600MW火電機組發(fā)變組保護裝置的現(xiàn)狀探析

張永鵬

摘要：目前我國運行的火電機組中，600MW及以上容量等級機組逐漸取代300MW等中小容量機組，成為電力系統(tǒng)中的主力，其安全穩(wěn)定運行，對電網(wǎng)的重要性與日俱增。因此，相應(yīng)保護裝置的安全穩(wěn)定運行，對電力系統(tǒng)的安全，具有重要的意義。本文針對目前600MW火電機組發(fā)變組保護裝置的現(xiàn)狀進行了分析，對裝置運行中存在的問題進行了討論，并對下一步的發(fā)展方向進行了探討。

Abstract： Among the thermal power units currently operating in China， 600MW and above capacity class units have gradually replaced 300MW and other small and medium capacity units， becoming the main force in the power system， and their safe and stable operation has become increasingly important to the power grid. Therefore， the safe and stable operation of the corresponding protection device is of great significance to the safety of the power system. This paper analyzes the current status of the protection devices of the generator transformer unit of 600MW thermal power units， discusses the problems existing in the operation of the devices， and discusses the next development direction.

關(guān)鍵詞：600MW發(fā)電機組;發(fā)變組保護;研究現(xiàn)狀

Key words： 600MW generator set;generator transformer group protection;research status

中圖分類號：TM774;TM621 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）25-0113-02

0 ?引言

伴隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，發(fā)電產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)也得到長足進步，大容量、高能效的超臨界、超超臨界火電機組，正逐漸取代以往的常規(guī)亞臨界中小容量機組，成為火電機組的主力。因此，提高600MW等級機組保護裝置的可靠性，對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，具有非常重要的意義。

1 ?600MW等級火力發(fā)電機組發(fā)變組保護配置現(xiàn)狀

600MW火力發(fā)電機組發(fā)變組保護配置方案相較于300MW機組，并無本質(zhì)不同。從保護范圍來看，同一套發(fā)變組保護裝置，可分為發(fā)電機保護部分和變壓器保護部分，分別為發(fā)電機、主變、高廠變及整個發(fā)變組系統(tǒng)提供保護。通常情況下，單獨設(shè)立啟備變保護柜，為啟備變提供保護。在發(fā)電機保護部分，通常配置發(fā)電機差動、發(fā)電機過流、發(fā)電機逆功率、發(fā)電機過負(fù)荷、發(fā)電機頻率異常、發(fā)電機定子接地、發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地、發(fā)電機失步及勵磁系統(tǒng)過流、過負(fù)荷等各類電量保護，確保發(fā)電機在內(nèi)外部發(fā)生故障、系統(tǒng)發(fā)生異常或事故時迅速解決，避免事故擴大，確保人身、設(shè)備及電網(wǎng)安全。變壓器保護部分，通常配置變壓器差動、發(fā)變組差動、變壓器零序差動、變壓器復(fù)壓過流、變壓器過激磁等各類電量保護，確保主變、高廠變在發(fā)生各類內(nèi)外部故障的情況下，能夠迅速脫離運行狀態(tài)，確保人身、設(shè)備及電網(wǎng)安全。除以上電量保護外，發(fā)變組保護通常還配置有各種非電量保護，如發(fā)電機斷水、變壓器輕、重瓦斯、變壓器繞組溫度等，與其他外部保護裝置共同構(gòu)成完整的發(fā)電機-變壓器組保護方案。根據(jù)國電調(diào)[2002]138號“關(guān)于印發(fā)《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求繼電保護實施細(xì)則》的通知”要求，除非電量保護外，保護裝置必須嚴(yán)格按照雙重化配置，至少應(yīng)滿足以下要求：①兩套微機型保護裝置（包括出口跳閘回路）應(yīng)完整、獨立安裝在各自的屏內(nèi)，之間沒有任何電氣聯(lián)系。當(dāng)運行中的一套保護因異常需退出或檢修時，應(yīng)不影響另一套保護的正常運行。②雙重化配置的每套保護裝置均應(yīng)配置完整的主保護及后備保護;雙重化的同一種保護盡可能采用不同原理。③雙重化配置的每套裝置的交流電壓和交流電流應(yīng)分別取自電壓互感器和電流互感器互相獨立的繞組，其保護范圍應(yīng)交叉重迭，避免死區(qū)。在我國現(xiàn)有的主流發(fā)變組保護裝置生產(chǎn)廠商中，如四方、南自、南瑞、許繼等，其所提供的發(fā)變組保護方案，基本與上述方案相同，僅在各自的元器件選擇和部分保護原理的選擇上存在一定的差異。由此可見，在目前階段，我國600MW等級火力發(fā)電機組發(fā)變組保護裝置水平已相當(dāng)成熟。

2 ?600MW等級火力發(fā)電機組發(fā)變組保護運行情況探討

雖然現(xiàn)階段我國600MW等級火力發(fā)電機組發(fā)變組保護裝置水平已相當(dāng)成熟，運行情況非常穩(wěn)定，但在實際的運行中，相關(guān)的發(fā)變組保護故障，仍時有發(fā)生。從故障發(fā)生的類型看，有裝置自身元器件不穩(wěn)定的原因，有裝置自身設(shè)計缺陷的原因，也有所選擇的保護原理存在一定保護盲區(qū)的原因。

2.1 元器件的穩(wěn)定性直接影響保護裝置的穩(wěn)定性 ?就現(xiàn)有的發(fā)變組保護裝置而言，早已實現(xiàn)全面微機化、集成化。相較于以前由各獨立保護元件構(gòu)成保護裝置的方式，微機化的發(fā)變組保護裝置，以其簡潔的外部接線方式、高度集成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、完善的動作判據(jù)，將現(xiàn)代發(fā)變組保護裝置對外部回路可靠性的依賴降至了最低，極大地提高了保護動作的可靠性。但與此對應(yīng)的，則是保護裝置對其自身元器件可靠性的要求大幅度提高，元器件的可靠性直接影響到了裝置的可靠性、穩(wěn)定性。

以某電廠發(fā)變組裝置為例，其發(fā)變組保護裝置在投入運行幾年后，在短時間內(nèi)，連續(xù)多次發(fā)生發(fā)變組主斷路器無征兆跳閘。每次跳閘后，檢查發(fā)變組相關(guān)設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)異常。其后，考慮到該發(fā)變組保護裝置投入運行已超過5年，電源插件長期帶電運行，懷疑電源插件性能不穩(wěn)定導(dǎo)致保護裝置誤動，隨即對電源插件進行了更換。更換后，相關(guān)故障消失，機組恢復(fù)穩(wěn)定運行。

在此例故障中，發(fā)變組保護及斷路器本身并不存在故障，僅僅因為電源插件的不穩(wěn)定，就導(dǎo)致裝置誤動引發(fā)機組跳閘。在實際運行中，此類故障其實并不鮮見，因個別元器件自身的故障，如CPU故障、接線端子開路、短路造成的裝置誤動，時有發(fā)生。因此，提高裝置元器件本身的可靠性，對于提升發(fā)變組裝置自身的可靠性具有極大的意義。在實際中，往往采取定期更換易損器件乃至定期更換裝置的方式，來解決元器件自身穩(wěn)定性的問題。在設(shè)計、訂貨階段，則常采取指定某些特定器件品牌的方式，來約束生產(chǎn)廠商盡量采用可靠性高的產(chǎn)品，以提高裝置的可靠性水平。如在發(fā)變組保護招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書中，通常會指定接線端子品牌或制定短名單，以避免投標(biāo)的生產(chǎn)廠商為降低成本而采用低可靠性的產(chǎn)品。

2.2 部分保護原理自身存在缺陷 ?相較于300MW機組，600MW等級機組的發(fā)變組保護裝置，雖然在設(shè)計上更為完善，但大部分保護原理并未發(fā)生變化，這就決定，大部分300MW等級機組發(fā)變組保護裝置存在的原理缺陷，仍可能在600MW等級機組發(fā)變組保護裝置上得到延續(xù)。

例如，比例制動式縱差保護因其具有靈敏度高、外部故障制動特性好、易于用軟件方式實現(xiàn)等優(yōu)點，在微機發(fā)變組保護中被廣為采用。但是，縱差保護在具有以上優(yōu)點的同時，也存在只能保護橫向故障（發(fā)電機、變壓器相間短路及接地短路等），不能保護縱向故障（發(fā)電機匝間短路、開路）的固有原理缺陷，在用于發(fā)電機保護時，必須與專用的發(fā)電機匝間保護配合。在發(fā)電機匝間保護因故退出運行時，當(dāng)發(fā)電機發(fā)生諸如匝間短路等縱向故障時，將不能正確動作，導(dǎo)致設(shè)備受到損害。比例制動式縱差保護對電流互感器的變比和二次負(fù)荷的合理選擇存在依賴，當(dāng)電流互感器變比和二次負(fù)荷選擇不合理或存在缺失時，比例制動式縱差保護將有可能因受到暫態(tài)不平衡電流的影響而誤動，導(dǎo)致發(fā)變組裝置可靠性下降。此外，當(dāng)比例制動式縱差保護用于變壓器時，由于其無法區(qū)分涌流與故障電流，在很多情況下，它也無法躲過空載合閘時的勵磁涌流，造成保護誤動。

由此可見，盡管作為大容量機組的保護裝置，600MW等級火力發(fā)電機組的發(fā)變組保護裝置普遍較以前中小容量發(fā)電機組保護裝置的可靠性更高，保護種類更為完善，但由于本身系從以前的裝置逐漸改進完善而來，中小容量機組發(fā)變組保護存在的部分原理缺陷，也存在著被現(xiàn)有保護裝置繼承下來的可能性。由于此類固有原理缺陷較為隱蔽且容易被人忽視，因此在實際的裝置設(shè)計及運行中，也應(yīng)引起足夠的重視。

2.3 雙重化保護配置還有完善空間 ?為提高發(fā)變組保護裝置的靈敏性，防止保護拒動，按照“二十五項反措”要求，在600MW等級的火力發(fā)電機組中，發(fā)變組保護均采用雙重化配置。此項措施極大地提高了保護裝置的可靠性，確保了大容量機組的安全穩(wěn)定運行，但在實際運行中，發(fā)變組保護的雙重化配置仍有完善空間。

2.3.1 仍未完全解決保護范圍存在死區(qū)的問題 ?按照反措要求，雙重化配置的同一種類保護，應(yīng)盡可能的采用不同的原理。此舉雖然解決了不同保護原理之間的固有缺陷問題，但并未完全解決保護范圍存在死區(qū)的問題。保護雙重化配置的實質(zhì)，是各類不同原理保護的整合，不同類型的保護之間的配合問題，仍未得到徹底的解決。以前述比例制動式差動保護的固有缺陷為例，在發(fā)變組保護的典型配置中，若發(fā)電機定子匝間保護因故退出運行，則發(fā)變組保護裝置將喪失有效切除發(fā)電機匝間故障的手段。

2.3.2 不能解決廠家設(shè)備固有缺陷的問題 ?在目前600MW等級火力發(fā)電機組發(fā)變組保護的典型配置中，雖然按照雙重化原則進行了配置，但在大多數(shù)情況下，均采用同一廠家的設(shè)備。此舉固然令設(shè)備易于維護，減少了備品備件的種類，但若設(shè)備存在統(tǒng)一性的缺陷，如同一批次的芯片存在瑕疵、同一批次的控制軟件存在BUG等，均可能導(dǎo)致保護的雙重化配置失去其應(yīng)有的作用。反觀電網(wǎng)側(cè)，在線路保護上，不僅提出了不同原理的要求，近年來還提出了不同廠家的要求，有效的解決了廠家設(shè)備固有缺陷的問題。

2.3.3 雙重化配置方案還有進一步提升的空間 ?除前述的廠家設(shè)備固有缺陷外，雙重化配置雖提高了保護裝置的靈敏性，減少了拒動，但卻增加了誤動的可能。按照雙重化配置的典型要求，雙重化配置的每套裝置的交流電壓和交流電流應(yīng)分別取自電壓互感器和電流互感器互相獨立的繞組、保護出口需作用于獨立的跳閘回路，這不僅使二次回路的接線變得更為復(fù)雜，也使得相關(guān)故障的可能性增加，增加了保護誤動的可能。如何在確保靈敏性的同時保證裝置的可靠性，發(fā)變組保護裝置的雙重化配置方案，仍有進一步優(yōu)化的空間。

3 ?600MW等級火力發(fā)電機組發(fā)變組保護發(fā)展的展望

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國電力系統(tǒng)也取得了長足的進步，600MW及以上等級的大型火力發(fā)電機組，在電力系統(tǒng)的地位亦日趨重要，逐漸成為電網(wǎng)的主力機組。作為機組保護的重要一環(huán)，發(fā)變組保護能否安全穩(wěn)定運行，對機組乃至電網(wǎng)的安全至關(guān)重要。從目前的情況看，大容量機組的發(fā)變組保護裝置雖日趨完善，但仍談不上取得重大創(chuàng)新和進步，更多的是對以前小容量機組保護的改進。隨著技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的保護技術(shù)仍有極大的發(fā)展和突破空間。例如，目前的典型配置中，輸入保護裝置的電流、電壓等電氣量，仍然采用電纜連接的方式，并未解決諸如電纜施放量大、電纜管架布線復(fù)雜、二次電纜易受干擾等傳統(tǒng)問題。隨著5G技術(shù)的成熟與大規(guī)模應(yīng)用，相關(guān)電氣量的傳輸，是否存在就地直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過5G等先進通訊手段直接傳送至保護裝置的可能性？又如，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，是否存在引入智能AI庫，在保護裝置中通過分析各電氣量，直接判斷故障類型、故障地點并采取對策的可行性？由此可見，隨著技術(shù)的發(fā)展與突破，大型機組的發(fā)變組保護裝置，仍有很大的發(fā)展和想象空間。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，600MW火力發(fā)電機組的發(fā)變組保護裝置雖已具有非常成熟的設(shè)計與運行經(jīng)驗，但仍存在著相當(dāng)大的改進、完善空間。隨著技術(shù)的發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模的擴大，如何在新形勢下確保機組的安全穩(wěn)定運行，仍是相關(guān)從業(yè)人員的重大挑戰(zhàn)與機遇。

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