火力發(fā)電廠功率變送器事故案例分析及傳統(tǒng)變送器的改造方案

國家能源蓬萊發(fā)電有限公司 張現(xiàn)奇

隨著國家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施，國家重點(diǎn)發(fā)展風(fēng)電、光伏等新能源，其在整個(gè)電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，但新能源出力受光照、風(fēng)量的影響變化迅速，這就使得電網(wǎng)要求火力發(fā)電廠有功、無功響應(yīng)的速度不斷加快，為適應(yīng)這一要求，火力發(fā)電廠廣泛應(yīng)用AVC、AGC、DCS、DEH 等自動(dòng)化設(shè)備。在發(fā)電機(jī)負(fù)荷控制邏輯中，一個(gè)重要參數(shù)是發(fā)電機(jī)功率，DCS、DEH 協(xié)調(diào)邏輯控制將其視為調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，因而對(duì)于發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定來講，產(chǎn)生發(fā)電機(jī)功率的變送器的安全可靠運(yùn)行就顯得極其重要了。

1 事故案例

安徽某電廠600MW 機(jī)組案例。2009年10月安徽合肥某電廠600MW 機(jī)組因附近220kV 線路故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率變送器輸出信號(hào)與實(shí)際值偏差嚴(yán)重，機(jī)組負(fù)荷大幅波動(dòng)，最終導(dǎo)致AGC 退出自動(dòng)方式。

浙江某電廠600MW 機(jī)組案例。2013年6月浙江某電廠出線近母線處故障，導(dǎo)致機(jī)組零功率保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。500kV 出線因雷擊出現(xiàn)B 相接地，由于功率變送器暫態(tài)特性差，不能反應(yīng)暫態(tài)電流，電流升高不明顯，而此時(shí)電壓大幅下降。機(jī)組功率變送器采樣錯(cuò)誤，導(dǎo)致輸出功率值遠(yuǎn)低于機(jī)組實(shí)際出力。該電廠加裝的零功率保護(hù)采用的是機(jī)組功率變送器功率數(shù)據(jù)作為起動(dòng)量，功率變送器在系統(tǒng)故障時(shí)不能正確工作，導(dǎo)致零功率保護(hù)采樣到的機(jī)組出力突然大幅降低到保護(hù)起動(dòng)定值，動(dòng)作出口切機(jī)。

江蘇某電廠1000WM 機(jī)組跳機(jī)。2011年12月江蘇某電廠因#1機(jī)組并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生涌流，涌流經(jīng)電網(wǎng)傳遞到#2機(jī)組，造成#2發(fā)電機(jī)有功功率變送器輸出信號(hào)失真，DCS 收到的功率信號(hào)瞬間偏差大超過報(bào)警值，DCS 邏輯誤判判斷功率信號(hào)故障，導(dǎo)致鍋爐自動(dòng)方式退出。最終操作不及時(shí)造成跳機(jī)事故；某電廠1000WM 機(jī)組跳機(jī)。2015年5月該廠一號(hào)機(jī)組已投入商業(yè)運(yùn)行，正常工作帶900MW 的負(fù)荷，突然出現(xiàn)PT 斷線導(dǎo)致電氣功率為零，觸發(fā)了熱工PLU 動(dòng)作，主汽門快關(guān)，2秒后主汽門再打開，再次觸發(fā)PLU 動(dòng)作，造成電網(wǎng)負(fù)荷擺動(dòng)。

安徽某電廠1000WM 機(jī)組跳機(jī)。2015年5月該廠三號(hào)機(jī)組進(jìn)行168運(yùn)行，正常工作帶1000MW 的負(fù)荷，四號(hào)機(jī)組在做主變空投試驗(yàn)，三選二的有功功率變送器突然出現(xiàn)大幅波動(dòng)，導(dǎo)致功率負(fù)荷不平衡保護(hù)動(dòng)作，造成發(fā)電機(jī)跳機(jī)。主要是由于有功功率變送器在和應(yīng)涌流條件下不能正確傳變功率；重慶某燃機(jī)400WM 機(jī)組跳機(jī)。2015年4月由于電網(wǎng)擾動(dòng)造成四只發(fā)電機(jī)有功功率變送器同時(shí)變化，出現(xiàn)大幅度的下降，DEH 快速關(guān)斷汽輪機(jī)調(diào)門，最后導(dǎo)致發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作、機(jī)組跳閘。原因是輸入側(cè)發(fā)生快速變化時(shí)變送器暫態(tài)特性不佳，輸出信號(hào)發(fā)生額別嚴(yán)重的畸變?cè)斐傻摹?/p>

華能陜西某電廠600WM 機(jī)組跳機(jī)。某廠在調(diào)試期間，由于工作人員在電子設(shè)備間使用對(duì)講機(jī)造成，功率變送器提供的功率出現(xiàn)大幅的波動(dòng)，引發(fā)熱工PLU 保護(hù)動(dòng)作造成跳機(jī)事故。主要原因是有功功率變送器不具有抗干擾能力；某電廠功率閉鎖。某電廠#1機(jī)組2018年9～10月期間多次出現(xiàn)DEH 邏輯閉鎖現(xiàn)象，原因經(jīng)分析為變送器抗干擾能力差，三臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率變送器電源均取自同一臺(tái)UPS裝置，功率信號(hào)未按要求在DEH 板卡處接地，UPS電源電纜磁場(chǎng)對(duì)功率信號(hào)造成干擾引起功率信號(hào)偏差，超過閉鎖值造成DEH 邏輯閉鎖[1]。

2 原因分析

2.1 變送器畸變?cè)蚍治?/h3>

查閱各類有功功率變送器暫態(tài)性能測(cè)試報(bào)告可看出，在各種故障情況下，市場(chǎng)上各種功率變送器在電網(wǎng)故障時(shí)其輸出功率信號(hào)均與發(fā)電機(jī)實(shí)際功率有不同程度的偏差，不滿足GB/T50063-2017中6.0.3條要求的滿足暫態(tài)特性；也不滿足T/CEC244-2019《發(fā)電機(jī)控制用功率變送裝置通用技術(shù)條件》有關(guān)技術(shù)要求，究其原因，傳統(tǒng)變送器主要存在的問題有：與實(shí)際功率變化值相比，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)，有些情況下變送器輸出會(huì)變大，有些情況下變送器輸出會(huì)變??；因變送器構(gòu)造原因，其輸出波形與實(shí)際功率波形永遠(yuǎn)有偏差，不能完全一樣。

變送器輸出變大的情況應(yīng)是由于變送器內(nèi)部小電流互感器（TA）飽和引起。為滿足保證穩(wěn)態(tài)情況下的輸出精度這一要求，傳統(tǒng)功率變送器內(nèi)部小電流互感器一般采用測(cè)量級(jí)電流互感器。測(cè)量級(jí)TA 勵(lì)磁曲線拐點(diǎn)較低，正常電流基本大于1.2倍TA 額定電流時(shí)就出現(xiàn)飽和。故障電流一般很大且經(jīng)常含有非周期分量，很容易引起小TA 的飽和。變送器發(fā)生功率畸變的實(shí)際原因是故障電流過大或含有的非周期分量導(dǎo)致了變送器內(nèi)小TA 的飽和，從而使參與計(jì)算的電流量畸變，導(dǎo)致變送器輸出信號(hào)放大了實(shí)際功率變化值。如要解決模擬式功率變送器暫態(tài)特性不良的問題，那么須考慮變送器內(nèi)部小TA 的飽和問題[2]。

上述問題是由于模擬式功率變送器響應(yīng)時(shí)間（一般為250ms）長過高壓電網(wǎng)故障時(shí)的切除時(shí)間（一般小于100ms）引起，變送器無法準(zhǔn)確反應(yīng)發(fā)電機(jī)波形的快速變化，從而出現(xiàn)輸出值小于實(shí)際值、輸出波形不能擬合實(shí)際功率波形。

2.2 變送器其它不足

抗干擾能力差；變送器無法檢測(cè)電壓、電流二次回路斷線情況；變送器無法實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)故障情況，其時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一般電量變送器小于400ms 的要求；變送器不能進(jìn)行自檢，無法實(shí)現(xiàn)告警和對(duì)異常狀態(tài)記錄功能；不能進(jìn)行通訊和錄波。

3 改進(jìn)方案及注意事項(xiàng)

3.1 改進(jìn)方案

回路方面，功率信號(hào)輸出回路須嚴(yán)格遵守二十五項(xiàng)反錯(cuò)要求，信號(hào)電纜在熱工柜內(nèi)可靠接地，避免信號(hào)受到干擾；功率變送器輸出信號(hào)發(fā)生畸變方面，可能的處理方法是在功率信號(hào)進(jìn)入DCS、DEH 控制器前加一個(gè)宏命令進(jìn)行濾波，并加一合適的延時(shí)，這種方法可有效將畸變的功率信號(hào)過濾掉，但也帶來了機(jī)組調(diào)節(jié)速度的降低，并不滿足當(dāng)今電網(wǎng)對(duì)發(fā)電側(cè)快速響應(yīng)的要求，另外可在DCS、DEH中增加功率偏差告警（差值可設(shè)為2%左右）以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)功率測(cè)量方面的問題。但解決功率變送器輸出信號(hào)發(fā)生畸變根本方法還是采用智能變送裝置替代傳統(tǒng)變送器，并對(duì)回路進(jìn)行改造。

具體方法是用高性能的智能變送裝置替代原來分散的變送器信號(hào)，智能變送裝置的抗干擾能力和暫態(tài)傳變特性均大幅提升，在各種諧波影響下仍能正常運(yùn)行，其能在各種暫態(tài)下將可靠的功率信號(hào)提供給熱工使用，也能滿足發(fā)電機(jī)日常電氣量測(cè)量需求。具體的方案如下：用三臺(tái)發(fā)電機(jī)智能變送裝置代替原發(fā)變組變送屏發(fā)電機(jī)測(cè)量信號(hào)用的傳統(tǒng)變送器拆除，所有的測(cè)量信號(hào)包括發(fā)電機(jī)部分有功、無功、頻率、電流、電壓等均由智能變送裝置產(chǎn)生，將三個(gè)完全獨(dú)立的有功功率信號(hào)送給熱工用于調(diào)節(jié)。

3.2 智能變送裝置的優(yōu)點(diǎn)

比傳統(tǒng)的變送器信號(hào)響應(yīng)時(shí)間快了一個(gè)數(shù)量級(jí)，響應(yīng)時(shí)間小于40ms；采用了一系列的新技術(shù)新工藝，極大地提高了抗干擾能力；保證了在各種暫態(tài)條件下的功率信號(hào)的可靠性，確保其用于機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)在暫態(tài)條件下不會(huì)引起機(jī)組功率不正常波動(dòng)；在原有基礎(chǔ)上又引入一路PT 和一路CT，能夠發(fā)現(xiàn)二次斷線等異常情況；裝置能錄波及事件記錄，記錄各種異常狀態(tài)，為事后分析帶來便利；裝置信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，可提供多種模式以供選擇。

改造時(shí)需分別提供發(fā)電機(jī)機(jī)端的一組測(cè)量電流、一組保護(hù)電流及2組獨(dú)立的電壓。施工中需在原有基礎(chǔ)上從發(fā)變組柜至機(jī)組新增的智能測(cè)量屏敷設(shè)一根4×4電纜，將另一組發(fā)電機(jī)機(jī)端PT 電壓接入發(fā)電機(jī)智能變送裝置，從發(fā)變組故障錄波器屏至機(jī)組新增的智能測(cè)量屏敷設(shè)一根4×2.5電纜保護(hù)級(jí)機(jī)端電流接入智能變送裝置；發(fā)電機(jī)智能變送裝置采用雙電源，需至少提供雙電源接入；從GPS 屏至#1、#2機(jī)發(fā)變組變送測(cè)量屏敷設(shè)一根電纜用于裝置對(duì)時(shí)。

創(chuàng)新智能測(cè)量方案的優(yōu)點(diǎn)：把傳統(tǒng)的模擬式的方案推進(jìn)到數(shù)字式時(shí)代，把模擬式產(chǎn)品出現(xiàn)的問題從根本上解決了；智能變送裝置確保的暫態(tài)下功率信號(hào)可靠，可以保證熱工DEH 控制系統(tǒng)用的功率可靠；結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，取代了大約三十多個(gè)功能單一且不具備暫態(tài)特性的變送器。

3.3 注意事項(xiàng)

雖然智能變送裝置優(yōu)點(diǎn)很多、運(yùn)行可靠，可以解決傳動(dòng)變送器的諸多缺點(diǎn)，但不能放松對(duì)智能變送裝置抗干擾能力的檢查，如電廠UPS 運(yùn)行可靠，可提供不間斷電源，從可靠性上分析，可將智能變送裝置的兩路電源均取自本機(jī)組的UPS，但電廠UPS 是不接地系統(tǒng)，UPS 上所接負(fù)荷很多，很容易發(fā)生接地情況。如果L 線接地，此時(shí)N 線將變?yōu)?20V，此種情況下某些智能變送裝置輸出回路會(huì)因電源模塊Y 電容產(chǎn)生共模電壓，造成共模電壓超出卡件的抑制范圍,使得DEH 的I/O 模塊數(shù)據(jù)采集紊亂,引起DEH 功率信號(hào)跳變[3],所以一定要高度重視，充分模擬各種可能的不利情況對(duì)裝置進(jìn)行檢測(cè)，確保萬無一失。

綜上，因測(cè)量原因及制造工藝的差異，目前市場(chǎng)上的功率變送器很難滿足DEH 對(duì)功率測(cè)量的要求，建議采用智能變送裝置進(jìn)行升級(jí)改造。建議在投入前充分考慮各種可能出現(xiàn)的不利因素，對(duì)智能變送裝置進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)其在各種不利情況下均能可靠運(yùn)行。