斷面零功率下機(jī)組狀態(tài)分析及其解決方案

吳志奇，王獻(xiàn)志，韓日濤

(1.神華河北國(guó)華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 滄州 061001;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021 )

目前大多電廠尚無(wú)應(yīng)對(duì)機(jī)組輸出功率突然缺失事故的技術(shù)措施，當(dāng)大容量火電機(jī)組在重載情況下突然失去送電通道時(shí)，機(jī)組電壓迅速升高、機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，鍋爐水位急劇波動(dòng);由于發(fā)電機(jī)未滅磁、鍋爐未滅火，在調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作用下機(jī)組從超壓、超頻狀態(tài)演變?yōu)榈皖l過(guò)程，甚至可能出現(xiàn)頻率擺動(dòng)，對(duì)汽輪機(jī)葉片也有傷害。此時(shí)若不及時(shí)采取鍋爐熄火、關(guān)閉主汽門(mén)、滅磁等一系列措施，必將嚴(yán)重威協(xié)機(jī)組安全，甚至損壞熱力設(shè)備［1-3］。因此，大容量機(jī)組裝設(shè)發(fā)電機(jī)零功率保護(hù)是非常有必要的。以下結(jié)合國(guó)華滄東發(fā)電有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)華滄東電廠”)的一次斷面零功率事件分析，闡述零功率切機(jī)保護(hù)的原理和對(duì)機(jī)組安全的重要性。

1 故障情況概述

國(guó)華滄東電廠220 kV 升壓變電站為雙母線接線，1 號(hào)機(jī)組經(jīng)2 條同桿架設(shè)的雙回線路將電能輸送至對(duì)端變電站，2 臺(tái)啟動(dòng)備用變壓器分別為4 臺(tái)600 MW 機(jī)組提供啟動(dòng)電源。故障前，對(duì)側(cè)變電站正常全接線方式運(yùn)行，國(guó)華滄東電廠220 kV 系統(tǒng)雙母線運(yùn)行;廠渤I、II 線運(yùn)行;1 號(hào)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。由于船舶外力破壞，使渤臨I、II 線(同塔雙線)24 號(hào)塔倒塔，渤臨雙線分別故障跳閘，之后1 號(hào)機(jī)組跳閘，220 kV 升壓變電站失壓，渤海變電站220 kV 母線失壓，負(fù)荷失電。

2 故障原因分析

2.1 動(dòng)作過(guò)程分析

17:30:14，渤臨I 線931、603 型微機(jī)保護(hù)動(dòng)作，W 相轉(zhuǎn)V 相故障，未重合;17:30:19，渤臨II 線931、603 型微機(jī)保護(hù)動(dòng)作，U 相轉(zhuǎn)V 相故障，未重合。

17:30:19，國(guó)華滄東電廠1 號(hào)機(jī)組負(fù)荷由530 MW 突降至308.6 MW，同時(shí)轉(zhuǎn)速開(kāi)始飛升，1 s 后轉(zhuǎn)速升至3 094 r/min，機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)OPC 動(dòng)作，調(diào)速汽門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，2.5 s 后轉(zhuǎn)速升至3 304 r/min，機(jī)組頻率55.07 Hz，汽輪機(jī)110%超速跳閘(機(jī)械超速，電超速)，主汽門(mén)、調(diào)速汽門(mén)迅速關(guān)閉，發(fā)電機(jī)失去原動(dòng)力。但是由于渤臨雙線斷開(kāi)，無(wú)法提供外部電源，逆功率保護(hù)不能動(dòng)作，無(wú)法斷開(kāi)211 主斷路器。

期間，鍋爐主蒸汽壓力由16.63 MPa 經(jīng)15 s 后升到18.055 MPa，越高限(限值17.5 MPa)，汽包壓力由17.48 MPa 經(jīng)18 s 后升至18.14 MPa，40 s 左右，鍋爐側(cè)電動(dòng)安全門(mén)動(dòng)作。

17:30:28，1號(hào)機(jī)頻率持續(xù)下降，降低至頻率保護(hù)動(dòng)作值，1 號(hào)機(jī)組錄波器顯示“1 號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)低頻一段”保護(hù)動(dòng)作，第一段低頻保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信號(hào)。17:30:30，1 號(hào)機(jī)組錄波器顯示“1 號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)低頻二段”保護(hù)動(dòng)作，第二段低頻保護(hù)動(dòng)作于程序跳閘。但同樣由于渤臨雙線斷開(kāi)，逆功率保護(hù)不能動(dòng)作，無(wú)法斷開(kāi)主斷路器。

17:30:56，由于機(jī)端電壓下降，1 號(hào)機(jī)組調(diào)節(jié)器運(yùn)行在“復(fù)勵(lì)”運(yùn)行狀態(tài)，17:31:06，1 號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)“復(fù)勵(lì)故障”告警，至發(fā)變組保護(hù)啟動(dòng)機(jī)組全停，跳開(kāi)滅磁斷路器、211 斷路器，機(jī)組解列，6 kV 廠用11、12 及01 公用段斷路器斷開(kāi)。

2.2 機(jī)組動(dòng)作行為分析

在線路跳閘、機(jī)組與電網(wǎng)脫離、汽機(jī)甩負(fù)荷過(guò)程中，發(fā)電機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，沒(méi)有任何電氣量保護(hù)動(dòng)作使發(fā)電機(jī)滅磁和跳閘，發(fā)電機(jī)完全處于被動(dòng)位置。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)感受到發(fā)電機(jī)仍處于并網(wǎng)狀態(tài)，但實(shí)際上已處于甩負(fù)荷狀態(tài)，電氣方面只能靠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自身的調(diào)節(jié)功能來(lái)減磁降壓。而對(duì)汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，電廠汽輪機(jī)OPC 保護(hù)分兩部分，第一是當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 090 r/min 時(shí)，OPC 電磁閥動(dòng)作，迅速關(guān)閉汽輪機(jī)調(diào)門(mén);第二是甩負(fù)荷預(yù)測(cè)(LDA)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于30%，且主斷路器跳閘后OPC 電磁閥動(dòng)作，防止機(jī)組超速。由于本次事故屬于非常規(guī)甩負(fù)荷，主斷路器在甩負(fù)荷時(shí)未跳開(kāi)，失去甩負(fù)荷預(yù)測(cè)功能，OPC 只在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 090 r/min 時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速飛升過(guò)高。一旦OPC 保護(hù)動(dòng)作失靈，則有發(fā)生“飛車(chē)”的危險(xiǎn)。同時(shí)，機(jī)組的突然甩負(fù)荷也會(huì)造成電網(wǎng)功率突然缺失，引起頻率的異常變化，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓會(huì)突然增高。在甩負(fù)荷瞬間，發(fā)電機(jī)端電壓會(huì)異常升高至1.3 倍額定電壓甚至更高。同時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)上升，從而使發(fā)電機(jī)端電壓進(jìn)一步升高，甚至達(dá)到危及設(shè)備安全的程度。在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，快速的、較高電壓放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)器再加上可以逆變的勵(lì)磁系統(tǒng)，可以在很短時(shí)間內(nèi)把電壓降至額定值。在這次事故中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)作正確，避免了設(shè)備損害事件的發(fā)生。

3 零功率切機(jī)保護(hù)解決方案

國(guó)華滄東電廠2、3、4 號(hào)機(jī)組通過(guò)500 kV 同桿并架經(jīng)過(guò)東驊I、II 線雙回線接入系統(tǒng)。500 kV 系統(tǒng)與220 kV 系統(tǒng)同樣面臨輸電線路同時(shí)故障造成機(jī)組無(wú)法輸出功率的問(wèn)題，因此有必要裝設(shè)發(fā)電機(jī)零功率保護(hù)來(lái)保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國(guó)華滄東電廠選用PCS-985UP 型機(jī)組功率切機(jī)裝置，利用正向功率突降為零過(guò)程中的頻率突增、電壓突增、有功功率突降、電流突降等電氣特性，采集發(fā)變組單元的電壓和電流量構(gòu)成邏輯判據(jù)，由啟動(dòng)判據(jù)、動(dòng)作判據(jù)、閉鎖判據(jù)三部分組成。啟動(dòng)判據(jù)由發(fā)電機(jī)電壓突增元件、頻率突增元件、過(guò)頻元件和功率投入元件構(gòu)成;動(dòng)作判據(jù)由低功率元件、電流突降元件和低電流元件構(gòu)成;閉鎖判據(jù)有正序電壓元件、負(fù)序電壓元件構(gòu)成。啟動(dòng)原件動(dòng)作后，開(kāi)放保護(hù)出口正電源，同時(shí)開(kāi)放保護(hù)相應(yīng)的保護(hù)元件，只有在啟動(dòng)元件動(dòng)作，同時(shí)對(duì)應(yīng)的保護(hù)元件動(dòng)作后才能跳閘出口。功率突降切機(jī)裝置動(dòng)作后，迅速切換廠用電并對(duì)發(fā)電機(jī)滅磁，同時(shí)作用于汽機(jī)緊急跳閘保護(hù)“ETS”并啟動(dòng)機(jī)爐聯(lián)鎖跳閘［4］。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)華滄東電廠零功率切機(jī)裝置的應(yīng)用，可以有效解決送出線路斷面功率為零時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組無(wú)快速保護(hù)跳閘，機(jī)組超速的重大安全隱患，防止發(fā)電機(jī)過(guò)電壓和降低熱力設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，避免停機(jī)維修所帶來(lái)的大量的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，具有巨大的綜合社會(huì)效益。

［1］夏傳江，楊正強(qiáng)，李 鳴.發(fā)電機(jī)零功率保護(hù)在300 MW 機(jī)組發(fā)變組保護(hù)中的應(yīng)用器二次回路N600 多點(diǎn)接地查找及處理［J］.貴州電力技術(shù)，2013，16(4):57-58.

［2］葉朋真.零功率保護(hù)在REG670 中的實(shí)現(xiàn)及定值整定［J］.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，17(1):51-54.

［3］余 智.零功率裝置的發(fā)電機(jī)組外送線路中斷后超速保護(hù)方案［J］.貴州電力技術(shù)，2012，15(4):89-92.

［4］嚴(yán) 偉，方運(yùn)昇，陳 俊，等.特大型機(jī)組保護(hù)若干問(wèn)題探討.北京:中國(guó)電力出版社［J］.江蘇電機(jī)工程，2011，30(2):16-19.