引起零功率保護誤動作。

(3) 在正常運行過程中，如果需要對零功率保護切機裝置單獨進行試驗或二次回路有故障時，應退出零功率保護出口跳閘壓板，防止誤動作。

5 零功率保護切機裝置實際應用效果

安裝零功率保護切機裝置1年后，發生了由于系統側電壓電流的波動，引起零功率保護啟動的現象。經過與廠家溝通，對保護定值進一步核查、審核，最后對裝置進行升級，由1.00版本升級為1.10版本。升級后的版本增加了保護抗干擾等功能，該裝置目前運行良好，起到了可靠的保護作用。

6 結論

防止汽輪機超速是重點反措項目，是保證機組安全的一個重要方面。大型發電機組均應裝設零功率保護切機裝置，作為防止汽輪機組超速、端電壓上升的一個必備手段。

1 喬永成，寇海榮，王云輝，等．發電機零功率保護[J]．電力自動化設備，2011，31(5)：14-151．

國家能源局發布2017年2月份全社會用電量

2月，全社會用電量4 488億kWh，同比增長17.2 %。

1—2月，全國全社會用電量累計9 356億kWh，同比增長6.3 %。分產業看，第一產業用電量134億kWh，同比增長12.0 %；第二產業用電量6 327億kWh，增長6.7 %；第三產業用電量1 428億kWh，增長7.3 %；城鄉居民生活用電量1 467億kWh，增長3.5 %。

1—2月，全國發電設備累計平均利用小時為578 h，同比增加3 h。其中，水電設備平均利用小時為397 h，減少49 h；火電設備平均利用小時為678 h，增加21 h。

1—2月，全國電源新增生產能力(正式投產)1 614萬kW。其中，水電192萬kW，火電787萬kW。

（來源：國家能源局網站 2017-03-20）

2016-08-06；

2016-11-01。

苗春華(1974—)，女，工程師，主要從事電力系統繼電保護和自動裝置的研究工作，email：miaoch3044@sina.com。