特大型機(jī)組保護(hù)若干問題探討

嚴(yán)偉，方運昇，陳俊，郭自剛，沈全榮

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.安徽省電力工程監(jiān)理有限公司，安徽池州247100）

隨著華能海門電廠2×1036MW機(jī)組、大唐潮州三百門電廠2×1000MW機(jī)組、田灣核電2號1000MW機(jī)組、廣西龍灘水電站7×700MW機(jī)組以及構(gòu)皮灘水電站5×600MW機(jī)組等特大型火電、核電及水電機(jī)組相繼投入運行，國內(nèi)保護(hù)廠家已在特大型機(jī)組上積累了一定的研發(fā)和運行經(jīng)驗，在工程實施過程中遇到了一些新的問題，并采取了有效的應(yīng)對措施，本文在此逐一對這些問題進(jìn)行探討，希望引起廣大同行的重視，為今后類似特大型機(jī)組保護(hù)的研發(fā)、設(shè)計和工程實施提供參考。

1 大型汽輪機(jī)零功率切機(jī)保護(hù)

隨著我國特高壓、大電網(wǎng)的形成，在電力輸送通道建設(shè)中大量采用了緊湊型線路、同桿架設(shè)、遠(yuǎn)距離輸電、串聯(lián)補償、中間開關(guān)站等各種技術(shù)，減少了線路數(shù)量，節(jié)約了線路走廊。這些新技術(shù)的使用，為功率的穩(wěn)定輸出提供了有效的保證，但由于輸電線路的同時故障，會造成機(jī)組無法輸出功率，對機(jī)組熱力設(shè)備等產(chǎn)生危害和影響。近些年來，國內(nèi)個別電廠已出現(xiàn)了因電網(wǎng)功率突然缺失而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組熱力設(shè)備不同程度損壞的事件，比如：江蘇沙洲電廠600MW機(jī)組爆管，陜西府谷電廠600MW機(jī)組、河北滄東電廠600MW機(jī)組功率缺失后未能快速穩(wěn)定停機(jī)，廣東某電廠6臺135MW機(jī)組功率缺失后導(dǎo)致孤立網(wǎng)系統(tǒng)振蕩，直至瓦解。

大型汽輪機(jī)組多為超臨界或超超臨界機(jī)組，由于其蒸汽參數(shù)高、流量大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大，當(dāng)機(jī)組滿載情況下發(fā)生正功率突降（如惟一的送出線發(fā)生故障跳開）時，機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升、主變高壓側(cè)電壓迅速升高，鍋爐水位急劇波動；此時由于一般的機(jī)組保護(hù)不能動作，發(fā)電機(jī)不能滅磁、鍋爐不能滅火，汽輪機(jī)超速保護(hù)將針對超速進(jìn)行保護(hù)和控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)組發(fā)生功率突降為零時，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升，OPC保護(hù)103%超速動作并快速關(guān)閉高中壓調(diào)節(jié)汽門，隨后轉(zhuǎn)速開始下降，機(jī)組從超壓、超頻逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l過程，當(dāng)轉(zhuǎn)速降到2950r／min時，調(diào)節(jié)汽門重新開啟，轉(zhuǎn)速再次上升，在此過程中，DEH處于自動狀態(tài)，容易出現(xiàn)反復(fù)“振蕩”過程，甚至可能出現(xiàn)頻率擺動過程，對汽輪機(jī)葉片也有傷害。因此，當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)正功率突降時，如不及時采取鍋爐熄火，關(guān)閉主汽門、滅磁等一系列措施，必將嚴(yán)重威脅機(jī)組安全，甚至損壞熱力設(shè)備。可見，發(fā)電機(jī)零功率切機(jī)保護(hù)在大型機(jī)組上是十分必要的。

發(fā)電機(jī)零功率切機(jī)保護(hù)可利用該過程中的電氣特性如電流突降、電壓突增、頻率突增、有功功率突降等構(gòu)成判據(jù)[1，2]。

發(fā)電機(jī)零功率切機(jī)動作后，應(yīng)迅速切換廠用電并對發(fā)電機(jī)滅磁；同時作用于鍋爐滅火保護(hù)（MFT）和汽機(jī)緊急跳閘保護(hù)（ETS）。對于個別有條件安裝負(fù)荷快速切回功能（FCB）的電廠，可動作于啟動FCB功能，將機(jī)組穩(wěn)定于帶廠用電解列運行狀態(tài)，在輸電通道恢復(fù)后可快速并網(wǎng)。

2 大型水電機(jī)組中性點分支電流不完全引入對后備保護(hù)的影響

特大型水電機(jī)組的定子繞組分支數(shù)很多，中性點引出方式靈活，有足夠的空間安裝多個中性點電流互感器（TA），可裝設(shè)多種主保護(hù)。目前，國內(nèi)大型水電機(jī)組主保護(hù)大多采用“定量化設(shè)計”，在全面的內(nèi)部短路故障仿真計算的基礎(chǔ)上，確定定子繞組中性點側(cè)的引出方式、分支TA的數(shù)目和位置，構(gòu)成多重主保護(hù)，確保同一種內(nèi)部故障，至少有2種主保護(hù)能夠靈敏反映。圖1為某每相8個并聯(lián)分支的大型水電機(jī)組多重主保護(hù)TA配置方案，配置了2套不完全縱差保護(hù)和2套單元件橫差保護(hù)，可靈敏反應(yīng)發(fā)電機(jī)各種相間、匝間短路和分支開焊故障。

圖1中定子中性點側(cè)第3和第6分支未安裝TA，發(fā)電機(jī)中性點側(cè)的電流只能按照已引入保護(hù)裝置的TA電流進(jìn)行折算。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時，由于中性點側(cè)分支電流未完全引入，不能真實反映過流中性點的電流大小，采用中性點側(cè)電流的后備保護(hù)將受到影響。

由于發(fā)電機(jī)已經(jīng)裝置了多重不同原理的主保護(hù)，工頻情況下的相間后備保護(hù)可改取機(jī)端TA電流，并網(wǎng)前由多重主保護(hù)起作用，中性點分TA不完全引入的影響可不考慮；但對于發(fā)電機(jī)啟停機(jī)期間的相間后備保護(hù)，如發(fā)電機(jī)低頻過流保護(hù)，由于只能取發(fā)電機(jī)中性點電流，而該過程為低頻工況，基于工頻算法的多重主保護(hù)在此情況下可能失效，無法取代啟停機(jī)保護(hù)，中性點分支電流不完全引入的影響不能不考慮。

采用“定量化設(shè)計”之后，可將上述圖中的發(fā)電機(jī)中性點分支分成2組，例如第1，3，5，7分支為一組裝3臺TA，第2，4，6，8分支為一組裝3臺TA，2組分支的中性點之間裝一組高靈敏零序電流型橫差保護(hù)用TA。2分支組TA分別與機(jī)端TA構(gòu)成兩套不完全縱差保護(hù)，中性點兩組分支間可構(gòu)成一套發(fā)電機(jī)完全裂相橫差保護(hù)。這種方案，由于發(fā)電機(jī)中性點所有分支電流全部引入保護(hù)裝置，上述后備保護(hù)可以取中性點電流和機(jī)端電流共同構(gòu)成判據(jù)，構(gòu)成完善的保護(hù)方案。

基于以上分析，在進(jìn)行大型水電機(jī)組主保護(hù)定量化設(shè)計時，需兼顧后備保護(hù)，尤其是啟停機(jī)保護(hù)，將中性點分支TA電流均引入保護(hù)裝置，以構(gòu)成完善的主、后備保護(hù)方案。

3 大型機(jī)組失磁轉(zhuǎn)子電壓引入方式探討

為了提高失磁保護(hù)的可靠性，國內(nèi)很多電廠均配置了失磁轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓通過高壓電纜引入發(fā)電機(jī)保護(hù)屏柜。

隨著機(jī)組容量的增大，大型機(jī)組的轉(zhuǎn)子額定電壓越來越高，1000MW火電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)子電壓可達(dá)500V以上，強勵時更高，直接將轉(zhuǎn)子電壓引入保護(hù)裝置不安全，并且該段回路電纜的選型也比較困難。

為了能夠繼續(xù)應(yīng)用失磁轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，大型機(jī)組用于失磁保護(hù)的轉(zhuǎn)子電壓一般用以下2種輸入方式。

（1）經(jīng)分壓器降壓后接入保護(hù)裝置：分壓器的變比一般設(shè)計為10:1或15:1，分壓器的電阻值不宜太大，要求比故障錄波器和保護(hù)裝置內(nèi)的測量回路內(nèi)阻低一個數(shù)量級，否則會影響測量（變比不準(zhǔn)），且建議分壓器具有多個抽頭，給2套保護(hù)和故障錄波器的轉(zhuǎn)子電壓分別取自不同的抽頭，來確保變化準(zhǔn)確。

（2）經(jīng)4～20 mA變送器傳變后接入保護(hù)裝置：變送器可以起到隔離的作用，且電纜選擇要求較低，這是該方式的優(yōu)點，但需要考慮變送器的轉(zhuǎn)換時滯和精度問題。機(jī)組失磁時，阻抗軌跡進(jìn)入失磁阻抗圓需要一段時間，因此變送器的傳變延時對保護(hù)的影響不大。

目前，上述2種方式在現(xiàn)場均已得到應(yīng)用。實際上，采用分壓器的方式不能起到完全隔離的作用，并沒有從根本上改變電纜及保護(hù)屏柜的對地耐壓問題，從安全性角度考慮，建議采用第二種輸入方式。

4 注入式定子接地保護(hù)與接地變壓器參數(shù)的配合原則

隨著機(jī)組容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)的定子額定電壓越來越高，1000MW火電機(jī)組的定子額定電壓可達(dá)27kV，而700MW級水電機(jī)組的定子額定電壓也可達(dá)24kV，相應(yīng)地對定子繞組絕緣檢測的要求也提高了，要求實現(xiàn)無勵磁狀態(tài)下的絕緣檢測。

目前，1000MW級火電機(jī)組、核電、大型水電機(jī)組以及抽水蓄能機(jī)組上廣泛應(yīng)用注入20 Hz電源式定子接地保護(hù)，如圖2所示。與傳統(tǒng)基波零序電壓＋3次諧波式定子接地保護(hù)方案構(gòu)成雙套不同原理的100%定子接地保護(hù)。

注入式定子接地保護(hù)從發(fā)電機(jī)中性點接地變壓器的二次側(cè)負(fù)載電阻上注入20 Hz電源，通過導(dǎo)納法求解定子繞組對地絕緣電阻值[3]。注入式定子接地保護(hù)不受發(fā)電機(jī)運行工況的影響，在發(fā)電機(jī)靜止、起停過程、空載運行、并網(wǎng)運行、甩負(fù)荷等各種工況下，均能可靠工作。其保護(hù)范圍為100%的定子繞組，靈敏度一致，不受接地位置影響，還可監(jiān)視定子繞組絕緣的緩慢老化。

注入式定子接地保護(hù)需要與接地變的參數(shù)進(jìn)行配合。注入式定子接地保護(hù)由于注入電壓比較低，為了提高保護(hù)的靈敏度，要求接地變二次負(fù)載電阻不宜太小。而如無特別說明，設(shè)計院一般按照限制2.6倍動態(tài)過電壓考慮，接地變負(fù)載電阻折算到一次的阻值要求不大于容抗值[4]，接地變的二次額定電壓一般設(shè)計為200多伏，以此得到的二次負(fù)載電阻值比較小，一般小于0.5 Ω，某些工程甚至小于0.1 Ω，無法應(yīng)用注入式定子接地保護(hù)原理。

一般負(fù)載電阻值大于1 Ω時，保護(hù)可取得比較好的效果。在進(jìn)行接地變壓器負(fù)載電阻設(shè)計時，在一次電阻值不變的情況下，可通過適當(dāng)提高中性點接地變壓器二次額定電壓，使得二次負(fù)載電阻值達(dá)到或超過1 Ω，以便一次設(shè)備與注入式定子接地保護(hù)實現(xiàn)良好地配合。

5 注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)故障定位功能

大型機(jī)組的額定轉(zhuǎn)子電壓越來越高，相應(yīng)地對轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣檢測提出了更高的要求。為了避免高壓電纜長距離輸送到發(fā)電機(jī)保護(hù)屏柜，大型機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)宜采用單裝置，就地安裝在勵磁系統(tǒng)室內(nèi)。

注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)無勵磁狀態(tài)下的絕緣檢測，受到了青睞，在大型火電和大型水電機(jī)組上得到了廣泛應(yīng)用。

目前，在現(xiàn)場應(yīng)用較多的注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)有注入交流電壓原理、注入直流電壓原理和注入低頻方波式原理。注入交流電壓原理受轉(zhuǎn)子繞組對地電容影響大，其靈敏度不高，一般小于10 kΩ。注入直流電壓原理不受轉(zhuǎn)子繞組對地電容的影響，但在轉(zhuǎn)子繞組不同位置接地時，保護(hù)的靈敏度相差較大，而且容易受到高次諧波的影響。注入低頻方波式原理可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組引出方式，選擇單端注入式或雙端注入式，方波電源的頻率可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組對地電容的大小進(jìn)行調(diào)整，以消除轉(zhuǎn)子繞組對地電容的影響[5]。其保護(hù)靈敏度與轉(zhuǎn)子接地位置無關(guān)，保護(hù)無死區(qū)，在轉(zhuǎn)子繞組上任一點接地都有很高的靈敏度，不受高次諧波的影響。

其中雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)如圖3所示[3]。

圖3 注入低頻方波式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

與單端注入式原理相比，雙端注入原理能夠測量轉(zhuǎn)子一點接地位置，一般以百分比表示，為故障排查提供參考，縮短故障排查的時間；雙端注入式由于能夠采集到轉(zhuǎn)子電壓，可在轉(zhuǎn)子電壓波動時，采取輔助判據(jù)，消除該過程對接地電阻測量的影響，提高轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的可靠性；此外，雙端注入式原理由于能夠測量轉(zhuǎn)子接地位置，還可根據(jù)接地位置的變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組兩點接地保護(hù)功能。

基于以上分析，現(xiàn)場應(yīng)用時，建議采用具有故障定位功能的注入低頻方波式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理。

6 高靈敏橫差保護(hù)探討

為了防止在發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障時，單元件橫差保護(hù)可能誤動，一般采用轉(zhuǎn)子一點接地報警后給橫差保護(hù)增加一定延時的措施。

而實際上，單元件橫差保護(hù)大多在大型水電機(jī)組上應(yīng)用，而水電機(jī)組一般不裝設(shè)轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)；少量火電機(jī)組（如俄羅斯進(jìn)口機(jī)組）有條件裝設(shè)橫差保護(hù)，即使裝設(shè)了轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)，由于目前尚無完善的轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)原理，很多火電機(jī)組轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)是退出運行的。

基于以上考慮，建議單元件橫差保護(hù)動作延時與轉(zhuǎn)子一點接地?zé)o關(guān)，由橫差保護(hù)兼作轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)，一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障，由橫差保護(hù)快速動作停機(jī)，這對保護(hù)機(jī)組安全是十分有利的。

7 結(jié)束語

（1）大型汽輪機(jī)宜裝設(shè)零功率切機(jī)保護(hù)，以保護(hù)鍋爐等熱力設(shè)備；

（2）大型水電機(jī)組在進(jìn)行主保護(hù)定量化設(shè)計時，應(yīng)兼顧后備保護(hù)，宜將中性點分支TA電流全部引入保護(hù)裝置；

（3）大型機(jī)組失磁保護(hù)用轉(zhuǎn)子電壓宜采取分壓器降壓或變送器傳變后接入保護(hù)裝置；

（4）注入式定子接地保護(hù)需要與接地變的參數(shù)進(jìn)行配合，負(fù)載電阻在1 Ω以上，可取得比較好的應(yīng)用效果；

（5）注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)宜采用雙端注入式，提供轉(zhuǎn)子一點接地故障定位功能；

（6）橫差保護(hù)動作延時宜與轉(zhuǎn)子一點接地?zé)o關(guān)，由高靈敏橫差保護(hù)兼作轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)功能。

[1] 南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985UP發(fā)電機(jī)零功率切機(jī)裝置技術(shù)使用說明書[S].2008.

[2] 許正亞.發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計算及其運行技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[3] 南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985注入式定子轉(zhuǎn)子接地保護(hù)技術(shù)使用說明書[S].2007.

[4] 王維儉，王祥珩，王贊基.大型發(fā)電機(jī)變壓器內(nèi)部故障分析與繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[5] 陳俊，王光，嚴(yán)偉，等.關(guān)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)幾個問題的探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2008,32(1)：90-92.