零功率保護誤動分析及對策

楊濤，王悅，童凱

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310006）

零功率保護誤動分析及對策

楊濤1，王悅2，童凱1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310006）

針對某發(fā)電廠輸電線路發(fā)生瞬時性接地故障導致2臺機組停機的事故，分析了零功率保護動作的原因，指出了零功率保護邏輯判據(jù)上存在的缺陷，提出了新的更為完善的零功率保護判據(jù)。

火電機組；零功率保護；誤動；邏輯優(yōu)化

0 引言

目前新的大型火力發(fā)電廠大多采用500 kV同桿并架雙回線送出方式，當發(fā)生倒塔或雙回線同時跳閘時，發(fā)電機控制系統(tǒng)由于沒有相關(guān)措施執(zhí)行跳閘，將可能引起汽輪發(fā)電機超速，對汽輪發(fā)電機的運行造成嚴重危害。而零功率保護能夠判斷功率無法送出的情況并立即停機，能夠有效防止汽輪發(fā)電機的超速現(xiàn)象[1-3]。因此，零功率保護在大型火力發(fā)電廠中的應(yīng)用越來越廣泛，浙江省近年來新建的大型火力發(fā)電廠基本都配置了零功率保護。但是，如果零功率保護的判據(jù)不夠完善，有可能導致零功率保護誤動作，引起1臺或多臺機組無事故跳閘。本文通過1起零功率保護的動作案例，分析了零功率保護動作的原因，并提出了完善零功率保護動作判據(jù)的改進措施，以期提高發(fā)電廠零功率保護的運行水平。

1 事故概況

某發(fā)電廠共有4臺600 MW機組，升壓站采用500 kV 3/2接線，500 kV雙回線路送出。事故發(fā)生前，1號、3號、4號機組運行，2號機檢修，500 kV雙回線路運行。某日，500 kV線路發(fā)生B相瞬時性接地故障，線路保護動作跳開B相開關(guān)，大約750 ms后，3號、4號機組零功率保護動作，2臺機組均跳閘，1 s后B相開關(guān)重合閘成功，但3號、4號機組已停運，1號機組繼續(xù)運行。

通過分析發(fā)現(xiàn)，3號機組與4號機組故障錄波器所錄波形幾乎相同，因此，本文以3號機組故障錄波器的錄波數(shù)據(jù)為例進行分析。從圖1所示的3號機組故障錄波圖可見，在線路發(fā)生B相故障時，發(fā)電機機端BC相出現(xiàn)了故障電流，60 ms后故障被切除，發(fā)電機電流和電壓隨之恢復正常；在故障發(fā)生300 ms后，3號發(fā)電機機端電流開始逐漸減小，發(fā)電機電壓正常，發(fā)電機功率下降，經(jīng)過大約460 ms后，3號發(fā)電機功率由380 MW降至17 MW，而后零功率保護動作出口，跳開發(fā)電機出口斷路器并關(guān)閉汽輪機主汽門。以上過程中，在線路發(fā)生B相瞬時性故障至故障切除后的一段時間內(nèi)，發(fā)電機的電壓及電流均無異常，在正常情況下發(fā)電機將保持此狀態(tài)至線路重合閘成功。但在故障發(fā)生300 ms后，發(fā)電機卻出現(xiàn)電流逐步減小的異常狀況。后經(jīng)儀控人員檢查發(fā)現(xiàn)，在線路B相故障發(fā)生300 ms后，由于某種原因?qū)е铝藱C組DEH中的調(diào)門快關(guān)功能動作，汽輪機的高、中壓調(diào)門被關(guān)閉，發(fā)電機原動力減小，從而使發(fā)電機電流逐漸減小，發(fā)電機功率下降。在發(fā)電機功率接近零功率時，零功率保護動作使機組停機。因此，機組DEH的調(diào)門快關(guān)功能異常動作是引起此次機組跳閘的原因。

除了調(diào)門快關(guān)功能動作的原因外，零功率保護的保護邏輯也存在問題。由以上分析數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機功率由380 MW降至17 MW的時間為460 ms，其功率變化率僅為16 MW/20 ms，此功率變化過程相對于由送出線路跳閘或斷開引起的功率突降來說是一個緩慢變化的過程，而零功率保護主要是用于識別線路跳閘或斷開引起的功率突降，因此，對于上述功率變化過程，零功率保護不應(yīng)該動作出口。

圖1 3號機組故障錄波

2 零功率保護邏輯

零功率保護的邏輯如圖2所示。

圖2 原有零功率保護邏輯

（1）判據(jù)1：突變量判據(jù)已啟動。此判據(jù)保證電廠送出線路斷開事故時裝置能可靠啟動，采用相電流突變量啟動及功率突變量啟動2種方式，判據(jù)較為靈敏。

（2）判據(jù)2：事故前0.2 s時的功率大于等于事故前功率定值，并且功率方向為負（即電廠送出）。主要用于判斷機組正處在正常發(fā)電狀態(tài)，如果當時機組出力小于這個定值，即使送出線路跳閘，也不會對發(fā)電機造成損害，無需切除機組。

（3）判據(jù)3：事故時刻的功率小于事故后功率定值。有功功率小于整定值時，認為發(fā)電機已處于零功率狀態(tài)。

（4）判據(jù)4：任意兩相電流I小于投運電流定值。任意兩相電流小于整定值時，認為發(fā)電機處于零功率狀態(tài)。

（5）判據(jù)5：任意兩相電流有效值在20 ms前后之差大于等于突變量啟動定值。此判據(jù)主要是用來判斷線路斷開前后的電流突變過程，主要是區(qū)分線路跳閘與系統(tǒng)振蕩，是判斷發(fā)電機功率屬于突降還是緩慢變化的主要判據(jù)。

3 零功率保護邏輯分析

結(jié)合故障時的數(shù)據(jù)，對保護邏輯逐一分析：

（1）在線路發(fā)生B相故障時，電流發(fā)生突變，相電流突變量啟動判據(jù)滿足，判據(jù)1滿足。

（2）事故前0.2 s時的功率為380 MW，大于事故前功率定值300 MW，判據(jù)2滿足。

（3）事故時刻功率為17 MW，小于事故后功率定值50 MW，判據(jù)3滿足。

（4）跳閘時刻三相電流大約均為35 A，小于投運電流定值73 A，判據(jù)4滿足。

（5）故障發(fā)生300 ms后，發(fā)電機功率發(fā)生變化，電流在460 ms內(nèi)從430 A減小至35 A，變化率為17A/20 ms，而判據(jù)5要求任兩相電流有效值在20 ms前后之差大于突變量啟動定值150 A，因此電流變化不滿足電流變化量判據(jù)要求，判據(jù)5無法滿足。

由以上分析可知，判據(jù)5在機組高、中壓調(diào)門關(guān)閉后引起的電流變化過程中無法滿足，應(yīng)該不會引起零功率保護的動作出口。但是在線路B相故障切除時，由錄波圖可知主變壓器高壓側(cè)B相、C相電流20 ms突變均大于定值150 A，滿足判據(jù)5的要求。后經(jīng)過與廠家人員討論得知，判據(jù)5一旦滿足將保持至裝置整組復歸，其整組復歸時間為5 s。因此，在線路發(fā)生B相接地故障時，由于突變量啟動判據(jù)滿足，裝置進入故障處理程序，在B相故障切除時，由于零功率保護采信的電流突變量滿足判據(jù)5，因此判據(jù)5被置位并將保持5 s。當機組調(diào)門快關(guān)功能動作、汽輪機高、中壓調(diào)門關(guān)閉后，發(fā)電機電流及功率下降，判據(jù)2和判據(jù)3滿足，零功率保護動作出口。

零功率保護中所采用的判據(jù)對于因出線斷開引起的發(fā)電廠功率無法送出情況，是能夠正確識別零功率狀態(tài)并快速停運發(fā)電機的，但是對于以上所述的故障狀態(tài)，由于唯一用來判別功率瞬變與緩變的判據(jù)5在線路故障切除時即已滿足且被保持至裝置整組復歸，在汽輪機調(diào)門關(guān)閉導致發(fā)電機功率下降時，零功率也將動作出口。可見，零功率保護的相關(guān)判據(jù)存在缺陷，應(yīng)當對其判據(jù)進行改進及完善。

4 改進措施

圖3為改進后的零功率判據(jù)，與改進前的判據(jù)相比，零功率保護邏輯仍由5個判據(jù)構(gòu)成，新判據(jù)主要對電流突變量判據(jù)進行了改進。電流突變量判據(jù)仍為I-I-20ms＞ΔIset，定值啟動判據(jù)中的電流突變量定值按0.1In整定。改變之處在于，當電流突變量判據(jù)滿足后不再保持5 s至裝置整組復歸，而是將此條件展寬150 ms，若在150 ms內(nèi)低功率判據(jù)及低電流判據(jù)均滿足條件，則此條件將被保持，在此期間若低功率或低電流定值返回且保持20 ms，則將突變量判據(jù)清位；若150 ms內(nèi)低功率判據(jù)及低電流判據(jù)不滿足條件，則電流突變量判據(jù)無效。

當突變量判據(jù)滿足時，發(fā)電機功率必須在150 ms內(nèi)降至零，這時才可認為發(fā)電機的功率突降是由于線路斷線或跳閘引起的，從而避免因DEH的調(diào)門快關(guān)功能引起功率下降而誤跳閘。另外，判據(jù)引入了低功率或低電流復歸機制，當?shù)凸β屎偷碗娏髋袚?jù)返回且保持20 ms后，則將突變量判據(jù)清零，從而避免了突變量判據(jù)的長期保持，使零功率判據(jù)更加合理可靠。

圖3 改進后的零功率保護邏輯

為驗證零功率保護新判據(jù)的正確性，對零功率保護裝置進行了數(shù)字仿真試驗。在數(shù)字仿真系統(tǒng)中模擬電廠送出線路瞬時性單相接地、相間故障、相間接地故障等多種故障類型，并分別設(shè)置調(diào)門快關(guān)動作及未動作2種情況，零功率保護對上述各種情況均能正確動作，驗證了零功率保護新判據(jù)的正確性。

5 結(jié)語

零功率保護對防止因電廠送出線路斷開導致汽輪機超速有重要意義，但如果零功率保護的判據(jù)有缺陷或定值設(shè)置不合理，將導致零功率保護的誤動而切機。因此，要對零功率保護的判據(jù)及定值進行深入分析，發(fā)現(xiàn)判據(jù)或定值有不合理之處應(yīng)進行完善，以提高零功率保護運行的可靠性。

[1]喬永成，寇海榮，王云輝，等.發(fā)電機零功率保護[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（5）∶148-151.

[2]嚴偉，方運昇，陳俊，等.特大型機組保護若干問題探討[J].江蘇電機工程，2011，30（2）∶16-19.

[3]劉麒，劉麟.FCB功能相關(guān)的發(fā)變組保護邏輯改造[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（4）∶146-148.

（本文編輯：龔皓）

Maloperation Analysis of Zero Power Protection and the Countermeasures

YANG Tao1，WANG Yue2，TONG Kai1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310006，China）

Aiming at shutdown of two units caused by instantaneous earth fault of transmission line in a power plant，this paper analyzes the reasons of zero power protection action；it presents the defects in the logic criteria of zero power protection and puts forward a new and perfect criteria for zero power protection.

thermal power units；zero power protection；maloperation；logic optimization

TM773+.9

：B

：1007-1881（2014）08-0022-03

2014-02-28

楊濤（1978－），男，山東濟寧人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及自動化研究與試驗工作。