燃汽輪發(fā)電機(jī)斷路器拒動(dòng)的危害性分析及解決方案

李嘉翔

前言

M251S型燃汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組是由日本三菱重工高砂制作所制造，其發(fā)電機(jī)組采用的是濟(jì)南發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的WY16Z-037LLT型發(fā)電機(jī)。某日燃?xì)廨啓C(jī)正常停機(jī)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)出口斷路器未能正常分開(kāi)，發(fā)電機(jī)變成電動(dòng)機(jī)逆功率運(yùn)行，其運(yùn)行功率達(dá)到38 MW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)電機(jī)額定功率28.5 MW。短時(shí)間的嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行造成發(fā)電機(jī)嚴(yán)重?zé)龤А?/p>

1　M251S型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

1.1　本體結(jié)構(gòu)

M251S型燃機(jī)本體內(nèi)的動(dòng)力及傳動(dòng)設(shè)備，主要由燃機(jī)透平、空氣壓縮機(jī)、煤氣壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及聯(lián)接它們的主齒輪箱組成。

在正常的工作狀態(tài)，由燃料通過(guò)管道進(jìn)入本體燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過(guò)燃機(jī)透平做功。燃機(jī)透平通過(guò)主齒輪箱帶動(dòng)其他幾大動(dòng)力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。燃機(jī)透平是整個(gè)機(jī)組的動(dòng)力輸出設(shè)備。

1.2　故障原因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)估算各設(shè)備的額定功率如表1。

圖1　主要?jiǎng)恿υO(shè)備結(jié)構(gòu)圖

表1　各設(shè)備額定功率表 MW

如表1，正常工作時(shí)燃機(jī)透平Q1為系統(tǒng)提供原動(dòng)力，滿足：Q1=Q2+Q3+Q4

各設(shè)備都在額定功率范圍內(nèi)運(yùn)行。

當(dāng)發(fā)生燃機(jī)透平熄火失去原動(dòng)力，且發(fā)電機(jī)無(wú)法正常與電網(wǎng)解列時(shí),其發(fā)電機(jī)將變成電動(dòng)機(jī)成為系統(tǒng)的原動(dòng)力（若發(fā)電機(jī)勵(lì)磁跳開(kāi)，發(fā)電機(jī)將變成異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；若發(fā)電機(jī)勵(lì)磁正常工作，發(fā)電機(jī)將變成同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行）。

此時(shí)的功率分布為：Q4=Q1+Q2+Q3

此時(shí)，如表1所示，發(fā)電機(jī)逆功率時(shí)負(fù)荷達(dá)到38 MW，嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損毀。

2　消除燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組逆功率故障的方案

根據(jù)上述情況分析，運(yùn)行過(guò)程必須保證燃?xì)廨啓C(jī)停、跳機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)同步解列。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，提出3種消除該隱患的方案。

2.1　串接斷路器（方案一）2.1.1 原理

在發(fā)電機(jī)出口增設(shè)1臺(tái)斷路器（發(fā)電機(jī)1#斷路器），與原有發(fā)電機(jī)出口斷路器（發(fā)電機(jī)0#斷路器）共同串接在發(fā)電機(jī)出線上，如圖2所示。常規(guī)狀況下，“發(fā)電機(jī)1#斷路器”處于合位，由“發(fā)電機(jī)0#斷路器”完成日常的并網(wǎng)、解列工作。只有在“發(fā)電機(jī)0#斷路器”拒動(dòng)時(shí)，聯(lián)跳“發(fā)電機(jī)1#斷路器”，完成發(fā)電機(jī)解列動(dòng)作，從而提升發(fā)電解列的可靠性（取2 s的延時(shí)是為了躲避發(fā)電機(jī)出口斷路器的動(dòng)作時(shí)間）。

圖2　發(fā)電機(jī)電氣主接線圖

圖3　串接斷路器流程圖

2.1.2優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：發(fā)電機(jī)采用雙出口斷路器能夠大大提升設(shè)備動(dòng)作的可靠性，同時(shí)其邏輯非常簡(jiǎn)單，易于日常的生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)，且不會(huì)造成事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，益于生產(chǎn)的穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：由于增設(shè)了1臺(tái)斷路器，其投資成本將大大提高，同時(shí)需要增設(shè)1面出線柜和1面線路中轉(zhuǎn)柜。其設(shè)備占用空間也將受到限制。

2.2　DCS上增設(shè)連鎖跳上一級(jí)進(jìn)線開(kāi)關(guān)（方案二）

2.2.1原理

在燃?xì)馀涮子酂崞啓C(jī)組DCS系統(tǒng)中，增設(shè)聯(lián)鎖裝置。檢測(cè)燃機(jī)（GTC）的運(yùn)行信號(hào)、燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口斷路器的分、合狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到燃機(jī)（GTC）停運(yùn)狀態(tài)且燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口斷路器未及時(shí)分開(kāi)時(shí)，DCS聯(lián)鎖裝置將動(dòng)作，發(fā)電跳閘信號(hào)，經(jīng)過(guò)2 s延時(shí)后聯(lián)跳發(fā)電機(jī)所在的母線的進(jìn)線，通過(guò)切除母線上的所有電源，從而將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)分開(kāi)（取2 s的延時(shí)是為了躲避發(fā)電機(jī)出口斷路器的動(dòng)作時(shí)間）。

圖4　發(fā)電機(jī)電氣主接線圖

圖5　邏輯圖

2.2.2優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需追加投資，只需要采集現(xiàn)有的信號(hào)，通過(guò)DCS系統(tǒng)增設(shè)聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：當(dāng)故障發(fā)生，通過(guò)跳開(kāi)進(jìn)線從而停發(fā)電母線，將導(dǎo)致事故面積進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)DCS的可靠性、靈敏度滿足不了電氣保護(hù)的要求，有出現(xiàn)誤動(dòng)或者拒動(dòng)的可能。

2.3　采用專(zhuān)用的發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)裝置（方案三）

2.3.1原理

目前300 MW 及以上并且機(jī)端有斷路器的機(jī)組，應(yīng)裝設(shè)機(jī)端斷路器失靈保護(hù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作于機(jī)端斷路器跳閘但斷路器失靈時(shí)，跳開(kāi)主變高壓側(cè)斷路器并啟動(dòng)廠用電切換。機(jī)端斷路器失靈保護(hù)。

由發(fā)電機(jī)保護(hù)出口接點(diǎn)和能快速返回的相電流、負(fù)序電流判別元件組成。

其原理圖如圖6。

圖6　發(fā)電機(jī)失靈保護(hù)原理圖

該裝置為了躲避發(fā)電機(jī)出口斷路器的動(dòng)作時(shí)間，因此其控制精度取0.2～0.5 s的延時(shí)。

2.3.2優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：采用了專(zhuān)門(mén)的失靈保護(hù)裝置，能保證發(fā)電機(jī)組停、跳機(jī)過(guò)程的穩(wěn)定性，能有效地避免發(fā)電機(jī)組嚴(yán)重?fù)p毀和電網(wǎng)崩潰等問(wèn)題。相對(duì)于方案二更加專(zhuān)業(yè)，可靠性更強(qiáng)。

缺點(diǎn)：與方案二相似的，增設(shè)失靈保護(hù)，同樣存在保護(hù)誤動(dòng)的可能，同樣會(huì)造成事故范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

3　結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電機(jī)出口斷路器拒動(dòng)，對(duì)于小型的常規(guī)發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)無(wú)非是短時(shí)間逆功率運(yùn)行，通過(guò)人為斷開(kāi)上級(jí)和相鄰的電源，能夠確保發(fā)電機(jī)組安全停下來(lái)。但是對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)以及大型的發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)出口斷路器失靈拒動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)組的嚴(yán)重?fù)p壞甚至危及電網(wǎng)安全。因此必須對(duì)其增設(shè)相應(yīng)的保護(hù)措施。

一般機(jī)組建議采用專(zhuān)用的發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)裝置；對(duì)于發(fā)電母線運(yùn)行要求高，不允許輕易停電的情況下，建議采用第一種增設(shè)斷路器的方法；對(duì)于老舊的發(fā)電機(jī)組保護(hù)改造升級(jí)困難的可參考方案二臨時(shí)性預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)。

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