火電機組零功率保護判據優化及應用分析

楊 濤

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

大型汽輪發電機組容量大、蒸汽參數高、轉子轉動慣量大，當發生功率外送通道中斷時（發電廠全部送出線路均與電網斷開），發電機功率無法輸出，如不能及時采取鍋爐熄火、主汽門關閉和滅磁等一系列措施，會引發汽輪發電機組超速、蒸汽熱力系統超溫超壓等問題，對機組設備安全構成嚴重威脅[1]。因此，目前很多火電機組均配置了發電機零功率保護，在發生功率外送通道中斷時，零功率保護及時采取措施停機，保證機組安全[2]。但發電機零功率保護在實際運行中仍存在判據不夠完善、與汽輪機超速保護的關系存在爭議、出口方式及配置原則缺乏統一規范等技術問題。近年來，零功率保護誤動作的情況時有發生[3-6]，文獻[4，5]均提出了增加頻率判斷環節的判據優化方案，但該方案過于突出頻率變化特征，且沒有統籌考慮某些特殊工況的電氣特征，不夠全面。另外，汽輪機超速保護與發電機零功率保護之間的功能關系也不夠清晰，實際生產中存在是否需要投用發電機零功率保護的爭議。再者，由于相關技術規程中未涉及零功率保護，因此其出口方式及配置原則也缺乏統一規范。因此，有必要對發電機零功率保護在實際運行中存在的上述技術問題進行分析探討，提出相應的解決方案，以提高發電機零功率保護運行的穩定性與可靠性。

1 零功率保護判據優化

1.1 現有判據的問題分析

發生功率外送通道中斷時，發電機將出現電壓上升、電流減小、功率減小、頻率上升等典型電氣特征，零功率保護的判據即是利用上述電氣特征，一般由啟動判據、動作判據、閉鎖判據構成[4]，啟動判據一般利用電壓突變量、電流突變量、頻率變化等構成，動作判據判斷發電機功率及電流是否降為零，閉鎖判據判斷是否存在負序電壓。目前，常用的零功率判據在判斷發電機因功率外送通道中斷出現的零功率狀態時一般不存在問題，但當發電廠送出線路發生故障進而引起調門快關動作或機組功率發生振蕩時，若零功率保護的判據不夠完善，零功率保護將發生誤動作。文獻[3]報道了因線路發生瞬時性故障引起調門快關動作，進而導致零功率保護誤動作的事件，零功率保護的啟動判據（包括電流突變量）在線路發生故障時即已滿足且滿足后將保持至裝置整組復歸，當汽輪機調門誤關閉時零功率保護發生誤動作。文獻[3]介紹了由線路故障引起機組功率振蕩，進而造成零功率保護動作的事件，故障切除時零功率保護的電流突變量（啟動判據）滿足且保持，機組的功率振蕩使零功率投入條件（發電機實際功率大于功率定值）及動作條件先后得到滿足，從而導致零功率保護動作出口。通過研究目前常用的零功率保護判據，并結合文獻中提到的事故案例，總結目前的零功率保護判據不同程度上存在以下問題：

（1）線路故障切除且未發生功率外送通道中斷時，發電機電壓升高、電流減小，電氣特征與功率外送通道中斷引起的發電機零功率狀態相同，將會滿足啟動判據的動作條件。

（2）啟動判據中的電壓電流變化量判據一旦滿足條件將會保持數秒的時間，也就是啟動判據將會保持數秒的時間。當線路故障切除時，由上述第一點可知啟動判據將滿足，那么當數秒內發生調門快關事故時，如果動作判據設置不夠合理將導致保護動作出口，文獻[3]中的事故即是此類事件。

（3）零功率保護投入判據與電壓電流突變量判據之間缺少配合關系。應在零功率保護投入判據滿足的情況下才能進行電壓電流突變量的判別，否則，當線路故障切除后，電壓電流突變量判據滿足條件，這時如果機組功率發生振蕩將可能出現發電機功率大于零功率保護投入判據定值的情況，這實際上不是零功率保護的動作條件，文獻[3]中的事故即是沒有考慮此類情況的案例。

1.2 一種優化的零功率保護判據

針對以上問題，一些文獻提出了優化的保護判據。文獻[5]提出在電流電壓突變量環節引入50.2 Hz判據，但該判據過分強調過頻特征，實際上是電流電壓突變量滿足且保持后等待發電機頻率升高，另外，該邏輯與過頻判據有功能重復之處。文獻[6]加入了電流變化量滿足后150 ms內發電機功率及電流降為零的條件，但其在區外故障切除時仍會啟動，且零功率保護投入判據不夠完善。研究發電機出現零功率狀態的電氣特征，發現發電機零功率的根本特征就是在電壓突增、電流突降后功率在一定時間內降為零。因此根據此電氣特征，提出了一種優化的零功率保護判據（未考慮閉鎖判據），判據如圖1所示。

判據的優化主要集中在啟動部分，啟動判據由電氣量突變、頻率判據及零功率投用判據組成。啟動判據中的突變量判據均不保持；保留頻率判斷環節，與電氣量突變構成“或門”邏輯，當出現頻率變化時，保護依然能夠啟動。

電氣量突變判據為發電機電壓突增、電流突降、功率突降相“與”而成。發電廠功率外送通道中斷時，發電機正序電壓升高、電流減小，與發電機零功率狀態時的電氣特征相同，但線路故障切除時發電機輸出功率是增大的，而發電機零功率狀態時發電機輸出功率是減小的，利用此特征構成“與門”判據，能夠區分發電廠線路故障切除與發電機真實零功率狀態，有效防止零功率保護在發電廠線路故障切除時的誤啟動與誤動作。

零功率保護投用判據依然采用P>，設置延時動作與返回環節，T0時刻動作，T1時刻返回，T0一般可設置為幾秒，躲過功率振蕩。此判據要求發電機功率大于投用定值一定時間后零功率保護才能投入，可防止線路故障導致零功率保護突變量判據滿足而后由于發電機功率振蕩滿足投入判據的情況，避免零功率保護誤動作。

啟動判據滿足后要求150 ms內功率及電流降至整定值以下，即給功率和電流的變化規定一個變化率，可以有效防止汽輪機調門關閉后功率逐漸減小導致零功率保護誤動作的情況。一般情況下，汽輪機調門關閉時發電機功率將在300 ms以上才能減小至零。如果啟動判據滿足后150 ms內功率及電流降至整定值以下，該部分判據將保持至裝置整組復歸。

2 與汽輪機超速保護的關系

汽輪機DEH（數字電液控制系統）系統中一般均配置完善的電超速保護[7]，有觀點認為，現場運行中既然汽輪機已具備超速保護功能，就不需要重復配置電氣量的零功率保護，汽輪機的問題應該由汽輪機專業的保護來解決，電氣專業的介入反而使專業管理界面不再清晰。另外，在實際運行中也確實出現過因零功率保護誤動而引起切機事故。基于上述原因，某些發電廠并沒有配置發電機零功率保護，某些發電廠即使配置了發電機零功率保護也未將零功率保護投跳閘。目前，汽輪機專業與電氣專業對該問題仍存在一些認識上的分歧。因此有必要分析汽輪機超速保護的類型及其作用，理清與發電機零功率保護的關系，提出合理的應用原則。

汽輪機電超速保護從作用上來說一般可分為OPC（超速保護控制）、 LDA（負荷下跌預測）[8-9]、 調門快關3類，現將此3類保護的作用及其與發電機零功率保護的關系分別進行說明。

2.1 超速保護控制

此處的OPC特指103%超速保護。無論機組處于速度控制階段還是負荷控制階段，只要檢測到轉速超過103%的額定轉速，而OPC功能未閉鎖，即刻觸發OPC請求，使調節汽門迅速關閉。當轉速恢復正常時再開啟調節汽門，如此反復，直至能維持額定轉速。這顯然是一種在機組已經超速后的補救措施，其目的是使機組盡量不要觸及機械超速跳閘轉速，以避免整個機組跳閘。

如果僅僅配置103%超速保護，當發生功率外送通道中斷、發電機轉速上升至103%額定轉速時，103%超速保護動作關閉調節汽門；當轉速下降到一定程度時，OPC復位，調節汽門打開，轉速又會迅速上升，如此反復調節將使機組轉速出現頻繁波動，機組將進入振蕩運行狀態[10-11]。而零功率保護是在功率外送通道中斷后，利用電氣量判據立即判斷出發電機的零功率狀態，迅速采取措施，可以在發電機出現103%超速前便完成事故處理。因此，OPC與發電機零功率保護功能不同，OPC不能替代零功率保護。

圖1 零功率保護判據

2.2 負荷下跌預測

LDA的功能是在機組甩掉全負荷時預防汽輪發電機出現超速。當機組負荷高于額定值的30%時，發電機并網斷路器一旦斷開，即說明發電機已甩掉全部負荷，LDA立即置位，快速關閉調節汽門，在實際轉速尚未升高的情況下，提早采取預防措施，避免超速行為發生。此時DEH控制器由負荷控制轉為速度控制，而且速度參考值自動設定為額定轉速。

LDA動作的前提是發電機并網信號消失，即并網斷路器斷開，但功率外送通道中斷往往是由于線路斷路器全部斷開引起的，而此時發電機并網斷路器仍處于閉合狀態，LDA無法動作。而零功率保護采用電氣量判據，無需發電機并網信號，只要出現外送通道中斷或發電機并網斷路器跳開的情況零功率保護均能動作。發電機零功率保護比LDA的功能更為全面，LDA也無法替代零功率保護。

2.3 調門快關

當電網發生瞬間故障而使發電機大幅甩負荷時，快速關閉調節汽門以減少機械功率和電氣功率的不平衡，可避免發電機產生過大的加速度，從而有效防止過大的振蕩甚至失步，以改善電力系統的暫態穩定。美國GE公司的電調系統中此功能稱為PLU（功率負荷不平衡），西屋公司和日本三菱公司的電調系統中此功能包括在超速保護控制中，西門子公司簡稱KU。執行快關的依據是汽輪機產生的功率與發電機輸出的功率之間發生較大的不平衡，汽輪機功率一般采用中間級壓力，發電機功率可直接測量，動作后關閉調節汽門，經過一段延時且動作條件復歸后再開啟調節汽門。隨著電網網架結構的增強和電網容量的不斷增大，通過發電機組快速保護協助改善電力系統故障時的暫態性能這個作用已經微乎其微，因此設置調門快關保護的目的僅僅是抑制汽輪機轉速的飛升，避免汽輪機超速。

當發生功率外送通道中斷時，根據調門快關保護的邏輯[3，11]，無論是KU還是PLU均能動作關閉調節汽門，且由于KU和PLU邏輯中的復歸條件無法滿足，調節汽門將一直處于關閉狀態，無法再次開啟（典型PLU邏輯如圖2所示）。因此，當發生功率外送通道中斷時，調門快關保護客觀上能夠起到抑制汽輪機超速的作用，但調門快關保護并不能替代零功率保護，理由如下：

圖2 典型PLU邏輯

（1）配置目的不同。設置調門快關保護的目的是改善電力系統暫態穩定性能，客觀上也能起到防止汽輪機超速的作用。零功率保護是在發生功率外送通道中斷時迅速停機，防止對發電機組、鍋爐等設備造成危害，并不僅僅是為了防止汽輪機超速。另外，零功率保護動作后將采取關閉主汽門、解列、滅磁、切換廠用電等一系列完整的停機措施，而調門快關保護僅僅是關閉調節汽門，并非停機措施。

（2）調門快關保護不夠可靠。 文獻[3，5，6，12，13]中均提到了KU和PLU等調門快關保護誤動作的情況，文獻[14]還對機組取消PLU保護進行了探討。KU和PLU等調門快關保護的電氣功率測量并非由DEH本身完成，而是通過外置的電氣量變送器實現，電氣量變送器暫態性能差、抗干擾能力弱等問題多次導致KU和PLU誤動。零功率保護利用單獨的保護裝置實現其完整功能，具有功能完善、動作速度快、判斷準確、抗干擾性好等優點，雖然也有零功率保護誤動作的案例，但其整體可靠性大大優于調門快關保護。

綜合以上分析可知，無論是103%超速保護、LDA，還是調門快關保護，均不能在功能上替代零功率保護。零功率保護從功能上彌補了汽輪機超速保護存在的缺陷，是一種更加可靠、完善的應對發電機零功率狀態的解決方案。因此，零功率保護與汽輪機超速保護在功能配置上并沒有沖突，無論汽輪機側配置了何種形式的超速保護，發電機零功率保護均需投用。

3 出口方式及配置原則

目前發電機零功率保護出口方式基本為全停方式，即零功率保護動作后將關閉汽輪機主汽門、跳開并網斷路器、滅磁、切換廠用電。文獻[11]認為最合理的出口方式應當是觸發OPC、跳開并網斷路器、滅磁、切換廠用電，這樣在故障發生時就可以將機組穩定運行在3 000 r/min，然后根據情況決定再次并網還是安全停機。但是這種出口方式是以高壓備用電源依然存在、機組仍具備空載穩定運行能力為前提的。當發生功率外送通道中斷時，發電廠升壓站已經與外部電網斷開而處于失電狀態，而高壓備變一般都是連接在升壓站母線上，故此時機組已失去高壓備用電源，機組將無法繼續穩定運行。因此，在發生功率外送通道中斷事故后，將零功率保護出口方式改為觸發OPC并維持機組穩定的做法是不切實際的，更為合理可行的方式應該還是全停方式。

目前，相關技術規程[15]中沒有發電機零功率保護的內容，因此發電機零功率保護缺乏統一、標準的配置原則。發電機零功率保護是為了在發生功率外送通道故障時保護機組而配置的，因此，零功率保護的配置取決于發電廠發生功率外送通道故障的概率大小。對于僅有2條送出線路的發電廠，發生功率外送通道事故的概率較大，應配置發電機零功率保護，這點一般不存在爭議。當發電廠送出線路較多時，發生線路全部斷開的概率相對較小，基于這個原因有些發電廠未配置零功率保護或即使配置了零功率保護也未將保護投跳閘。雖然出線較多的發電廠發生功率外送通道事故的概率較小，但這種概率依然存在，文獻[10]就提到了發電廠多條線路時仍然出現事故的案例，且一旦發生此類故障，將對機組安全產生較大影響。因此，即使對于出線較多的發電廠仍建議配置發電機零功率保護且將保護投跳閘。

4 結語

發電機零功率保護是針對功率外送通道中斷事故而專門設計的一種能夠有效保護機組的電氣量保護，但運行中出現過保護誤動的情況，因此應吸取保護誤動的經驗教訓，完善優化零功率保護的判據，提高其運行可靠性。發電機零功率保護與汽輪機超速保護不存在功能沖突的問題，相反，零功率保護彌補了汽輪機超速保護不具備的功能，因此不應存在因機組配有完善的超速保護而不配置零功率保護的情況。另外，零功率保護采用全停的出口方式更為合理可行，并建議將零功率保護作為發變組保護的標準配置。