1000MW機(jī)組電氣技術(shù)特點(diǎn)研究

李辰龍，單 華，楊宏宇，楊 春

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

截至目前，江蘇省93個(gè)同調(diào)電廠，總裝機(jī)容量6244.3萬(wàn)kW，其中百萬(wàn)kW超超臨界火電機(jī)組已有12臺(tái)，總裝機(jī)容量為1200萬(wàn)kW，占省裝機(jī)總?cè)萘康?9.22%。百萬(wàn)千瓦超超臨界火電機(jī)組已經(jīng)成為大型火電機(jī)組的趨勢(shì)。

1 百萬(wàn)kW機(jī)組發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

百萬(wàn)kW機(jī)組與中小型機(jī)組相比具有明顯的優(yōu)越性，但是，由于機(jī)組容量的增大，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和運(yùn)行特性都發(fā)生了顯著變化，因而也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題。百萬(wàn)kW機(jī)組主要參數(shù)變化如下：

（1）同步電抗Xd增大。由于發(fā)電機(jī)有效材料的利用率提高，線負(fù)荷增大，導(dǎo)致與線負(fù)荷成正比的電抗Xd增大，Xd的增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)靜過(guò)載能力減小，因而在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，易于失去靜穩(wěn)定。電抗的增大，還使發(fā)電機(jī)平均異步轉(zhuǎn)矩降低。例如中小型汽輪發(fā)電機(jī)的平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍，而大型機(jī)組的平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值一般約為額定轉(zhuǎn)矩。因而大型發(fā)電機(jī)組失磁異步運(yùn)行時(shí)，滑差大，從電力系統(tǒng)吸收感性無(wú)功功率多，允許異步運(yùn)行的負(fù)載小，時(shí)間短。

（2）定子電阻相對(duì)減小，定子時(shí)間常數(shù)Ta增大。一般中小型發(fā)電機(jī)Ta=0.10～0.16 s，而國(guó)產(chǎn)1000 MW汽輪發(fā)電機(jī)的Ta為0.7 s。Ta的增大，使定子非周期電流的衰減變慢，從而對(duì)電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并且惡化了電流互感器和斷路器等元件的運(yùn)行條件[1-5]。

（3）機(jī)組慣性常數(shù)H降低。大容量發(fā)電機(jī)組的體積并不隨其容量成比例增大，采用氣體或液體直接冷卻的繞組與間接冷卻繞組相比，有效材料利用率高，在定子和轉(zhuǎn)子的尺寸沒(méi)有明顯增大的情況下，汽輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量急劇增大，因而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組慣性常數(shù)明顯降低。機(jī)組慣性常數(shù)H是一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)其他條件相同時(shí)，在過(guò)剩轉(zhuǎn)矩作用下H愈小，角度δ改變愈快，發(fā)電機(jī)易于失去同步。然而H值的增大，技術(shù)上復(fù)雜且造價(jià)昂貴[4]。

2 百萬(wàn)kW機(jī)組電氣繼電保護(hù)配置

已經(jīng)建成的和在建的百萬(wàn)kW機(jī)保護(hù)配置有以下特點(diǎn)：發(fā)變組與高壓備用變壓器均采用微機(jī)型保護(hù)裝置。其中電量保護(hù)雙重化，從電流和電壓回路、直流電源、保護(hù)出口繼電器及電纜均完全獨(dú)立。

3 百萬(wàn)kW機(jī)組電氣值得注意的事項(xiàng)

3.1 發(fā)電機(jī)組性能的要求

系統(tǒng)頻率在50.5 Hz到48.5 Hz變化范圍內(nèi)應(yīng)連續(xù)保持恒定的有功功率輸出；系統(tǒng)頻率下降到48 Hz時(shí)有功功率輸出減少一般不超過(guò)5%機(jī)組額定有功功率。對(duì)低于額定頻率帶負(fù)載運(yùn)行的300 MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)低頻保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)，并有累計(jì)時(shí)間顯示。對(duì)高于額定頻率帶負(fù)載運(yùn)行的100 MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)或水輪發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)高頻率保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作于解列滅磁或程序跳閘。

3.2 發(fā)變組保護(hù)

1000 MW機(jī)組的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置，目前使用的有國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口兩大類(lèi)。進(jìn)口的有GE，ABB，SIEMENS等公司的產(chǎn)品；南瑞繼保的RCS-985及國(guó)電南自的DGT-801在國(guó)產(chǎn)的較為常見(jiàn)。江蘇省內(nèi)600 MW及以上容量的機(jī)組中應(yīng)用GE公司的發(fā)變組保護(hù)較多。以GE公司為代表的國(guó)外保護(hù)裝置有以下特點(diǎn)：硬件設(shè)備總體使用年限長(zhǎng)；均采樣單CPU、單采樣通道運(yùn)行，硬件一旦損壞，保護(hù)立即出口，誤動(dòng)作可能性高；保護(hù)邏輯靈活需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組態(tài)調(diào)試，部分保護(hù)功能無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)程的要求，增加了電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。比如失步保護(hù)不判別震蕩中心位置，只能通過(guò)聯(lián)系廠家修改邏輯，增加主變電抗線，實(shí)現(xiàn)此功能。則后期運(yùn)行及維護(hù)繁瑣。國(guó)內(nèi)設(shè)備商提供的發(fā)變組保護(hù)裝置有以下特點(diǎn)：硬件設(shè)備總體使用年限短；均采樣雙CPU、雙采樣通道串聯(lián)運(yùn)行，某個(gè)硬件損壞，保護(hù)不會(huì)立即出口，除非相同設(shè)備也損壞，誤動(dòng)作可能性低；保護(hù)邏輯已固化不需要現(xiàn)場(chǎng)編寫(xiě)，保護(hù)原理先進(jìn)，保護(hù)原理基本滿(mǎn)足電網(wǎng)相關(guān)規(guī)程的要求。則后期運(yùn)行及維護(hù)簡(jiǎn)單。

3.2.1 發(fā)電機(jī)主保護(hù)

目前，國(guó)內(nèi)在建和已運(yùn)行的百萬(wàn)kW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和出線側(cè)均通常只引出3個(gè)端子，如圖1所示。不可能安裝橫差保護(hù)、不完全差動(dòng)保護(hù)和裂相橫差保護(hù)，所以在對(duì)定子繞組匝間短路和開(kāi)焊故障只能裝縱差保護(hù)和縱向零序電壓匝間保護(hù)以彌補(bǔ)其不足。在這方面應(yīng)不斷關(guān)注發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出方式的新方案，提高主保護(hù)方案的性能?，F(xiàn)在保護(hù)都是雙重化配置，可靠性得到提高，但也增加誤動(dòng)可能，所以無(wú)論發(fā)電機(jī)出口有沒(méi)有開(kāi)關(guān)都建議不要配置發(fā)變組大差動(dòng)保護(hù)。如華能金陵電廠和中電投常熟電廠百萬(wàn)kW機(jī)組都取消了大差保護(hù)。

圖1 傳統(tǒng)的中性點(diǎn)側(cè)引出3個(gè)端子裝設(shè)完全縱差保護(hù)

3.2.2 失步保護(hù)

對(duì)于百萬(wàn)kW發(fā)變組，電抗較大，慣性時(shí)間常數(shù)較小，機(jī)組易于發(fā)生振蕩，而且振蕩中心常位于發(fā)電機(jī)附近，對(duì)機(jī)組和廠用電產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，對(duì)于百萬(wàn)kW級(jí)機(jī)組要裝設(shè)失步保護(hù)。在短路故障、系統(tǒng)同步振蕩、電壓回路斷線等情況下，保護(hù)不應(yīng)誤動(dòng)作。通常保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)。當(dāng)振蕩中心在發(fā)電機(jī)變壓器組內(nèi)部，失步運(yùn)行時(shí)間超過(guò)整定值或電流振蕩次數(shù)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，保護(hù)還動(dòng)作于解列，并保證斷路器斷開(kāi)時(shí)的電流不超過(guò)斷路器允許開(kāi)斷電流。相關(guān)規(guī)程要求：多臺(tái)并列運(yùn)行機(jī)組的失步保護(hù)滑極次數(shù)定值不能完全相同。

3.2.3 頻率保護(hù)

按DL/T 684－1999的規(guī)定，當(dāng)頻率異常保護(hù)需要?jiǎng)幼饔诎l(fā)電機(jī)解列時(shí)，其低頻段的動(dòng)作頻率和延時(shí)應(yīng)注意與電力系統(tǒng)的低頻減負(fù)荷裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)。一般情況下，應(yīng)通過(guò)低頻減負(fù)荷裝置減負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率及時(shí)恢復(fù)，以保證機(jī)組的安全；僅在低頻減負(fù)荷裝置動(dòng)作后頻率仍未恢復(fù)，從而危及機(jī)組安全時(shí)才進(jìn)行機(jī)組的解列。因此，要求在電力系統(tǒng)減負(fù)荷過(guò)程中頻率異常保護(hù)不應(yīng)解列發(fā)電機(jī)，防止出現(xiàn)頻率連鎖惡化的情況。其中機(jī)組低頻率保護(hù)的定值應(yīng)低于系低頻減載的最低一級(jí)定值。

3.2.4 失磁保護(hù)

失磁機(jī)組從系統(tǒng)吸取無(wú)功功率，可能使電網(wǎng)電壓下降，失磁機(jī)組電磁功率擺動(dòng)，造成各機(jī)組間及系統(tǒng)部分振蕩。對(duì)勵(lì)磁電流異常下降或完全消失的失磁故障，應(yīng)按下列規(guī)定裝設(shè)失磁保護(hù)裝置：不允許失磁運(yùn)行的發(fā)電機(jī)及失磁對(duì)電力系統(tǒng)有重大影響的發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)專(zhuān)用的失磁保護(hù)。對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)，失磁保護(hù)宜瞬時(shí)或短延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)，有條件的機(jī)組可進(jìn)行勵(lì)磁切換。失磁后母線電壓低于系統(tǒng)允許值時(shí)，帶時(shí)限動(dòng)作于解列。當(dāng)發(fā)電機(jī)母線電壓低于保證廠用電穩(wěn)定運(yùn)行要求的電壓時(shí)，帶時(shí)限動(dòng)作于解列，并切換廠用電源。有條件的機(jī)組失磁保護(hù)也可動(dòng)作于自動(dòng)減出力。當(dāng)減出力至發(fā)電機(jī)失磁允許負(fù)荷以下，其運(yùn)行時(shí)間接近于失磁允許運(yùn)行限時(shí)，可動(dòng)作于程序跳閘。相關(guān)規(guī)程要求：各單位對(duì)失磁保護(hù)定值整定必須保證發(fā)電機(jī)失磁時(shí)可靠跳閘。同時(shí)失磁保護(hù)應(yīng)與勵(lì)磁系統(tǒng)“低勵(lì)限制線”配合，保證后者先于失磁保護(hù)動(dòng)作[2]。

3.3 勵(lì)磁系統(tǒng)

目前，300～600 MW機(jī)組基本都采用靜態(tài)勵(lì)磁，而對(duì)于百萬(wàn)機(jī)組勵(lì)磁，靜態(tài)勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁都有運(yùn)用。如已建成的華能金陵電廠和國(guó)電泰州電廠采用的是靜態(tài)勵(lì)磁，而在建的中電投常熟電廠和國(guó)電諫壁電廠都是旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁的方式。由于百萬(wàn)機(jī)組的Xd增大，靜穩(wěn)儲(chǔ)備降低，失磁故障增多，失磁對(duì)特大機(jī)組的影響增大，因此對(duì)失磁保護(hù)的可靠性要求提高。同時(shí)轉(zhuǎn)子電壓通常大于500 V，強(qiáng)勵(lì)時(shí)會(huì)更高，直接取出比較危險(xiǎn)，電纜也不好選擇，建議失磁保護(hù)不采用轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)安裝在勵(lì)磁系統(tǒng)屏柜內(nèi)。靜態(tài)勵(lì)磁沒(méi)有主勵(lì)磁機(jī)時(shí)滯環(huán)節(jié)，碳刷勵(lì)磁屬高起始快速響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)，即勵(lì)磁直接調(diào)節(jié)輸出電流的大小，技術(shù)指標(biāo)高，響應(yīng)快，性能參數(shù)好。由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件。運(yùn)行可靠性高，調(diào)整、維護(hù)簡(jiǎn)單，檢修方便。而旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁沒(méi)有碳刷和滑環(huán)，沒(méi)有接觸部件的磨損，所以沒(méi)有碳粉和銅粉末引起對(duì)機(jī)組的污染，絕緣壽命長(zhǎng)。同時(shí)，勵(lì)磁機(jī)獨(dú)立供電，可靠性增加，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)端短路時(shí)，故障電流迅速衰減。但由于轉(zhuǎn)子回路不能接入滅磁設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接滅磁，所以滅磁時(shí)間較長(zhǎng)。

由于這兩種不同方式的勵(lì)磁，使其在保護(hù)配置上有所不同，所以對(duì)于勵(lì)磁方式的選擇也是以后一個(gè)要努力研究的課題。在江蘇省各電廠中ABB公司生產(chǎn)的UNITROL勵(lì)磁調(diào)節(jié)器最為常見(jiàn)。ABB勵(lì)磁系統(tǒng)有原裝進(jìn)口及國(guó)內(nèi)組裝兩種設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中原裝進(jìn)口設(shè)備故障率低運(yùn)行可靠，國(guó)內(nèi)組裝設(shè)備易發(fā)生故障。勵(lì)磁系統(tǒng)交直流側(cè)應(yīng)設(shè)置刀閘，已防止單臺(tái)整流柜故障時(shí)可以退出工作，機(jī)組可以繼續(xù)運(yùn)行。

3.4 同期系統(tǒng)

應(yīng)注意在勵(lì)磁系統(tǒng)出口回路中加裝同步檢查繼電器，已有效防止非同期合閘。

3.5 廠用電快切系統(tǒng)

因1000 MW機(jī)組容量大，廠用電失電易造成重大事故。手動(dòng)切換時(shí)建議采樣并聯(lián)切換，先合備用開(kāi)關(guān)，再分工作開(kāi)關(guān)。檢修人員需要定期檢查廠用電快切系統(tǒng)各開(kāi)關(guān)合分閘回路的完整性。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中曾發(fā)生廠用電失電后，備用開(kāi)關(guān)合閘回路斷線，造成廠用電切換失敗。

3.6 保安電源系統(tǒng)

在1000 MW機(jī)組中，保安電源失電易造成重大事故。每臺(tái)機(jī)組均設(shè)計(jì)有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)不僅要定期進(jìn)行啟動(dòng)維護(hù)，而且要定期進(jìn)行帶載切換試驗(yàn)（機(jī)組未并網(wǎng)時(shí)）。保安電源切換邏輯由柴油發(fā)電機(jī)組PLC控制，可聘請(qǐng)資深電氣調(diào)試人員進(jìn)行邏輯優(yōu)化，已保證保護(hù)電源可靠性。

3.7 廠用直流系統(tǒng)及交流UPS系統(tǒng)

嚴(yán)格執(zhí)行重要負(fù)荷分段供電的配置。如每套發(fā)變組保護(hù)用的直流電源要由不同直流段供電。為DEH提供的3個(gè)有功功率變送器的交流電源則要分段供電。

3.8 設(shè)備（保護(hù)）定值

200MW及以上并網(wǎng)機(jī)組的高頻率、低頻率保護(hù)，過(guò)電壓、低電壓保護(hù)，過(guò)勵(lì)磁保護(hù)，失磁保護(hù)，失步保護(hù)，阻抗保護(hù)及振蕩解列裝置、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（包括PSS）等設(shè)備（保護(hù)）定值必須經(jīng)有關(guān)調(diào)度部門(mén)審定。百萬(wàn)kW機(jī)組電廠在繼電保護(hù)定值管理工作中，更要加強(qiáng)對(duì)保護(hù)的特點(diǎn)的熟悉和了解，根據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》DL/T 684—1999的規(guī)定、電網(wǎng)運(yùn)行情況和主設(shè)備技術(shù)條件，認(rèn)真校核涉網(wǎng)保護(hù)與電網(wǎng)保護(hù)的整定配合關(guān)系，并根據(jù)調(diào)度部門(mén)的要求，做好每年度對(duì)所轄設(shè)備的整定值進(jìn)行全面復(fù)算和校核工作。當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)和短路電流水平發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)校核相關(guān)涉網(wǎng)保護(hù)的配置與整定，避免保護(hù)發(fā)生不正確動(dòng)作行為[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

百萬(wàn)kW機(jī)組造價(jià)非常昂貴，發(fā)生故障對(duì)系統(tǒng)的影響也非常之大。只有對(duì)1000 MW機(jī)組電氣技術(shù)特點(diǎn)及注意事項(xiàng)有全面地了解，才能讓機(jī)組更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

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