功率變送器失真導致功率負荷不平衡保護誤動作分析

賈光祿,王小輝,薛 菲,楊沛豪

1.山西興能發電有限責任公司 太原 030206 2.西安熱工研究院有限公司 西安 710054

1 故障情況

當電網、外部線路出現故障或汽輪發電機組甩負荷時,實際輸出功率瞬時大幅度下降,會導致汽輪發電機組轉速急劇加快[1-3]。為了避免大型汽輪發電機組轉速突然加快的風險,通常需要配置超速保護[4-5]。

在汽輪發電機組超速保護方案中,為了避免汽輪發電機組實際輸出功率瞬時大幅度下降對電力系統造成污染,通常采用功率負荷不平衡保護。功率負荷不平衡保護雖然能夠維持電力系統平衡,保護電網安全運行,但是由于功率變送器存在測量失真,會導致系統誤動作,引起汽輪發電機組跳閘[6-10]。

針對以上問題,近年來功率變送器的升級與優化成為研究的熱點[11-13]。筆者通過案例對功率變送器失真導致功率負荷不平衡保護誤動作進行分析,并提出相應的解決方案。

2 功率負荷不平衡保護原理

功率負荷不平衡保護指在電網或者外部線路發生瞬時故障的情況下,系統維持汽輪發電機組和電網暫態穩定的一種保護。

在某種原因導致汽輪發電機組實際輸出功率瞬時大幅度下降達到某一限值的情況下,為避免汽輪發電機組超速,設置功率負荷不平衡保護。功率負荷不平衡保護的動作條件是汽輪機機械功率與發電機有功功率之間的偏差超過設定值,一般為30%～40%,且發電機有功功率每10 ms降低40%以上額定功率。保護裝置觸發功率負荷不平衡保護繼電器動作,快速關閉高壓、中壓調節閥,關閉持續時間長短根據電網穩定性、消除故障所需時間、汽輪發電機組特性容量、負荷指令流量特性線性度等來確定,一般為0.5～3 s。關閉一段時間后,高壓、中壓調節閥自動開啟。功率負荷不平衡保護動作的時間比一次調頻晚,但動作的調節幅度比一次調頻大。

功率負荷不平衡保護裝置原理如圖1所示,部件主要包括測速傳感變送器、功率變送器、采集模塊、硬件保護模塊。

圖1 功率負荷不平衡保護裝置原理圖

測速傳感變送器用于采集汽輪機轉速,功率變送器用于采集發電機有功功率,采集模塊用于采集汽輪機機械功率。硬件保護模塊與測速傳感變送器、功率變送器、采集模塊相連,當汽輪機轉速、發電機有功功率、汽輪機機械功率符合預設條件時生成保護信號,根據保護信號執行功率負荷不平衡保護。

功率負荷不平衡保護動作邏輯如圖2所示。三個獨立的測速傳感器分別采集汽輪機轉速,三個獨立的功率變送器分別采集發電機有功功率WT1、WT2、WT3,三個獨立的壓力變送器分別采集中壓缸的進汽壓力P1、P2、P3。進行三取二冗余判斷,當發電機有功功率每10 ms降低40%以上額定功率時,觸發功率負荷不平衡保護繼電器動作,快速關閉高壓和中壓調節閥。當快速關閉高壓和中壓調節閥的時間為Tx時,可避免汽輪發電機組瞬時故障,并且當汽輪機功率與發電機負荷小于偏差限制,通常為40%時,快速打開高壓和中壓調節閥,維持汽輪發電機組的系統功率平衡,避免汽輪發電機組并網開關未斷開時,出現電動機運行狀態不佳或汽輪發電機組跳閘的情況。

功率負荷不平衡保護動作條件為:

P1/Pe-WT1/WT>0.4

(1)

每個汽輪機保護模塊分別接收一個中壓缸的第一級入口蒸汽壓力測點信號和一個發電機功率信號,采用三取二配置,任何一個模塊故障或任何一個信號故障時,保護均不會動作。

3 功率變送器

功率變送器是一種既能測量有功、無功功率,又能計量有功、無功電能的具有雙重功能的測量儀器。功率變送器可以將輸入電壓和電流信號變換為與有功功率、無功功率、功率因數等參數成固定函數關系,方便二次設備使用的測量信號。功率變送器按照輸出特點,可以分為模擬量輸出功率變送器、數字量輸出功率變送器。

3.1 模擬量輸出功率變送器

模擬量輸出功率變送器工作原理如圖3所示,一次轉換器通過傳輸電纜輸出與被測參數成函數關系的模擬量信號,模擬量信號經傳輸系統與二次儀表相連。

模擬量輸出功率變送器時分割乘法器原理如圖4所示,時分割乘法器切割波形如圖5所示。

在時分割乘法器中,待測50 Hz電壓與高頻1 000 Hz三角波經過比較器,產生矩形脈沖,每個脈沖的寬度代表電壓的大小。由圖5可以看出,正弦波最低點對應的脈寬最小,正弦波最高點對應的脈寬最大。一個正弦波被分割成二十個脈沖波,用調制出來的脈沖輸出切割電流波形,形成的面積就是測量功率值。這個功率值是汽輪發電機組功率調整的基礎。

現有汽輪發電機組大多采用模擬量輸出功率變送器,但模擬量輸出功率變送器在系統擾動時存在較大測量誤差,會導致功率負荷不平衡保護誤動作。

3.2 數字量輸出功率變送器

數字量輸出功率變送器可以分為慢速響應數字功率變送器和快速響應數字功率變送器,運行原理如圖6所示,一次轉換器輸出的是與輸入電壓、電流信號瞬時值成正比的數字編碼信號及運算需要的信息,傳輸方式可以是電纜、光纖或無線方式。數字編碼信號經過傳輸系統與數字量輸入的二次儀表相連,二次儀表對數字量進行運算處理,可以得到與被測回路有關的所有參數,如電壓有效值、電流有效值、基波有效值、基波頻率、基波有功功率、諧波電壓、諧波電流、諧波功率等。

圖2 功率負荷不平衡保護動作邏輯

圖3 模擬量輸出功率變送器工作原理

數字量輸出功率變送器采樣波形如圖7所示。由采樣波形可知,數字量輸出功率變送器對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,每一塊都近似成一個長方形。將每一塊的電壓幅值乘以電流幅值,再乘以分割后的時間,得到每一塊的功率。

圖4 時分割乘法器原理

圖5 時分分割乘法器切割波形

圖6 數字量輸出功率變送器運行原理

圖7 數字量輸出功率變送器采樣波形

數字量輸出功率變送器從交流采樣開始都由微處理芯片程序進行處理。在芯片的編程中,人為濾除輸入突變信號,并對穩態測量值做濾波處理,使功率變送器的輸出更加穩定,受外界突變信號的干擾影響小。

慢速響應數字功率變送器在40～60 ms系統擾動期間的測量功率高于實際值,當系統發生單相接地、相間短路、接地短路時,功率負荷不平衡保護不會誤動作。當系統發生三相短路時,功率負荷不平衡保護可能誤動作,但系統發生三相短路的比例較低,220 kV及以上電網系統發生三相短路的比例低于2%,電廠升壓站及出線發生三相短路的比例接近于零,功率負荷不平衡保護誤動作的概率很低。

相比模擬量輸出功率變送器和慢速響應數字功率變送器,快速響應數字功率變送器在系統擾動時的測量值更接近實際值。但受內置測量電流互感器比值和相角誤差影響,快速響應數字功率變送器也存在測量誤差。若電廠不采取功率負荷不平衡保護防誤動作措施,快速響應數字功率變送器產生測量誤差,仍可能導致功率負荷不平衡保護誤動作。

4 案例分析

從近十年相關電廠運行情況來看,傳統功率變送器主要存在四個方面的問題:抗干擾能力差、暫態特性差、勵磁涌流與和應涌流的影響、缺少二次回路斷線閉鎖功能。

4.1 抗干擾能力差

目前,國內外功率變送器產品普遍存在抗電磁干擾能力差的問題,外部干擾易造成機組誤停機。

某300 MW機組在219 MW負荷運行時,因升壓站開關操作引起電壓電流瞬時干擾,導致機組數字式電液控制系統功率變送器輸出大幅突變。數字式電液控制系統內部功率偏差回路大于60 MW,導致數字式電液控制系統內部快速負荷返回回路動作,機組功率在23 s內由219.54 MW快速降低至110 MW,后由于透平壓比低保護動作,機組跳閘。

某600 MW機組的功率負荷不平衡保護采用有功功率變送器,在2008年首次啟動和運行一年首次大修后啟動試驗時,多次發生功率負荷不平衡保護誤動作,原因皆為試驗期間對講機干擾導致功率變送器輸出異常。

4.2 暫態特性差

電網出現瞬時故障時,由于功率變送器暫態特性差,導致數字式電液控制系統誤調節,造成系統內相關電廠出現功率大幅度波動,從而引發汽門快控誤動作,機組停機。

2009年10月25日發生一起線路故障,導致附近某電廠600 MW機組自動發電控制調頻異常動作,機組負荷異常波動,最終退出自動發電控制方式。類似故障在該電廠發生多次,該電廠為發電機變壓器線路組接線,與系統變電所距離較近。當系統發生故障時,電廠母線電壓有較大幅度降低,同時出現較大故障電流。電流沒有明顯升高,但電壓降低較大,導致功率變送器采樣錯誤,輸出至自動發電控制的功率值與實際功率嚴重不符。從錄波曲線看,機組功率突然大幅降低甩負荷,導致自動發電控制誤動作,最終退出自動運行。

另一起案例,某電廠九號、十號機組汽輪機為東方汽輪機廠制造的N300-16.7/538/538型汽輪機,數字式電液控制系統采用OVATION產品。2010年某日,九號、十號機組負荷分別為288 MW和290 MW,因機械誤碰,電廠出線發生C相接地故障,二次重合閘不成功,九號、十號機組幾乎同時因數字式電液控制系統中的功率負荷不平衡保護功能動作,導致所有調節汽門快速關閉。九號機組發生主燃料跳閘,十號機組發生發電機逆功率保護動作,均導致汽輪機跳閘。電氣側功率測量數據表明,故障時,兩臺機組功率波動均沒有超過90 MW,均不滿足使功率負荷不平衡保護動作的條件,但數字式電液控制系統卻發出功率負荷不平衡保護動作指令。

4.3 勵磁涌流與和應涌流的影響

許多電廠基本上都是兩臺或兩臺以上機組運行,當其中一臺機組運行,一臺機組做主變壓器空投試驗或并網時,會產生較大的勵磁涌流,也會產生一定的和應涌流,此時,由于受和應涌流中衰減直流分量的影響,正常運行機組的有功功率變送器不能正確傳變,導致汽門不停調節,嚴重時會出現跳閘。涌流引發機組振蕩跳閘過程如圖8所示。

圖8 涌流引發機組振蕩跳閘過程

2015年5月21日,某廠2×1 000 MW機組進行四號主變壓器沖擊,三號機組跳閘。電氣與熱控人員對三號機組數字式電液控制系統中電氣送至熱控的三個功率變送器輸出信號的趨勢進行分析,發現在四號主變壓器沖擊瞬間,三個功率變送器的輸出發生了突變,沖擊前三個功率變送器的輸出功率分別為404.4 MW、404.9 MW、405.7 MW,輸出功率基本一致,在沖擊瞬間,三個功率變送器的輸出功率分別突變為90.8 MW、89.3 MW、64.8 MW,持續時間1.0 s,之后又分別突變為269.2 MW、346.6 MW、293.2 MW,造成數字式電液控制系統調節出現問題。

2011年12月24日,某2×1 000 MW機組并網瞬時引起二號機組定子電流增大約10%,二號機組三相有功瞬時波動約20%,造成三個傳送至分散控制系統的功率變送器功率信號瞬時波動,分數控制系統采集到的功率反饋信號瞬時偏差大,功率反饋信號質量判斷模塊判斷功率信號故障,使鍋爐主控切為手動。

2014年10月,某電廠600 MW機組一臺主變壓器空投時,導致另外一臺正在運行的主變壓器產生和應涌流,和應涌流中含有明顯的衰減直流分量,使發電機機端測量級電流互感器飽和,波形嚴重畸變,不能正確傳變實際電流值。功率變送器由于采樣不到正確的暫態電流,無法為發電機功率自動調節系統提供準確的功率計算值,導致汽門不停調節,嚴重影響機組穩定運行。

2010年5月21日19時左右,某燃氣發電廠四號機組在對主變壓器全壓沖擊時,正在滿負荷運行的三號機組出現功率超限報警,引起三號機組保護動作而跳閘。事后檢查分散控制系統功率記錄曲線,發現在跳閘瞬時三號機組反映到分散控制系統的有功功率測量值達625 MW,已超出量程上限,而該機組跳閘前各主要參數均未出現異常。

4.4 缺少二次回路斷線閉鎖功能

目前,許多電廠功率變送器接入的都是同一組電流互感器、同一組電壓互感器或同一電源,當電流互感器、電壓互感器斷線或電源異常時,不可避免會出現功率失真問題。此外,功率變送器也沒有電流互感器和電壓互感器斷線報警功能。

2015年5月,某電廠1 000 WM機組跳閘,該廠一號機組已經投入商業運行,正常工作帶900 MW負荷,突然出現電壓互感器斷線,導致電氣功率為零,觸發熱工功率負荷不平衡保護動作,主汽門快關,2 s后主汽門再打開,再次觸發功率負荷不平衡保護動作,造成電網負荷劇烈波動。

需要注意的是,常規的功率變送器只有傳變功能,不能進行事件記錄,無法進行事故回放,不利于問題分析和排查。

根據國標要求,反應時間應短于400 ms,目前功率變送器普遍的反應時間為250～300 ms。由于功率變送器的滯后作用,將導致功率負荷不平衡保護動作時間相應滯后,從而錯失事故發生初期最關鍵的動作時機,導致轉速超調量大于甩負荷試驗時的超調量。

5 功率變送器失真應對措施

5.1 加裝濾波裝置

針對諧波干擾引發功率變送器失真問題,可在功率變送器前加裝濾波裝置,從濾波角度考慮消除諧波干擾。通過加裝有源濾波線性放大裝置,輸出恒流或恒壓模擬量,使功率變送器功率傳輸不失真。

5.2 降低涌流概率

為了防止勵磁涌流與和應涌流造成功率變送器失真導致機組跳閘,電廠機組并網或者空充主變壓器時,提前將正在運行的機組數字式電液控制系統自動調節解除,待并網或主變壓器空充完成時再將數字式電液控制系統自動調節投入,由此避免涌流的影響。這一措施可降低產生和應涌流的概率。

5.3 使用數字量輸出功率變送器

數字量輸出功率變送器的暫態特性及響應速度優于模擬量輸出功率變送器,具有以下優點:① 具有數字濾波環節;② 對功率計算結果進行平滑,減小暫態過程和干擾的影響;③ 響應時間短于250 ms;④ 具備錄波功能,便于異常分析。將輸入量幅值從100%標稱功率突然快速提高至200%標稱功率,或者突然快速降低至零,持續100 ms后快速恢復至100%標稱功率,變送器輸出的最大改變量不得大于0.5%。施加100%標稱功率范圍內的輸入量保持不變,等待變送器輸出穩定后,在任意一相交流電流輸入信號中疊加一個直流電流分量,其幅值等于100%標稱交流電流,持續100 ms后去除該直流電流分量,變送器輸出的最大改變量不得大于0.5%。新建機組和在運機組功率變送器到期更換時,建議選用數字量輸出功率變送器。

若機組測量電流互感器無儀表保安系數,且實測伏安特性與P級電流互感器相似,則可采用單通道數字量輸出功率變送器,接測量電流互感器。為防止系統擾動時功率負荷不平衡保護誤動作,國內部分電廠采用雙通道數字量輸出功率變送器,接測量電流互感器和保護電流互感器,正常運行時采用測量級電流互感器數據,系統擾動時采用保護電流互感器數據。考慮到數字式電液控制和發電機變壓器組保護的重要性,變送器電流互感器和保護電流互感器應獨立,變送器接測量級電流互感器和錄波器用P級電流互感器,不串聯保護電流互感器,以免擴大運行及檢修風險。如有條件,變送器與錄波器串聯的電流互感器可選用TPY級。

5.4 措施對比

當發生區外故障時,用于變送器的測量級電流互感器發生飽和,加裝濾波裝置的功率變送器無法正確傳變電流值,導致變送器功率傳變信號發生畸變,影響加裝濾波裝置的功率變送器在某些工業場合的應用。

機組并網或者空充主變壓器時,提前解除機組數字式電液控制系統自動調節,待并網或者主變壓器空充完成時再將數字式電液控制系統自動調節投入,這種措施只能降低功率變送器失真的概率,同樣無法解決區外故障時暫態過程對數字式電液控制系統的影響。

使用數字量輸出功率變送器是目前解決功率變送器失真的主要手段,數字量輸出功率變送器技術成熟,暫態性能好,響應時間短,抗干擾性能強,已在多個電廠得到應用。

6 結束語

筆者介紹了功率負荷不平衡保護原理及動作邏輯,通過案例分析了功率負荷不平衡保護誤動作的原因,并且提出了應對措施。采用數字量輸出功率變送器,可以有效消除功率負荷不平衡保護誤動作的影響因素,避免汽輪機超速,保障電網安全運行。