一起因保護誤動致機組解列案例的分析與啟示

鄭溢強

（福建晉江天然氣發電有限公司，福建晉江 362251）

0 引言

某S109F級燃氣電廠發電機采用哈電集團制造的390H全氫冷發電機，勵磁系統采用GE公司全靜態整流勵磁系統，其監視回路串入保護動作接點采用常閉接點。發電機保護采用型號為DGT801C國電南自數字式發電機保護裝置，發電機保護裝置實行雙重化配置，設置2套相同的保護裝置。該保護裝置采用冗余配置，即2套獨立的保護邏輯系統（以下分別稱為CPUA系統和CPUB系統）構成。2套保護邏輯原理相同，正常運行時兩系統之間相互獨立，但保護出口回路采用“與”方式，即當任一保護邏輯系統退出后，另一系統仍可繼續運行，不受影響。

1 事件案例

2017年1月24日，某電廠監控系統報“4號發電機后備保護報警”信號，就地檢查4#發電機保護A屏狀態指示欄中左側“出口信號”指示燈亮（說明：左側為CPUA系統的狀態信息、右側為CPUB系統的狀態信息）和出口信號欄中第32通道“差動啟動告警”指示燈亮；進入裝置差動保護模塊中，CPUA系統的發電機差動A，B，C相差動電流幅值分別在（3.4～3.8）A波動，CPUB系統的發電機差動A相，B相，C相差動電流幅值幾乎為0.0 A。初步判斷裝置CPUA模數轉換插件有問題。斷開4#發電機保護A屏CPUA電源空開，即退出CPUA系統和斷開裝置顯示電源。

1月25日，監控系統頻繁報“4#發電機后備保護報警”信號，該信號動作后即刻復歸，就地檢查4#發電機保護A屏狀態指示欄中右側“出口信號”指示燈閃亮和出口信號欄中第32通道“差動啟動告警”指示燈亮，因保護裝置顯示電源與CPUA系統的電源空開共用，故無法查看故障信息，現場人員緊急退出4#機發電機保護A屏內的所有出口硬壓板。10 min后4#發電機保護A屏狀態指示欄中右側“出口信號”和“出口跳閘”指示燈閃亮、出口信號欄中第1通道“發電機差動動作”指示燈亮，緊接著顯示勵磁系統故障，“出口跳閘”指示燈亮。同時，第2套保護裝置也顯示勵磁系統故障，“出口跳閘”指示燈亮。檢查發電機出口開關已斷開，4#機組解列進入全速空載狀態。

2 處理過程簡述

1月24日發生報警時，現場人員協同專業人員到現場查看，此時機組有300 MW負荷。進入保護裝置查看采樣數據，發現CPUA系統的電流通道采樣值在波動，同時差動電流計算值也在波動，匯同狀態指示燈現象初步判斷為CPUA模數轉換出現問題。將此情況反饋給廠家技術人員，現場人員匯同專業人員參考廠家技術人員建議，暫時先退出CPUA系統，保留CPUB系統運行，折機進行故障排查。經過專業探討后，退出CPUA系統，保留CPUB系統，待廠家技術人員到廠后進行排查。

1月25日再次發生報警時，由于裝置顯示電源與CPUA系統電源共用的空開，因而無法進入保護裝置查看采樣數據或告警信息，通過CPUB系統的“出口信號”和“出口跳閘”指示燈在閃爍的現象以及結合上次發生報警信號的情況相同，懷疑CPUB模數轉換插件也有問題，緊急匯報調度退出第二套發電機保護裝置，即退出保護所有出口壓板，但由于受“3XB滅磁開關檢修壓板”該壓板的名稱誤導，沒有投入該壓板，在與廠家技術人員溝通過程中，發電機差動保護動作，緊接著勵磁系統故障動作，機組解列進入全速空載狀態。

3 原因分析

與國電南自廠研發部門技術人員進行技術探討，得知檢測到模數轉換插件內采樣回路中的電容4E1和4E3性能下降，引起模數轉換芯片工作不正常，導致采樣通道的幅值在變化，造成發電機差動保護誤動作。這是此事件的直接原因。

勵磁系統的監視回路串入保護動作接點采用常閉接點，2套保護裝置的常閉接點又采用串聯方式，發電機差動保護動作觸發其接點動作，致使勵磁系統開放發電機保護，發電機勵磁系統故障出口跳發電機出口開關及滅磁開關。這也是此事件的另一重要原因。

缺少現場緊急處理的事故應急措施，依賴于廠家技術服務，專業人員沒有對特殊保護設計在運行規程中說明，也是此事件的原因之一。

4 保護裝置設計原理

4.1 保護采用雙CPU并行設計原理

正常運行情況下，2個完全相同的CPU系統分別取自同一組數據，然后進行各自的處理和判斷，最后通過“與”方式出口。目的是有效防止硬件回路中元件損壞造成保護裝置誤出口，使裝置具有冗余性（圖1）。

異常情況下，如果一個CPU系統出現故障時，發出故障告警信號，同時該CPU系統退出運行。另一個CPU系統可以單獨運行，但不與故障CPU系統共用“與”門出口，而是直接出口跳閘（圖1）。此設計的目的是消除硬件回路任一元件損壞就導致該層保護全部退出的缺陷，同時也使得裝置具有容錯性。

圖1 雙系統并列設計

4.2 發電機差動保護設計原理發電機差動保護采用基

于保護原理 ANN（Aartificial Neural Network，人工神經網絡）的比率制動原理，使用小波算法和神經元算法來達到快速安全可靠的目的。保護動作邏輯采用為單相差動方式，按比較發電機中性點電流互感器與機端電流互感器二次同名相電流的大小及相位構成發電機完全縱差保護。發電機縱差保護的動作特性均由無制動部分和比率制動部分組成。這種動作的優點是：在區內故障電流小時，有較高的動作靈敏度；而在區外故障時，有較強的躲過暫態不平衡差流能力（圖2）。其中，Id為差動電流，Iq為差動啟動電流，Is為差動速斷電流，Iz為制動電流，Ig為拐點電流，單位均為A；Kz為直線斜率。

針對發電機完全縱差保護設置專門的電流互感器斷線判別邏輯，當差電流大于電流互感器斷線電流值時，一種情況是閉鎖差動保護動作同時發出告警，另一種情況是不閉鎖差動保護動作只發出告警，該保護邏輯可通過保護控制字進行控制。

4.3 勵磁系統故障動作設計原理

檢測勵磁機系統故障的繼電器正電源串聯保護動作的常閉接點，當該監視繼電器得不到正電源，發給保護裝置“勵磁系統故障”信號，保護裝置接收到此信號時，不經邏輯判斷直接出口跳發電機出口開關、滅磁開關及閉鎖發電機出口開關合閘。即保護裝置正常運行時，該繼電器得到正電源，該接點斷開，當保護裝置動作后，該繼電器失去正電源，信號接點接通。

保護裝置通過開入量來接收此信號，當開入量發生反轉時，因該點做特殊定義，不經邏輯判斷直接出口。為防止保護誤動造成誤斷開監視繼電器正電源，保護裝置在出口回路中并聯“3XB滅磁開關檢修”壓板，以方便保護裝置退出時通過此壓板來閉鎖“勵磁系統故障”動作（圖3）。

圖2 發電機縱差保護動作特性

5 措施與啟示

（1）對此類型的保護裝置進行排查，開展保護裝置的壽命管理，通過技術監督、技術更換等手段消除設備隱患。

（2）針對特殊設計，或者設計不切合各廠實際情況的，組織專家力量，針對性探討進行整改。

（3）完善相應的應急處置預案，完善運行和檢修規程，對有特殊要求保護設計要在規程中說明，現場人員要加強設備巡視、

圖3 勵磁回路

點檢力度和處置流程，提高人員現場事故處理能力。

（4）開展專業技術培訓，針對此類型保護裝置進行培訓，提高各級人員對設備的熟練程度，舉一反三，并對其他特殊要求的保護進行排查，統一組織學習。

（5）概率問題。按廠家的設計理念，2套系統同時出錯的機率非常低，針對影響機組的保護裝置如果出現異常時，應及時退出相應保護，不應有僥幸心理，要避免裝置誤動或拒動。如果存在無法退出的情況，要及時采取相應的可靠措施。

6 結語

通過這一故障案例，分析發電機差動保護和勵磁系統故障保護誤動原因，了解此類型保護裝置的原理及作用。學習這類事例讓相關的現場人員掌握此類保護裝置在運行中出現異常情況的現場處置方式，也通過這個事例，讓相關的專家能夠進一步優化程序和回路，從而進一步提高電力設備的安全可靠性。