大型發電機組零功率切機保護的實踐應用

朱永暉

（上海濟閎環保科技有限公司，上海 200124）

引言

隨著我國電力建設的蓬勃發展，出現了越來越多的大型發電機組，這些都無一例外的采用了高壓遠距離輸送技術，采用先進技術的同時，也對電力輸送的安全帶來了巨大挑戰[1]。當輸電線路故障使功率無法送出時，發電機發生功率突降為零，此時，如果機組保護不能快速、可靠動作，會產生嚴重后果。配置零功率切機保護不僅能夠解決在輸電線路故障時，機組能快速動作切除故障，防止后續故障擴大化，保障機組生產安全，同時也能解決輸電線路在事故后熱過載和線路的穩定性問題[2]。

1 零功率切機保護裝置概述

某電廠為2 臺600 MW 發電機組，發變組采用GE公司UR 系列的保護，穩定運行多年，根據現場設備配置，為滿足反措要求確定在主變T60 保護裝置中采用自定義編程的方式增設零功率切機保護，用以滿足在機組正功率突降時，發電機機端保護沒有動作情況下的快速安全停機，該保護動作于全停出口。

2 零功率保護原理

零功率切機保護可以分為起動、判別條件和閉鎖條件三個邏輯部分，并動作于信號和全停出口，見圖1。

圖1 零功率切機保護邏輯圖

2.1 起動部分

當輸出線路發生故障時候，主變由于沒有了功率輸出，輸出的正向功率會產生突降，同時主變高壓側的電壓、發電機組的頻率也會快速升高，采用的變化量作為起動量來判斷，兩者構成“或”關系,由于保護裝置沒有固定的保護元件，因此需要選用FLEXELEMENT 靈活元件來實現。

另外，當機組發生正功率突降時，實際的輸出功率大于給定值時必須瞬時動作切除故障。因此P＞Pset.1也是另一個起動的重要條件，同理選用靈活元件與前一起動條件并列構成“與”輸出關系。

為保證保護在動作過程中故障條件的可靠性以及保障情況下保護動作的可靠性，圖1 中的ΔU（FE1）、ΔF（FE2）和P＞Pset.1(FE3)靈活元件都是瞬時動作，總體的保護動作條件需要瞬時動作并且延時返回，延時的時間大于整個故障的周期，具體可對t1 進行整定。在邏輯圖1 中FE1、FE2、FE3、t1 構成了整個零功率切機的起動部分。

2.2 判據條件部分

判據部分由以下幾部分組成，來判斷哪些是故障，哪些可能是誤動信號，相互之間為“與”關系。

2.2.1 機組功率小于Pset.2。當輸出線發生故障時，功率無法輸出，主變高壓側的功率會突降至零，所以要設0＜P＜Pset.2的條件，其中P＞0 是為了躲過系統發生振蕩時保護誤動。在邏輯圖中，FE4 靈活元件可以編輯成0＜P＜Pset.2判據，信號源選用主變高壓側。

2.2.2 主變高壓側電流判據，即ΔI 的突降判據。當線路故障，主變正功率突降時，高壓側的電流突降為零，可以用靈活元件FE5 來反應電流的變化率。

2.2.3 發電機機端電流任意兩相電流小判據。主變正功率突降時，低壓側三相電流為零，此時可以用AB、BC、CA 相的任意兩相電流小來實現，保護裝置中，采用相延時過流元件分相進行邏輯編輯，在邏輯圖中，相延時過流1 元件構成這一判據。

說明：（2.2.2）和（2.2.3）判據不取用同一CT 回路的二次電流，故（2.2.3）判據取主變低壓側電流或發電機出口側電流。

2.2.4 高壓側電壓U1＞Uset判據。在正功率突降時，高壓側三相電壓升高，電壓的平衡性不會減少，所以可選用高壓側正序電壓U1＞來判別，在邏輯圖中，FE7 構成這一判據。

2.3 閉鎖條件部分

當發生主變正功率突降時，機組三相電壓都是平衡狀態，不會有任何不平衡條件，所以采用U2負序電壓作為閉鎖條件，來防止其他不對稱故障對該保護的誤動。在邏輯圖中，由FE6 構成閉鎖判據。

3 參數整定

3.1 起動部分

分析整定：頻率變化的數值與PG*大小有關。同時，當發生輸出故障，產生正功率突降時，本側機組的頻率要升高，根據導則和經驗，M 可取10 s，因此Tf較大，由于Tf和PG*成反比，所以在低負荷狀態，Tf會更大，由此可求得值就是t=0 時候的方程式的值，所以：

根據式（2），當PG=20%PN時，=0.9 Hz/s，所以設＞靈活元件的定值為0.28，靈活元件FE2 整定為0.28 pu(pu 為每單位，可自動根據所選擇信號源的內容確定單位,本定值表示Hz/s)。

FE2 的時間整定：在頻率變化過程中，DEH 也會參與調節，所以取元件的整個動作過程時間為1 s，在1 s 內，當頻率的變化率達到0.28 Hz＞元件就啟動。

3.1.3 P＞Pset.1元件（FE3 實現）：根據公式：Pset.1=25%PN=25%×600=150 MW，而高壓側CT 變比為4000:1,PT變比為500 kV:100 V，所以，Pset.1j=7.5 W，所以FE3 設置值為0.13 pu,此處pu 為單位功率。

3.1.4 時間元件（TIMER1）：考慮到整個保護動作條件的可靠性和整個保護動作時間內各元件的相互配合，設置延時返回，時間取1.5 s，即t1reset=1500 ms。

3.2 判據部分

3.2.1 0＜P＜Pset.2判據（FE4 實現）：當發生正功率突降后，CT 二次電流會逐步衰減，Pset.2作為基本條件，應取發電機可承受的最大不平衡輸出。一般取8%～12%之間，對600 MW 機組而言，則取10%，Pset.2=10%×600=60 MW，由于CT 變比為4000:1，PT 變比為500 kV:100 V，則Pset.2=3 W，所以FE4 設置值為0.052 pu。

式中：I10a為故障前的電流，τ 為電流衰減時間常數。所以ΔI1等于I10a-I'10a.1，該判據動作條件為ΔI1＞ΔIset，取I10a=25%IN，IN為機組額定情況下主變高壓側電流，τ=0.2s，t=0.5 s，則由ΔI1＞ΔIset和式（4）計算得：ΔIset＜23.5IN，因此元件的整定取20% IN，即，ΔIset=146.6 A，折算到二次值，ΔIset=0.037 pu，Δt 取0.5 s。需要指出的是,當發電機帶的負荷越大，保護元件動作延時越小，Δt對ΔI1的動作速度無影響。

3.2.3 機端任意兩相電流小判據（相延時過流1 元件實現）：機端任意兩相電流小于Iφ.set的表達方式如邏輯圖1所示：Iφ.set為機組正常運行時機端最低負荷電流，為保證動作可靠性，應滿足：

在Δt=0.5 s 范圍內，取τ=0.2 s，根據式（5）得Iφ.set=11.6%IN，所以選取Iφ.set=20%IN=3849 A，折算到二次值，Iφ.set=0.154 pu，pu 為5 A。

3.2.4 主變高壓側U1＞Uset判據(FE7 U1＞): 取Uset=85%×57.7=49 V，折算到二次值，Uset=49/57.7=0.85 pu，pu 為57.7 V。

3.2.5 時間元件整定（TIMER2、TIMER3）：保護動作后，動作于發信和全停，TIMER2 發信，TIMER3 全停，整定值：0.1 s/8 s。

3.3 閉鎖部分（FE6 U2＞實現）

正常情況下，系統不會產生負序電壓，因此，按電壓躲過機組最小不平衡電壓計算，取6%，即U2set=6%×57.7=3.46 V，折算到二次值，U2set=0.06 pu。

4 跳閘出口定義和配置

跳閘出口設置：根據T60 保護裝置的輸出接點，分別把零功率切機保護的發信和跳閘的虛擬輸出加入到相應的接點輸出中，一路去DCS 發信，另一路去全停跳閘回路啟動跳閘繼電器，跳閘邏輯，見圖2。

圖2 零功率切機保護跳閘示意圖

5 零功率切機保護邏輯優化后在不同工況下的動作行為分析及注意點

5.1 注意點

當廠內進行發電機做甩負荷試驗時，該保護根據現場實際情況，會動作，此時需要退出該保護，或者設置單獨的保護壓板進行投退。

5.2 動作行為分析

下面就發電機的不同的停機方式，分析零功率切記保護在該方式下的表現。

5.2.1 發電機振蕩。當發電機發生振蕩時，功角在0°～360°之間周期變化。當角度在0°～180°變化過程中，電流突降，判據不動作，所以保護不會動作。當角度在180°～360°變化過程中，由于此時發電機有功功率方向相反，P 小于0，不滿足邏輯判據，因此保護不會誤動[3]。

5.2.2 發電機程跳。在發電機關主汽門，程序逆功率動作跳閘前，由于高壓側開關仍然處于合閘位置，發電機處于并網狀態，此時主變高壓側電壓、頻率和系統電壓、頻率保持一致，保護不會啟動。當程跳時，逆功率保護動作關主汽門，此時功率方向相反，根據判據，保護也不會動作。因此，當發電機發生程序跳閘時，零功率切機保護不會發生誤動。

5.2.3 發電機正常停機。當發電機正常停機時，主變高壓側的電壓還是維持原來數值不會變化太大，且電流會緩慢下降，由于電流下降較慢，不會突變，達不到△I 的判據，因此，保護不會動作。

6 結論

通過可編程邏輯實現的零功率切機保護經過試驗，包括模擬上述一些工況下保護是否會拒動、誤動等測試后，該自定義保護的邏輯和出口均可滿足實際要求和規程要求。通過改造，完善了保護的功能，滿足了安全生產的需求，同時沒有額外增加硬件設施和更改設備型號，也節約了成本，還減少了外回路的改動，保證了動作的可靠性。現今，大部分電力企業都采用同桿架設的電力輸送方式，這樣可以減少架設線路占用的空間，降低成本，縮短建設進度，但帶來好處同時也對線路通道的故障帶來了隱患。當大型機組在運行過程中，尤其在滿負荷情況下發生正功率突降時，由于發變組無其他保護動作，發電機沒有滅磁，機組超速，超壓，會對汽輪機造成嚴重影響，并且會嚴重威脅機組的安全。隨著大型機組送出負荷問題的不斷出現，為了解決此問題，配置零功率切機保護說十分必要和重要的，為此，零功率切記保護將會普及到大部分火力發電廠以確保機組的安全穩定運行。