零功率切機保護的應用探討

馬俊斌

（神華浙江國華浙能發電有限公司，浙江寧波 315612）

0 引言

近年來，隨著我國發電技術的快速發展和對資源合理運用要求的進一步提高，建設了大量的大型發電廠，其中火電機組仍然占較大比例。大型發電廠在規劃的時候，為了方便燃料運輸，減少污染對居民的影響，往往建設在遠離用電重負荷的地區，這樣必然要求建設長距離電力輸送線路。一旦600 MW 及以上大功率的火電機組，在高負荷狀態下突然失去送電通道，沒有了電網的制動作用，機組電壓與轉速會突然升高，很可能造成重要設備損壞。由于大部分發電機都設置了自動調速、自動調壓裝置，在DEH（Digital Electric Hydraulic，數字電液控制系統）、103% OPC（Over speed Protect Controller，超速保護控制）、AVC（Automatic Voltage Control，自動電壓控制）和自動勵磁調節器作用下，機組從超頻工況演變為低頻，并可能出現來回擺動不定的過程，導致高低頻、超速保護、過電壓保護不能及時動作，對汽輪機大軸、葉片、軸承造成很大損傷。同時鍋爐超壓對汽水管道造成較大應力損傷，對電氣設備也有傷害。及時采取鍋爐MFT（Main Fuel Trip，主燃料跳閘）、打閘汽輪機、跳開滅磁開關等一系列措施，才能在事故狀態下減少設備損傷。大容量機組裝設發電機零功率保護并保證準確可靠動作，顯得非常重要。

1 裝設零功率切機保護裝置的必要性

雖然發電機機組的各種保護措施已經越來越全面，如發電機有過電壓保護、超頻率保護，汽輪機有超速保護，但是這些保護都不能代替零功率切機保護，因為這些保護都不是為專門應對突然甩負荷而設置的。零功率甩負荷后的現象，雖然也包含電壓突升、頻率突升、轉速上升，但是在甩負荷后，由于自動勵磁電壓調節裝置的調壓作用，DEH、OPC 調速作用，電壓、頻率、轉速上升減緩，過電壓保護、超頻率保護、超速保護可能不會動作，或者動作會比較緩慢，不滿足繼電保護快速性、可靠性的嚴格要求。

2 基本原理及邏輯介紹

2.1 基本原理

當機組出現輸電線路全部故障時，會發生功率突降、電流突降，這兩個參數作為甩負荷的主要判據。零功率動作要求功率突降后，主變高壓側有功功率小于故障后功率定值，并且功率突降后任意兩相電流應低于電流設定值。另外，機組電壓和頻率迅速升高，采用電壓升高或頻率升高作為輔助判據，當電壓升高和頻率升高滿足定值時，保護延時出口。當發生短路事故時，正序電壓應保持發電機正序電壓在設定值之下，或者負序電壓高于負序電壓定值，由此可將正序電壓低于定值且負序電壓高于定值，作為保護閉鎖的電壓條件，零功率切機不動作，通過發電機短路保護切除故障。當發電機組輸出功率較小時，盡管正向功率突然低于預期功率，熱力設備隱患事故的出現概率也降低很多。因此，零功率切機保護在運行中，會比較故障前主變高壓側功率是否高于某個恒定值，判定是否需要啟動動作。

2.2 機組運行/停運狀態判據

采用主變高壓側有功功率或電流值，判別主變的運行狀態。

（1）投運狀態。判據為P＞PT或I＞IT。其中，PT為投運功率定值，IT為投運電流定值。

（2）停運狀態。判據為P

（3）上述條件不符時，判斷為不對應狀態，發一般異常報警。

2.3 啟動判別

當電網由于某些不可控因素，發生輸電線路事故時，為確保裝置能可靠地啟動零功率切機保護，從而進入事故判別程序，并在其他工況下不會誤動，裝置采用以下啟動判據：

（1）相電流差突變量啟動。判據為ΔI≥IQD，持續滿足條件5 ms后，該元件動作。其中，ΔI為線電流，IQD為突變量啟動值。

（2）功率突變量啟動。判據為|ΔP|≥PQD，持續滿足條件5 ms后，該元件動作。其中，ΔP=Pt-Pt-0.2s，即指事故后有功功率與事故發生時刻0.2 s 前，有功功率差；PQD為功率突變量啟定值。

（3）以上兩條判據為“或”關系，只要有一條成立就進入啟動狀態。

2.4 動作判據

（1）2.2 條中判定為投運狀態且2.3 條判定為突變量啟動。

（2）事故發生時刻0.2 s 前的功率≥事故前功率定值，并且功率方向為負（即電廠送出）。

（3）事故后的功率＜事故后功率定值。

（4）事故后任兩相電流I0＜投運電流定值IT。

（5）任兩相電流有效值在事故20 ms 前后之差|ΔI|=|Ik-Ik-20ms|≥IQD（突變量啟動定值）。

（6）正序電壓＞正序電壓定值、負序電壓＜負序電壓定值。

（7）正序電壓與啟動前200 ms 正序電壓差值大于定值。

（8）頻率與啟動前200 ms 頻率差值大于定值。

（9）頻率大于定值。

（10）持續時間≥Ts（et動作延時定值）。

啟動后，同時滿足條件（1）～（6）和（10），以及至少滿足（7）～（9）中一條，則零功率切機動作。裝置保護輸入量主要借助主變高壓側電壓互感器、電流互感器的電壓、電流。當發生電壓互感器、電流互感器斷線時，延時5 s 發報警，待異常消失延時5 s自動返回。

2.5 動作出口

零功率切機動作于關閉主汽門、鍋爐MFT、發電機出口開關跳閘（無發電機出口開關的，動作于主變高壓側開關跳閘）、滅磁開關跳閘、并且不啟動發電機出口開關失靈保護（無發電機出口開關的，不啟動主變高壓側開關失靈保護）。

2.6 定值整定

（1）投運電流IT定值。投運電流整定值可按發電機組運行于20%額定功率時，以主變高壓側電流進行整定。

（2）投運功率PT定值。投運功率整定值按發電機組20%額定功率進行整定。

（3）電流突變IQD定值。按躲開系統波動引起的電流變化進行整定，考慮一定的裕度。

（4）功率突變PQD定值。按躲開系統波動引起的有功功率變化進行整定，考慮一定的裕度。

（5）事故前功率定值。應大于發電機的最低出力，事故前功率定值參考整定范圍：0.4～0.8 倍額定功率。

（6）事故后功率定值。應略大于不容許發電機運行的最小送出功率，事故后功率定值參考整定范圍：0.1～0.3 倍額定功率。

（7）正序電壓定值。取非故障情況下可能存在的電壓最低值，參考整定范圍：0.8～0.85 倍額定電壓。

（8）負序電壓定值。一般取0.06～0.09 倍額定電壓。

（9）過頻定值。頻率偏離正常值時加速保護動作，一般整定為50.3～50.5 Hz。

（10）頻率上升定值。一般整定為0.2～0.5 Hz。

（11）電壓上升定值。一般整定為0.06～0.12 倍額定電壓。

3 小結

發電廠長距離輸電線路拉長，從而可靠性也會相應降低。當遭遇暴雨、洪水、泥石流、山體滑坡、線路結冰等不可避免的自然災害時，電廠的長距離輸電回路很有可能斷線、倒桿、相間短路，導致全廠送出功率瞬間到零，造成汽輪發電機組轉速飛升，鍋爐超過工作壓力，發電機變壓器組超壓超頻，對發電機組的主要設備造成很大的威脅。零功率切機裝置能及時安全地將機組停運，保護主要設備安全。