涌流對功率變送器擾動分析及措施

華能重慶兩江燃機發電有限責任公司 趙文博 向東 陳柄宏

1 某燃氣-蒸汽聯合循環機組概況

某燃機電廠#1、#2機組燃氣輪機采用東方電氣引進的日本三菱重工M701F4型重型燃機；汽輪機采用三壓、再熱、單軸抽汽凝汽式供熱機組；發電機為全氫冷方式；余熱鍋爐采用東方日立鍋爐生產的臥式、無補燃、三壓、再熱、自然循環余熱鍋爐。燃氣輪機、汽輪機、發電機采用同軸布置，純凝性能保證工況下發電功率467.34MW。

#1、#2機組分別采用發電機——主變壓器組單元接線，發電機出線經出口斷路器GCB連接至主變壓器。主變壓器經500kV GIS接入500kV電網，電廠500kV系統采用二分之三接線方式，通過同塔雙回出線接至變電站，線路全長6公里。廠內兩條出線在變電站內與屏某1線、屏某2線合環運行。

2 三菱燃氣-蒸汽聯合循環機組有功功率變送器使用情況

為了保證機組實發有功功率信號的穩定性和可靠性，某電廠每臺機組有功功率變送器共4個來測量機組的實發功率，其中#3、#4有功功率變送器取高值再與#1、#2有功功率變送器取中值，送機組TCS控制系統參與機組負荷調節控制。當發電機輸出功率信號3個信號中任意2個故障，機組應立即跳閘。

3 事件發生概況

某年11月24日22:33時 #1機負荷穩定在230 MW，#2機組負荷穩定在230MW，燃機500kV系統合環運行，雙機正常運行，無異常報警，電廠內無設備啟停操作。電網屏某線上500kV #3主變在22:34:40.98進行合閘充電，#1、#2機組從22:34:41開始有功功率瞬間大幅度波動，22:34:42.27機組燃氣輪機控制系統（TCS）發“OPC ACTUATED”報警，隨后22:34:43.42機組燃氣輪機控制系統（TCS）發“FLAME LOSS TRIP”跳閘報警，延時0.2s后，#1、#2機組同時跳閘解列。

4 機組跳閘分析

4.1 保護動作正確性分析

“FLAME LOSS TRIP”保護動作后延時0.2S機組跳機，PMU數據中有功功率發生突變時刻為22:34:43.62，據此判斷，保護動作時刻為22:34:43.42，動作時刻如圖1所示。

圖1 滅火保護動作時刻

圖2 FLAME LOSS保護邏輯

根據滅火保護動作邏輯如下：在發電機功率繼續大幅度波動時，由圖2可以看出來當中壓缸入口壓力經過FX02函數的換算后的結果減去發電機功率結果FX01換算的結果大于13，延遲0.2秒，FLAME LOSS主保護動作。結合圖1判斷，此時機組功率已經很低，滿足保護動作邏輯，滅火保護動作基本正確。

4.2 保護動作原因分析

4.2.1 機組OPC系統動作分析

在跳機前，機組OPC保護動作曾經動作。OPC動作原理：在沒有進行超速實驗時{汽機轉速經過函數FX[01]換算后+（中壓進汽閥后壓力經過函數FX[02]換算后－發電機功率經過函數FX[03]換算后）的值再經過函數FX[04]換算的的結果＞107.5}保護動作，動作后會將相應的高調門/中調門/低調門/MECV/ELCV關閉，直到OPC動作指令消失。

圖3 OPC保護動作時刻分析

結合OPC保護動作時刻分析，由于OPC動作時刻機組功率已經較低，也基本滿足OPC的動作判據，因此OPC動作基本正確。

4.2.2 機組燃機控制系統動作分析

燃機控制系統并網運行方式主要是功率閉環，對功率偏差進行負反饋調節，即當實際功率高于設定值時，減小調節指令，實際功率低于設定值時，增大調節指令。在負荷波動過程中，燃機控制系統測量的功率與PMU實測值有很大的偏差，如圖4所示。

在擾動開始階段，燃機通過功率變送器實測的功率最大值達到320MW左右，嚴重失真，而此時實際功率（PMU測量值）并未升高，這一失真的功率將導致燃機控制指令CSO的錯誤控制（如圖5所示）。因此功率變送器失真，可能導致OPC和FLAME LOSS保護動作跳機。

圖4 燃機實測功率與PMU實測功率對比

圖5 功率變送器失真導致燃機指令CSO錯誤調節

4.2.3 屏某線上主變充電對機組的影響分析

燃機電廠500 kV主變壓器中性點是直接接地，當屏某線上500kV #3主變合閘沖擊時，繞組產生勵磁涌流，該涌流含有很大的直流分量和大量的非周期分量，此直流分量經過輸電線路至燃機主變的勵磁電抗，使變壓器鐵芯趨向飽和，從而產生相應的和應涌流，和應涌流的方向與勵磁涌流方向相反，主變就由初始的不飽和狀態過渡到飽和狀態，和應涌流將由小到大逐步增長，它的大小與該勵磁涌流的大小有關，且含有大量的直流分量和諧波分量。

圖6 發電機三相電流的諧波分量值

最大的時刻測量電流的B相電流的二次諧波達到了B相電流的33.5%，三次諧波達到B相電流的20%；A相電流的二次諧波達到了A相電流的26.70%，三次諧波達到A相電流的18%。測量CT飽和，A、B相電流發生了嚴重的畸變，電流互感器不再工作在線性區，飽和后的一次電流的增量部分均為勵磁電流，二次電流不再反應一次電流實際值，且伴隨著諧波出現，波形發生嚴重畸變，可能導致功率輸出非線性，機組有功功率（電流）輸出失真。如下圖7所示：

圖7 發電機三相電流輸出失真

綜上所述，可知由于電網站內屏某線上500kV主變全壓沖擊，產生瞬間勵磁涌流，而勵磁涌流對機組的主要影響是產生和應涌流。由此造成電氣二次回路產生諧波電流，致使測量CT的鐵心飽和，功率變送器輸出會產生無規則的畸變，導致運行機組的有功功率測量值發生跳變，機組故障發生跳閘事故。

5 措施

首先，采用新型數字式功率變送器，以彌補模擬變送器固有特性在實際使用中對電流波動判斷的不足。

以FPWK-301D 數字式功率變送器為例，采用大規模集成電路，應用數字快速采樣處理技術，集成化程度高，工作更加可靠，具有優異的精度、線性度和長期穩定性。FPWK-301D式變送器將所要測量的電壓（或電流）正弦波進行采點分割計算，橫軸將一個周期分為 64 塊，每一塊都近似為一個長方形，將每一塊的電壓幅值乘以電流幅值再乘以分割成的時間（50Hz 就是 20ms/64 點），得到每一塊的功率，再進行累加。從交流采樣開始都由微處理芯片的程序進行處理，在芯片的編程處理中，人為的濾除輸入突變信號，并將穩態的測量值做窗型濾波，使得變送器的輸出更加穩定。

FPWK-301D式變送器具有三種工作模式：瞬時快速響應模式：響應時間＜40ms；瞬間涌流抑制模式：響應時間＜300ms；兼顧模式：響應時間＜90ms（32～250ms可調）。其中兼顧模式既能保證一定的瞬時快速反應能力又能濾除一定時間內的尖峰干擾信號，同時FPWK-301D式變送器采用雙PT、雙CT輸入（可在PT或CT斷線時進行無擾自動切換）增加了抗干擾能力。

其次，為避免發電機功率信號受干擾后出現超量程而引起保護誤動，對燃機功率負荷控制邏輯和燃機、汽機同軸機組OPC保護設置的適應性進行全面分析。