发电机零功率保护切机装置的应用

苗春华

(云南大唐国际红河发电有限责任公司，云南 开远 661600)

发电机零功率保护切机装置的应用

苗春华

(云南大唐国际红河发电有限责任公司，云南 开远 661600)

当电厂进出线路事故跳闸或者开关偷跳，机组的有功功率突降至0时，会造成汽轮机组超速、机组过电压。介绍机组保护存在的问题，分析加装零功率保护切机装置的必要性及其工作原理，提出加装零功率保护切机装置的改造方案。实际应用效果表明，该装置可防止汽轮机超速、端电压上升，达到安全停机的目的。

汽轮发电机组；零功率保护；超速；过电压；灭磁

0 概述

某公司2台300 MW机组于2006年相继投运。2台机组均采用发电机-变压器-线路组单元接线方式，汽轮机为亚临界机组，系统设置2条出线(唐红I回线、唐红II回线)，接入220 kV红河开关站，电厂不设升高电压母线，不装发电机出口断路器，采用单一走廊同杆并架设计方案。1号机主接线如图1所示。

图1 1号机主接线示意

1 机组保护存在的问题

当发生下列故障时，线路保护动作方式只跳线路侧断路器，机组保护不能动作，不跳发电机，不关主汽门，锅炉不灭火。

(1) 对侧变电站母线故障或其他原因导致对应的线路停电。

(2) 断路器失灵保护动作。

(3) 本侧及对侧开关偷跳、误跳。

(4) 控制及保护等自动装置误动作。

(5) 系统解列保护停线未停机。

(6) 其他原因造成的发电厂输电通道断开，发电机不能全停。

2 加装零功率保护切机装置的必要性

随着我国特高压、大电网的建成，在电力输送通道建设中大量采用了紧凑型线路、同杆架设、远距离输电、串联补偿、中间开关站等各种技术，减少了线路数量，节约了线路走廊。这些新技术的使用，为功率的稳定输出提供了有效的保证；但也造成输电线路故障增多，导致机组无法输出功率，对机组热力设备等产生危害和不良影响。

大型汽轮机组多为超临界或超超临界机组，由于其蒸汽参数高、流量大，转子转动惯量大，当机组满载情况下发生正功率突降(如唯一的送出线发生故障跳开等)时，机组转速会迅速上升，主变高压侧电压会迅速升高，锅炉水位会急剧波动。此时，由于一般的机组保护不能动作，发电机不能灭磁、锅炉不能灭火，汽轮机超速保护将针对超速进行保护和控制。当机组功率突降为0时，汽轮机转速上升，OPC(Over speed Protect Controller，超速保护控制单元)保护103 %超速动作并快速关闭高中压调节汽门，随后转速开始下降，机组从超压、超频逐渐转变为低频。当转速降到2 950 r/min时，调节汽门重新开启，转速再次上升。在此过程中，DEH处于自动状态，容易出现反复“振荡”现象，甚至可能出现频率摆动过程，对汽轮机叶片也会造成伤害。因此，当发生汽轮机组正功率突降时，如不及时采取锅炉熄火、关闭主汽门、灭磁等一系列措施，必将严重威胁机组安全，甚至损坏热力设备。可见，在大型机组上应用功率突降切机装置是十分必要的。

近些年来，个别电厂已出现因电厂输出功率突然缺失而导致发电机组热力设备不同程度损坏的事件。如：江苏沙洲电厂600 MW机组锅炉因输出功率缺失而爆管；陕西府谷电厂600 MW机组、河北沧东电厂600 MW机组功率缺失后未能快速稳定停机；广东某电厂6台135 MW机组功率缺失后导致孤立网系统振荡，直至瓦解。

该公司主系统接入方式易因线间故障等多种原因造成机组无法输出功率，解列不停机，引起汽轮机超速，对机组热力设备等产生危害和影响。因此，提出了加装零功率保护切机装置的改造方案。

3 零功率保护切机装置工作原理

零功率保护切机装置工作原理：利用正向功率突降过程中的电气特性，如电流突降、电压突增、频率突增、有功功率突降等构成逻辑判据。当机组在调速系统和励磁系统正常运行时，如果突然甩负荷，发电机各电气量会发生变化，可根据变化量来判别是正常停机还是异常事故。零功率保护切机装置动作后，迅速切换厂用电并对发电机灭磁，同时作用于锅炉灭火保护“MFT”和汽机紧急跳闸保护“ETS”。对于个别有条件安装FCB(Fast Cut Back，负荷快速切回)功能的电厂，可动作于启动FCB功能，将机组稳定于带厂用电解列运行状态；待输电通道恢复后可快速并网，以此起到防止汽轮机转速飞升，快速灭磁防止端电压升高的作用。

发电机零功率切机装置采集发变组单元的电压和电流量构成保护判据，由启动判据、动作判据、闭锁判据3部分组成，无需任何开关辅助接点，具有突出的优势。

其中，启动判据为：系统侧任一相电压突增且大于定值2.1 V；或机端侧任一相电压突增且大于1.27 V；或任一相频率突增且大于定值0.7 Hz，同时有功功率大于25 % Pn且负序电压闭锁条件满足时，保护装置启动。

动作判据为功率突降为15 % Pn(作为零功率)，系统侧、机端均过压且大于49 V，主变高压侧电流突降且突降量大于定值0.7 A，任意2相机端低电流小于0.68 A，满足机端负序电压、系统侧负序电压均小于3.5 V时，装置动作出口，经延时0.1 s后出口全停。

该装置优点如下：

(1) 纯电气量判据，可靠性高；

(2) 完善的保护判据，采用功率、频率、电压等综合判据，设计合理，判据完善；

(3) 多重辅助判据，可防止PT或CT断线造成误动。

该装置逻辑如图2所示。

图2中:PG表示发电机有功功率;Pset2表示电发机正向低功率定值;ΔIt1表示主变高压侧电流突降量;ΔIt1set表示主变高压侧电流突降定值;Ifa、Ifb和Ifc为发电机各相电流;Iψset为发电机机端低电流定值；Ut1和Uf1为主变高压侧和发电机正序电压;U1set为正序电压定值1;Ut2和Uf2为主变高压侧和发电机负序电压;U2set为负序电压闭锁定值2。

4 改造方案及注意事项

4.1 改造方案

加装发电机零功率保护功机装置作为发变组保护的补充，其改造方案如下。

(1) 零功率保护切机装置机端电压取自于发变组B套保护，并联而成；零功率保护切机装置机端电流取自于发变组B套保护，串联而成。B套保护是国电南京自动化公司生产的保护屏。

(2) 系统侧电压取自于B套保护，并联而成；系统侧电流取自于B套保护，串联而成。

4.2 切机方案

国内学者普遍将大学生“蚁族”定义为具有高智、弱小、群居等特点的大学毕业生，他们的生活环境差、生活水平不高。然而这样的定义有失偏颇，笔者认为可以将具有这些特点的大学毕业生分为两种：一种是“被蚁族”的大学毕业生，这一部分毕业生不悲观于眼前的状况，甚至对未来充满希望，他们认为“蚁族”只是人们给予他们的标签，他们自身并不认可这一标签；而另一种则是“蚁族”大学毕业生，这一部分大学毕业生盲目选择城市与工作之后，陷于理想与现实的矛盾冲突中，带有悲观情绪，对未来越发迷茫。在本文中笔者将重点讨论第二种“蚁族”大学毕业生。

由于该公司机组接线方式简单，为单元接线机组，没有出口断路器，没有母联开关，所以出口方式也比较简单。当零功率保护切机装置动作后，作用于全停，切换厂用电、灭磁，同时关主汽门并启动机炉联锁(防止机组转速飞升)。

4.3 注意事项

(1) 零功率保护切机装置投运前，先将装置投信号位(跳闸出口压板退出)，运行2个月后，如无异常，即可投跳闸。

(2) 零功率保护切机装置正式投入运行后，在锅炉压火前或者机组进行甩负荷试验时，需要将零功率保护功能压板及跳闸出口压板退出，防止负荷突降引起零功率保护误动作。

(3) 在正常运行过程中，如果需要对零功率保护切机装置单独进行试验或二次回路有故障时，应退出零功率保护出口跳闸压板，防止误动作。

5 零功率保护切机装置实际应用效果

安装零功率保护切机装置1年后，发生了由于系统侧电压电流的波动，引起零功率保护启动的现象。经过与厂家沟通，对保护定值进一步核查、审核，最后对装置进行升级，由1.00版本升级为1.10版本。升级后的版本增加了保护抗干扰等功能，该装置目前运行良好，起到了可靠的保护作用。

6 结论

防止汽轮机超速是重点反措项目，是保证机组安全的一个重要方面。大型发电机组均应装设零功率保护切机装置，作为防止汽轮机组超速、端电压上升的一个必备手段。

1 乔永成，寇海荣，王云辉，等．发电机零功率保护[J]．电力自动化设备，2011，31(5)：14-151．

国家能源局发布2017年2月份全社会用电量

2月，全社会用电量4 488亿kWh，同比增长17.2 %。

1—2月，全国全社会用电量累计9 356亿kWh，同比增长6.3 %。分产业看，第一产业用电量134亿kWh，同比增长12.0 %；第二产业用电量6 327亿kWh，增长6.7 %；第三产业用电量1 428亿kWh，增长7.3 %；城乡居民生活用电量1 467亿kWh，增长3.5 %。

1—2月，全国发电设备累计平均利用小时为578 h，同比增加3 h。其中，水电设备平均利用小时为397 h，减少49 h；火电设备平均利用小时为678 h，增加21 h。

1—2月，全国电源新增生产能力(正式投产)1 614万kW。其中，水电192万kW，火电787万kW。

（来源：国家能源局网站 2017-03-20）

2016-08-06；

2016-11-01。

苗春华(1974—)，女，工程师，主要从事电力系统继电保护和自动装置的研究工作，email：miaoch3044@sina.com。