華東電網并網機組涉網保護相關標準及核查問題分析

汪 靜， 余高旺

(1. 國家電網公司華東分部，上海 200120；2. 許繼電氣有限公司，河南 許昌 461000)

華東電網并網機組涉網保護相關標準及核查問題分析

汪 靜1， 余高旺2

(1. 國家電網公司華東分部，上海 200120；2. 許繼電氣有限公司，河南 許昌 461000)

隨著電網和電源的快速發展，系統特性發生深刻變化，合理規范的并網機組涉網保護參數是保障電力系統安全穩定運行的重要因素。在指出涉網保護包含的具體內容后，結合華東電網實際，分析了標準相關條文的內涵，并針對頻率異常保護、失磁保護等容易出現問題的環節提出了對應的標準執行意見。介紹了華東電網并網機組涉網保護專項核查工作依據的具體規范和實際工作方法，總結歸納了核查中出現的問題危害和解決方法，分享了典型問題核查案例。最后建議建立長效管理機制，保障相關核查工作持續滾動開展。

發電機；涉網保護；頻率異常保護；失磁保護

0 引言

電力系統是由“源、網、荷”三部分共同組成的，其穩定性由電源、電網和負荷的穩定性共同決定。提高電力系統穩定性必須“源網”協調運行，要求并網機組的控制保護系統與電網達到最佳配合，從而保證發電機組和整個電網的安全運行，成為“電網友好型”機組[1，2]。

隨著華東“T”字型特高壓交流網架初步形成，多回特高壓直流落點華東，長時間、大容量、滿功率消納直流區外來電已成為華東電網運行的主要特征[3-6]。電網運行中，交直流系統相互影響、相互作用的特點突出，電網運行呈現一體化特征，運行特性更加復雜，大電網安全對并網機組的安全穩定運行提出了更高要求。

與此同時，華東電網百萬千瓦級火電機組、核電機組數量不斷增加[7，8]，大容量機組異常運行對電網安全穩定運行的影響更加顯著；而部分電廠機組涉網保護參數設置整定、運行管理工作還有一定的盲區，存在部分參數誤整定、參數不合理、不規范等問題，甚至出于追求經濟性和保護機爐安全的考慮，設置對電廠比較有利的參數整定值，不斷挑戰廠網協調技術標準，蠶食電網安全穩定運行裕度，可能會引發電網系統性安全風險。

在國家能源局頒布了《國家能源局關于取消發電機組并網安全性評價有關事項的通知》(國能安全[2015]28號)后，能源局及其派出機構不再組織開展發電機組并網安全性評價工作。因此，調度機構非常有必要加強并網機組涉網保護安全管理工作。

1 涉網保護主要內容及相關標準執行分析

根據相關規范[9-15]，并網機組涉網保護包括：發電機頻率異常保護、失磁保護、失步保護、低勵限制及保護、轉子過負荷保護、過勵限制及保護、過激磁保護、汽輪機超速保護控制、定子過電壓保護、定子電流限制及定子過負荷保護、重要輔機保護等。

涉網保護種類比較多，相關的技術規范也稍有差別。在工作過程中，相關技術人員的理解各自不同，甚至可能沒有認識到其某項工作違反了規范。本文針對相關涉網保護參數設置中容易出現的問題分別分析標準規范的內容。

1.1 頻率異常保護

發電機運行頻率過低或過高，容易損壞汽機葉片。為了汽輪機的安全，大型汽輪發電機一般會配置頻率異常保護。文獻[12]附錄G規定了頻率異常每次允許運行時間和允許累計時間。

對于電網來說，頻率及電壓緊急控制裝置在系統頻率異常等事故時采取切機、切負荷等措施，防止系統崩潰，是電力系統第三道防線的重要組成部分。華東電網的低頻減負荷配置方案是按照各省市可能出現的最大負荷分配的,各省市低頻減載量約為最大負荷的36%,具體如表1所示。

為了保證系統頻率異常時，發電機不越級跳閘，降低對系統的支撐能力，機組的頻率異常保護和電網的頻率及電壓緊急控制裝置存在配合關系。

表1 華東電網低頻減負荷配置方案Table 1 Low frequency load shedding scheme of East China Power Grid

定值頻率/Hz延時/s第1輪49.00.3第2輪48.750.3第3輪48.50.3第4輪48.250.3第5輪480.3附加輪47.50.3特輪14915特輪24920

文獻[13]第4.3條規定：發電機低頻保護應與電網低頻減載裝置配合，低頻保護定值應低于電網低頻減載裝置最后一輪定值。發電機過頻保護應與電網高頻切機裝置配合，遵循高頻切機先于過頻保護動作的原則。

華東電網低頻減載裝置最后一輪定值為47.5 Hz，因此發電機低頻保護如果投跳閘，其定值應該低于47.5 Hz。同時，根據GB/T 14285繼電保護和安全自動裝置技術規程》的規定，汽輪發電機低頻保護動作于信號，特殊情況下需要跳閘時，才允許投跳閘。

過頻保護宜動作于信號，必要時動作于解列、滅磁或程控跳閘。動作時間應滿足文獻[9]表1的要求，且發電機高頻率定值高于51.5 Hz時動作時限不應低于15 s。

1.2 失磁保護

低勵或失磁是大型發電機組常見的故障形式。失磁后的危害有兩方面：一是發電機失磁后，轉子與定子磁場間出現了速度差，會在轉子回路中感應出電流，其頻率等于轉差頻率，從而引起轉子局部過熱。發電機受交變的異步電磁力矩的沖擊而發生振動，轉差越大，振動越大。二是失磁后，發電機從系統中吸收無功功率，吸收的無功功率可達0.9～1.2倍發電機的額定功率，由于變壓器電抗大，無功電流流過時壓降大，機端電壓下降嚴重，若系統無功功率儲備不足，系統電壓也會嚴重降低。

仿真分析發現，華東電網某些大型發電機失磁后，500 kV電壓會降低到0.9 p.u.，威脅系統電壓穩定。

在上個世紀，我國電網發電容量不足，為了維持發電容量，相關規范允許發電機失磁時不解列，可動作于減出力。在當前電網發電容量充足的新形勢下，為了保證系統的電壓穩定，華東電網要求失磁保護動作于解列，執行文獻[13]4.1.1條。

圖1 機端測量阻抗動作軌跡Fig.1 Movement locus of Machine measured impedance

綜上，發電機失磁保護應執行文獻[15]，即發電機失磁保護阻抗圓元件宜按異步邊界阻抗圓整定，帶電壓閉鎖段動作解列延時應不大于0.5 s，不帶電壓閉鎖段動作解列延時應不大于1.0 s。

當失磁保護采用靜穩邊界圓時，由于系統振蕩可能會引起誤動，失磁保護延時應執行文獻[12]的規定，按躲振蕩所需的時間整定。

1.3 轉子過負荷保護和過勵限制及保護

轉子繞組過負荷保護反映勵磁繞組的平均發熱狀況，目的是防止轉子過熱。保護動作動作量既可以取勵磁變電流、勵磁機電流，也可以直接反映發電機轉子電流。轉子繞組的過負荷保護由定時限和反時限兩部分組成。反時限的表達式為：

式中，C為轉子繞組過熱常數；Ifd*為強行勵磁倍數。

過負荷保護定值應略低于機組設計能力，避免因保護裝置原因制約機組發揮其設計過負荷能力的情況，其中發電機轉子反時限過熱特性曲線應滿足標準文獻[13]附錄C的要求。

勵磁系統大部分配置有過勵限制及保護，其目的是將勵磁系統輸出電流控制在允許范圍內。因此，為了保證配合關系，相關規范遵循過勵限制先于過勵保護、過勵保護先于轉子過負荷保護動作的原則。

過勵限制及保護與轉子反時限過熱特性曲線匹配的前提下，應協調整定，充分發揮勵磁系統過勵運行能力。

1.4 過激磁保護

發電機或變壓器過勵磁運行時，鐵心發熱，漏磁增加，電流波形畸變，嚴重損害發電機或變壓器安全。對于大容量機組，必需裝設過勵磁保護。過勵磁保護反映發電機出口(變壓器低壓側)的過勵磁倍數。

伏赫茲限制器是發電機電壓調節器的附加功能環節，可防止發電機或與其相連的變壓器過磁通。

因此，勵磁調節器中伏赫茲限制的參數設置應與過激磁保護動作特性相配合，遵循伏赫茲限制先于過激磁保護動作的原則。伏赫茲限制一般具有反時限和定時限特性，實際配置中，可以選擇反時限或定時限特性中的一種。

2 核查依據及華東電網涉網保護存在的問題

為保障華東電網電力系統安全、優質、經濟運行，國家電網公司華東分部在全網范圍內按照調度管轄范圍劃分原則，組織相關單位開展了并網機組涉網保護專項核查工作，全面核查網內機組，重點包括頻率異常保護、失磁保護、失步保護、過激磁保護等相關內容，確保電網安全穩定運行。

核查內容依據GB/T 31464—2015電網運行準則、GB/T 14285—2006繼電保護和安全自動裝置技術規程、DL/T 684—2012大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則、DL/T 1309—2013大型發電機組涉網保護技術規范、國家電網企管〔2014〕1212號國家電網公司網源協調管理規定等技術標準和并網管理規定制定。

核查處理的問題主要分以下四類。

(1) 機組涉網保護和電網保護失配，電網故障時機組可能越級動作。這類問題以頻率異常保護、發電機過電壓保護為主。

核查的并網機組中，只有小部分頻率異常保護整定完全符合要求，大部分機組均不同程度存在頻率異常保護先于電網頻率異常減載裝置動作的可能性。主要表現在低頻動作定值過高，且整定延時較短，如果發生電網較長時間低頻運行的情況，機組低頻保護可能越級動作。

例1：某電廠的發電機頻率保護定值如表2。

表2 發電機頻率保護定值Table 2 Protection setting table of generator frequency

華東電網低頻減載裝置最后一輪定值為47.5 Hz，該電廠的低頻保護定值最低也為47.5，不滿足“低頻保護定值應低于電網低頻減載裝置最后一輪定值”的規范要求；同時，該機組超速保護(OPC)定值為3090 r/min，折算成頻率是51.5 Hz，超過了過頻保護的定值，不滿足規范要求的配合關系。

(2) 機組控制系統和涉網保護參數不達標或失配，影響機組支撐能力或越級動作。這類問題主要是機組勵磁系統的強勵能力不滿足2倍10 s要求，也有部分電廠的強勵能力達2倍20 s，可能會超過機組本身的設計能力；機組勵磁系統過勵限制與轉子過負荷保護失配，存在越級動作風險，削弱電網的無功支撐能力；定子過流限制能力過低，束縛了發電機的定子過流能力，進而可能會制約機組發揮其設計的過負荷能力。

例2：根據某機組定子過負荷和勵磁調節器過流限制保護的定值，核算出當定子電流為某一值時相應保護的動作時間如表3。

表3 定子相關保護延時時間Table 3 Timetable of stator protection delay

顯然，機組保護定子過負荷保護定值略大于國標要求，不滿足“定子過負荷保護定值設置應略低于機組設計能力”的要求。雖然勵磁調節器的定子電流限制與定子過負荷保護配合，遵循定子電流限制先于定子過負荷保護動作的原則，但是勵磁調節器的定子過流限制不滿足1.5倍/30 s的要求，束縛了發電機的定子過流能力。

(3) 涉網保護參數設置不合理，機組故障后嚴重威脅電網安全。這類問題主要為失磁保護的延時時間和出口方式不滿足要求。失磁后，發電機從系統中吸收無功功率，吸收的無功功率可達0.9～1.2倍發電機的額定功率，由于變壓器電抗大，無功電流流過時壓降大，機端電壓下降嚴重，若系統無功功率儲備不足，系統電壓也會嚴重降低，威脅電網電壓安全。因此，發電機失磁后，華東電網要求快速切除發電機，避免發電機大量吸收無功功率威脅電網電壓安全。

例3：某機組失磁保護阻抗圓采用異步阻抗圓，經電壓閉鎖后延時1.5 s動作于關主汽門。

顯然，該定值違反了文獻[15]相關規定，根據該規定，延時應不大于0.5 s。同時，根據文獻[13]的要求，失磁保護應動作于解列。

(4) 相關管理不嚴格，缺少基礎數據，核查工作困難。部分機組缺少發電機過勵磁允許曲線、變壓器過勵磁允許曲線或發電機過勵允許曲線，且這些資料后續難以補全，影響相應控制、保護參數的整定以及配合，不利于充分發揮機組能力。同時，部分電廠缺少涉網保護定值計算過程與判斷依據，難以判斷相關參數設置是否滿足規范要求。

3 結語

正確、合理規范的并網機組涉網保護參數是保障電網安全穩定運行的重要因素。實際運行中，部分電廠并網機組涉網保護還存在定值參數誤整定、參數不合理、不規范等問題，有必要加強相應的安全管理工作。涉網保護牽涉的內容比較多，相關的技術規范也稍有差別。文章針對相關涉網保護參數設置中容易出現的問題，分析了相關技術原理，并結合實際情況，給出了華東電網涉網保護核查中應該執行的相關標準規范條文。最后介紹了華東電網并網機組涉網保護專項核查工作依據的具體規范和實際工作方法，總結分享了涉網保護參數存在的失配及不合理問題，并列舉了典型問題案例。

并網機組參數的設置管理工作牽涉到電廠和電網的眾多環節，相關技術人員水平也參差不齊，建議電網各級調度機構建立長效機制，持續滾動開展并網機組涉網保護安全管理工作，并及時分享相關工作經驗，共同提高工作效率。

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(編輯劉曉燕)

Analysis of Related Standards and Verification Problems ofGrid-related Generator Protection in State Grid East China Branch

WANG Jing1,YU Gaowang2

(1. State Grid East China Branch，State Grid Corporation of China，Shanghai 200120，China;2. XJ Electric Co. Ltd, Xuchang 461000, China)

With the rapid development of power grid and power supply, system characteristics are undergoing profound changes, reasonable grid-related generator protection parameters is an important factor to ensure the safe and stable operation of power system. After pointing out the specific content of grid-related generator protection, Combined with the reality of State Grid East China Branch, this paper analyzes the connotation of standards, and puts forward the corresponding standard implementation opinions for the links of frequency abnormal protection and Loss-of-field protection that are easy to emerging questions. This paper introduces the specific specifications and practical working methods of the work for the special check of the grid-related generator protection in State Grid East China Branch, summarizes hazards and solutions of the problem in verification and shares typical cases. Finally, it is suggested that a long-term management mechanism should be established to ensure the continuous development of relevant verification work.

generator; grid-related protection; frequency abnormal protection; loss-of-field protection

汪 靜

2017-04-20；

2017-06-01

TM732

：B

：2096-3203(2017)05-0066-05

汪 靜(1985—)，女，江西宜春人,工程師，從事電網調度運行管理工作(E-mail: wangjingamy1985@163.com)；

余高旺(1976—)，男，湖北鄂州人,高級工程師，從事電力系統控制保護設備研發工作。