電網(wǎng)故障對發(fā)電機組的影響及發(fā)電機組側(cè)應(yīng)對措施

朱小東，宋強，魏巍，周虹任

（內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏蘭察布市，013700）

0 引言

發(fā)電、輸電和用電是一個整體，生產(chǎn)與消費瞬間同時完成，三者緊密相連，任何一方出現(xiàn)問題都可能影響到其他方面，甚至造成局部電網(wǎng)或者整個電網(wǎng)崩潰。所以當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者處于異常工況時，各方在保證自身安全的基礎(chǔ)上，必須互相配合，才能夠使整個電網(wǎng)安全，從而真正實現(xiàn)各自的安全。本文將對電網(wǎng)常見故障進行實例分析，針對不同類型故障，提出發(fā)電機組側(cè)應(yīng)該采取的適應(yīng)措施。

1 系統(tǒng)概況

岱海電廠500 kV主接線方式為3/2接線，如圖1所示。一、二期4×600MW機組共有4回進線，2回出線，構(gòu)成3個完整串。4回進線分別為1、2、3、4號發(fā)變組進線；2回出線分別為海萬Ⅰ回線、海萬Ⅱ回線。雙回500 kV輸電線路設(shè)計為緊湊型，線路長度約202.5 km。為了提高運行的可靠性和靈活性，500 kV系統(tǒng)第1串采用進出線交叉接線方式。

2 電網(wǎng)頻率變化影響

系統(tǒng)頻率異常會帶來很多危害，例如可使汽輪機葉片振動加大，引起斷裂。頻率降低，火電廠機械設(shè)備出力降低，發(fā)電機出力下降，引起電網(wǎng)頻率進一步下降，可能引發(fā)頻率崩潰。低頻增加了異步電動機和變壓器勵磁電流，增加消耗無功，引起電壓下降，引發(fā)電壓崩潰。電力系統(tǒng)的頻率異常對電力系統(tǒng)、電廠和用戶都不利[1]。

2.1 電網(wǎng)頻率變化對發(fā)電機組影響實例分析

機組運行工況：自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）未投入，協(xié)調(diào)控制方式（coordinated control system，CCS），一次調(diào)頻功能投入，汽輪機單閥運行方式，負荷600MW，高調(diào)門開度為32％。

故障現(xiàn)象：華北電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定，其中1次由50.07 Hz快速下降至49.96 Hz。機組一次調(diào)頻動作，參與系統(tǒng)周波調(diào)節(jié)，高壓調(diào)門開大，主蒸汽流量變大，壓力降低。主蒸汽壓力下降速度大于增加煤量所補充的壓力，調(diào)門開到34％后到達拐點位置，開始大幅度擺動，造成蒸汽壓力和流量不穩(wěn)定，負荷波動達到100MW。

處理過程：當(dāng)找到問題所在之后，立即對汽輪機主調(diào)門進行限位。至此，由于電網(wǎng)頻率變化引起機組負荷和調(diào)門大幅擺動的現(xiàn)象消失。此時一次調(diào)頻仍舊投入，調(diào)門開度限位至34％。主調(diào)門限位之后，在保證快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化的前提下，保證了機組的安全、穩(wěn)定運行。

2.2 發(fā)電機組應(yīng)對電網(wǎng)頻率異常的措施

發(fā)電機組一次調(diào)頻正常情況下，必須投入。電網(wǎng)中投入一次調(diào)頻的機組越多，各發(fā)電機組一次調(diào)頻越可靠，電網(wǎng)就能越穩(wěn)定，從而保證各發(fā)電機組的運行安全。

新建發(fā)電機組的汽輪機主調(diào)門拐點必須進行限位，這樣才能在保證自身安全的情況下，維持電網(wǎng)穩(wěn)定。否則，機組一旦因為調(diào)門擺動引起次生事故甚至掉閘，會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的更大波動。

當(dāng)電網(wǎng)頻率擺動過大時，應(yīng)該及時聯(lián)系調(diào)度值班員，并且按照規(guī)程要求操作，必要時機組緊急停運，防止汽輪機永久傷害發(fā)生[2]。

3 線路故障及處理

岱海電廠4×600MW機組通過2回500 kV出線（海萬Ⅰ回線、海萬Ⅱ回線）送至萬全變電站，通過萬順三回線送至順義，直接接入京津唐電網(wǎng)。岱海電廠配備有安穩(wěn)裝置，其作用在于輸電線路發(fā)生故障時切除相應(yīng)機組，避免蒙西電網(wǎng)機組相對于華北電網(wǎng)機組加速振蕩，從而保證華北電網(wǎng)主系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。主要考慮以下幾種故障工況情況下切機動作：海萬雙線N-1故障切機、萬順三回線N-2故障切機、萬順三回線N-3故障切機。由華北電網(wǎng)所下達的定值單可以看出：開3臺機海萬N-1故障時保留機組臺數(shù)為3，開4臺機海萬N-1故障且總負荷大于2 200MW時保留機組臺數(shù)為3。萬順N-2故障保留機組臺數(shù)為1，萬順N-3故障保留機組臺數(shù)為0。本文通過2個實例說明線路故障跳閘對岱海電廠的影響。

（1）實例1：海萬雙回線跳閘，導(dǎo)致岱海電廠機組全停[3]。

故障前500 kV線路及各機組運行工況：大風(fēng)、陰天，500 kV I、II母運行，海萬Ⅰ回線、海萬Ⅱ回線線路運行，5021開關(guān)、5022開關(guān)為冷備狀態(tài)。1、3、4號機組運行，負荷各為510、300、600MW（2號機組C級檢修后啟動定速在3 000 r/m in，等待做試驗，尚未并網(wǎng)）。

海萬雙回線跳閘故障原因：由于惡劣天氣影響，500 kV海萬雙回線相間故障，導(dǎo)致500 kV海萬雙回線相繼掉閘，岱海電廠運行機組全部掉閘。

（2）實例2：萬順三回線故障，導(dǎo)致安穩(wěn)動作切除2號機組。

故障前500 kV線路及各機組運行工況：岱海電廠3個完整串運行。海萬Ⅰ回線負荷369MW，海萬Ⅱ回線負荷367MW。1號機組負荷396MW，2號機組負荷400MW，3、4號機組停運。

萬順三回線故障原因：500 kV系統(tǒng)萬順三回線相繼發(fā)生故障，安穩(wěn)裝置此時應(yīng)切除岱海所有運行機組。根據(jù)華北電力調(diào)度通信自動化中心的安排，當(dāng)發(fā)生萬順N-3故障時，保留岱海1臺機組運行，故1號機組安穩(wěn)切機壓板未投入，此時只切除運行的2號機組。

岱海電廠2回出線所在地氣候非常惡劣，應(yīng)當(dāng)協(xié)助電網(wǎng)工作人員排查該線路的微地形、微氣候區(qū)域，加強易風(fēng)偏區(qū)域、易舞動區(qū)域等特殊區(qū)域的劃分與監(jiān)視。電廠內(nèi)部加強保護定值的檢查與修訂工作，首先保證所有保護不誤動作，然后保證所有保護該動作時候正確動作。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，應(yīng)以保人身，保電網(wǎng)，保設(shè)備原則對事故進行快速處理[4]。

4 機組并網(wǎng)或停機對廠內(nèi)其他機組影響

4.1 實例分析

1號機組并網(wǎng)時，發(fā)現(xiàn)4號機組負荷瞬間擺動（由300MW擺至260MW），而后立即恢復(fù)，AGC指令未變化，爐指令無明顯變化，汽機指令無明顯變化，如圖2所示。

運行工況：負荷300MW，AGC、自動電壓控制及無功優(yōu)化投入，機爐系統(tǒng)正常運行方式。

過程分析：4號機組負荷瞬間擺到257MW，而后恢復(fù)，前后只有1 s時間。從圖2可以看出，有功大幅下降，無功大幅下降，系統(tǒng)電壓上升1個臺階，勵磁電壓有較大擺動，發(fā)電機定子電流有較大擺動，頻率無變化，主蒸汽流量在之后出現(xiàn)了1次下降。后查3號機組曲線，變化情況與4號機組相同。

原因分析：1號機并網(wǎng)使系統(tǒng)電壓上升，無功大幅減小，勵磁系統(tǒng)進行無功調(diào)整，出現(xiàn)了電壓大幅的擺動，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的擾動改變使汽輪機力矩和定子電流發(fā)生擾動改變，進而使負荷一下擺動至257MW后恢復(fù)，通過自動調(diào)節(jié)，勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定下來。從主蒸汽流量的變化看，體現(xiàn)的是汽輪機的首級壓力擺動，是因汽輪機力矩發(fā)生改變所致。

本次負荷擺動雖時間很短，但是幅度較大，說明并網(wǎng)對相鄰機組有比較大的擾動。

4.2 機組并網(wǎng)或者停機時處理措施

（1）在并網(wǎng)時加強相鄰機組的勵磁電壓、電流參數(shù)的監(jiān)視。

（2）在并網(wǎng)時加強相鄰機組的有功、無功參數(shù)的監(jiān)視。

（3）在并網(wǎng)時加強發(fā)電機-變壓器組出口電壓參數(shù)的監(jiān)視。

（4）新并網(wǎng)機組的有功、無功調(diào)整應(yīng)盡量緩慢，并與其他機組的變化相適應(yīng)。

5 電網(wǎng)一般性擾動及處理

在電網(wǎng)內(nèi)其他電源點、其他輸電線路故障等發(fā)生時，電網(wǎng)會產(chǎn)生一般性擾動。一般性擾動通常對發(fā)電機組影響比較小，通過各個并網(wǎng)發(fā)電機組的自動或者手動調(diào)節(jié)，能在短時間內(nèi)恢復(fù)電網(wǎng)正常[5]。岱海電廠2號機組在發(fā)電廠無功遠方自動控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、自動電壓調(diào)節(jié)器自動投入良好的情況下，對1個月中的2次一般性擾動進行描述和分析，提出處理電網(wǎng)一般性擾動的原則。

（1）實例1。2號機組無功由180 Mvar突增至250Mvar，負序電流由78A突升至2.319 kA。機組其他主要參數(shù)無明顯變化，持續(xù)時間不超過5 s，具體變化情況見表1。負序電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子的運動方向相反，以2倍同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中感生出倍頻電流，倍頻電流主要部分在轉(zhuǎn)子表層沿軸向流動，這個電流可達到極大數(shù)值，會在轉(zhuǎn)子表面某些接觸部位引起高溫，發(fā)生嚴重電灼傷，同時局部高溫還有可能使護環(huán)出現(xiàn)松脫的危險；另外，由負序磁場產(chǎn)生的2倍交變電磁轉(zhuǎn)矩，使機組產(chǎn)生100Hz振動，引起金屬疲勞和機械損傷。所以發(fā)生負序電流突增后，還應(yīng)該檢查轉(zhuǎn)子端部、擴環(huán)內(nèi)表面等部位是否有損壞[6]。

表1 無功突增引起發(fā)電機組主要參數(shù)變化情況Tab.1 Variation of main parameters of generating units causedby sudden increase of inactive power

（2）實例2。某日海萬Ⅰ線單相接地。分散控制系統(tǒng)（distribution control system，DCS）負序電流發(fā)“通道故障”報警。主機X方向振動發(fā)A報警，由149μm增加到422μm，查故障錄波器，顯示為“負序超限啟動”，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)“500 kV海萬Ⅰ線L90屏L90保護動作”；“500 kV海萬Ⅰ線P544屏P544保護動作”，“500 kV第1串5011保護出口屏跳閘”、“500 kV第2串5012保護出口屏跳閘”，“500 kV第1串5012斷路器重合閘動作”，“500 kV第1串5011斷路器重合閘動作”。

線路單相接地故障在電力系統(tǒng)故障中占有很大的比例，造成單相故障的原因有很多，如雷擊、瓷瓶閃絡(luò)、導(dǎo)線斷線引起接地、導(dǎo)線對樹枝放電、山火等。線路單相接地故障分為瞬時性故障和永久性故障兩種，對于架空線路一般配有重合閘，正常情況下如果是瞬時性故障，則重合閘會啟動重合成功；如果是永久性故障將會出現(xiàn)重合于永久性故障再次跳閘而不再重合[7-8]。

發(fā)生接地故障時，應(yīng)采用下列方法進行處理：

（1）檢查故障線路的電流表是否三相正常，有功、無功指示有無異常變化，確認三相在合閘位置。

檢查有關(guān)保護動作情況、負荷變化情況、潮流變化情況。記錄光字和動作信號，通知保護班進行動作可靠性分析。

（2）打印保護動作數(shù)據(jù)及故障錄波器數(shù)據(jù)，并進行初步分析。

（3）檢查動作的斷路器有無其他異常，如機構(gòu)是否三相聯(lián)動，所連接的電流互感器等有無因沖擊導(dǎo)致的異常，并對斷路器的驅(qū)動壓力進行檢查。

（4）向調(diào)度匯報時間，站點，故障類型，保護動作情況，跳閘前后負荷變化，本站潮流變化情況。

6 結(jié)論

通過對各種電網(wǎng)故障的分析，得出發(fā)電機組應(yīng)對電網(wǎng)故障的一般處理方法：

（1）電網(wǎng)發(fā)生故障，及時與網(wǎng)調(diào)值班員進行溝通。

（2）在惡劣氣候或者機組非正常運行方式時，應(yīng)該提前做好事故預(yù)測。

（3）當(dāng)擾動較小時，應(yīng)該加強相關(guān)勵磁系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視，并且及時聯(lián)系檢修人員到場。

（4）擾動較小時，一般情況下能夠自動將其調(diào)過來，不需要人工干擾。

（5）擾動較大時，或者無功遠方自動控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、自動電壓調(diào)節(jié)器沒有投入自動的情況下，發(fā)生系統(tǒng)振蕩時按照規(guī)程要求調(diào)節(jié)有功、無功，維持系統(tǒng)電壓、母線頻率正常，達到緊急停運條件時，應(yīng)該及時將發(fā)電機與系統(tǒng)解列。

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