發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)初負(fù)荷階段逆功率保護(hù)動作的分析與改進(jìn)

畢宇輝

(寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部,上海 200941)

1 概述

2021年3月16日,發(fā)電分廠2號機(jī)組C修后起動復(fù)役,10:11:11發(fā)電機(jī)并網(wǎng),10:11:13 發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)32G-2動作,2號主變出口110 kV開關(guān)跳閘、發(fā)電機(jī)磁場開關(guān)跳閘,同時連鎖汽輪機(jī)脫扣(動作記錄見表1)。逆功率保護(hù)動作后,對并網(wǎng)期間2號汽機(jī)主機(jī)進(jìn)汽參數(shù)和主汽門、調(diào)門趨勢進(jìn)行檢查(趨勢記錄見圖1),未發(fā)現(xiàn)高壓、中壓調(diào)門異常關(guān)小現(xiàn)象,且汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)保持穩(wěn)定。對發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)CT極性進(jìn)行核對,也未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)電氣與運(yùn)行專業(yè)討論,決定暫時停用逆功率保護(hù),對發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)用CT電流信號進(jìn)行短接,并斷開該電流信號至發(fā)變組保護(hù)盤GRP-A、GRP-B內(nèi)電流端子連接片,16:21:22 2號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)正常。

表1 發(fā)電機(jī)首次并網(wǎng)SOE事件記錄Table 1 Events of sequencesduring first synchronization of generator

圖1 并網(wǎng)期間2號汽輪機(jī)高、中壓調(diào)門動作趨勢Fig.1 Trends of GV and ICV of No.2 turbine after synchronization of generator

2021年4月8日,利用2號機(jī)組調(diào)停機(jī)會,對發(fā)變組保護(hù)盤GRP-A、GRP-B內(nèi)逆功率保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn),進(jìn)行定值修改后,恢復(fù)上次短接線及連接片;2021年4月25日,機(jī)組調(diào)停結(jié)束后起動復(fù)役,17:03 2號機(jī)組一次并網(wǎng)成功。

2 發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)配置的目的

當(dāng)原動機(jī)動力失去,而發(fā)電機(jī)仍勵磁投入且和電網(wǎng)并列時,電網(wǎng)將驅(qū)動發(fā)電機(jī)以同步電動機(jī)方式運(yùn)行。這種運(yùn)行方式對汽輪機(jī)或水輪機(jī)尤其有害。對汽輪機(jī)而言,將引起汽輪機(jī)葉片和汽輪機(jī)的過熱并造成潛在危害;對水輪機(jī)而言,將引起水輪機(jī)葉片的氣蝕損害。在發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時,由于汽輪機(jī)調(diào)門快速關(guān)閉而發(fā)電機(jī)仍然與電網(wǎng)并列時,也容易發(fā)生這種發(fā)電機(jī)逆功率現(xiàn)象。

不依賴原動機(jī)的動力,驅(qū)動1臺發(fā)電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速選擇所需要的電功率,與其銘牌額定有功功率相比,一般為：凝汽式汽輪發(fā)電機(jī),1%～3%;非凝汽式汽輪發(fā)電機(jī),3%以上;水輪式發(fā)電機(jī),0.2%～2%;柴油機(jī)組發(fā)電機(jī),約25%;燃機(jī)輪機(jī)發(fā)電機(jī),50%以上。

典型的發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)如圖2所示,當(dāng)功率方向繼電器檢測到有功功率從電網(wǎng)流向發(fā)電機(jī)時,發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作。

圖2 典型發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)配置方式Fig.2 Typical configuration of generator reverse power protection

3 發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)校驗(yàn)情況

2021年4月8日,利用2號機(jī)組調(diào)停機(jī)會,對發(fā)變組保護(hù)盤GRP-A、GRP-B內(nèi)逆功率保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn),校驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 ABB發(fā)變組保護(hù)裝置逆功率保護(hù)校驗(yàn)記錄Table 2 Records of ABB generator reverse power protection

ABB發(fā)變組保護(hù)裝置中的逆功率保護(hù)有兩段,分別為32G-1和32G-2,逆功率保護(hù)的電流、電壓信號分別引自發(fā)電機(jī)出線保護(hù)用CT和PT。其中,32G-1保護(hù)使用發(fā)電機(jī)A相電流,32G-2保護(hù)使用發(fā)電機(jī)C相電流,電壓信號均使用發(fā)電機(jī)出口線電壓。兩段逆功率保護(hù)校驗(yàn)的特性圖詳見圖3、4。

圖3 32G-1動作特性圖Fig.3 Operation characteristic of 32G-1

圖4 32G-2動作特性圖Fig.4 Operation characteristic of 32G-2

4 發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作原因分析

根據(jù)ABB逆功率保護(hù)32G-1、32G-2校驗(yàn)情況,對2號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期32G-2保護(hù)的動作原因分析如下。

(1) ABB逆功率保護(hù)動作角裕度偏小,在電流滯后電壓方向,最小裕度僅0.3°。

(2) ABB逆功率用CT的參數(shù)如下：編號4C,變比15 000/5;0.3 s;該CT的精度為0.3級。查互感器試驗(yàn)導(dǎo)則GB/T 22071.1—2018,對于0.3級CT,在二次側(cè)1%額定電流情況下,相位誤差范圍可達(dá)0.25°～0.75°。

(3) 對ABB逆功率保護(hù)裝置進(jìn)行外加電流校驗(yàn)時,觀察保護(hù)裝置內(nèi)部檢測到的電流,滯后外部注入電流約0.34°。

(4) 在未考慮PT誤差的情況下,ABB保護(hù)裝置內(nèi)部檢測到的電流,其相角可滯后實(shí)際電流0.59°(0.34°+0.25°)～1.09°(0.34°+0.75°)。

(5) 根據(jù)圖4,ABB逆功率保護(hù)32G-2動作角最小裕度為0.3°。因此,當(dāng)電流滯后電壓相角89.71°(90°-0.59°+0.3°)和89.21°(90°-1.09°+0.3°)時,保護(hù)有可能誤動。

(6) 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時有功功率很小,一般僅為發(fā)電機(jī)額定功率的5%～8%。DEH系統(tǒng)檢測到并網(wǎng)信號后,開始開大調(diào)門,有功功率開始增加,有功功率增加有個過程,一般約5 min后可達(dá)到5%初負(fù)荷。

(7) 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時無功功率大小取決于并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和系統(tǒng)的無功功率需求。3月16日10:11并網(wǎng)時,110 kV并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏低(約114.5 kV,正常在115 kV以上),2號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時,無功功率達(dá)141 MVar。

(8) 根據(jù)2號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時參數(shù)情況,無功功率141 MVar,有功功率2 MW,發(fā)電機(jī)C相電流3 766 A,則arctan(2/141)=0.81°。而90°-0.81°=89.19°,與89.21°之間僅相差0.02°。此時,電流動作值為3 766×(5/15 000)×cos(89.19°)=0.018 A,已大于0.015 A的動作電流?？紤]到PT相角誤差的疊加作用,32G-2逆功率保護(hù)很可能發(fā)生誤動作。

5 發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)參數(shù)調(diào)整

根據(jù)以上對發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作原因的分析,可以得出如下結(jié)論：

(1) ABB逆功率保護(hù)在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期,受電網(wǎng)電壓的影響,在向電網(wǎng)輸送大功率無功的情況下,因有功功率偏小(升至初負(fù)荷有功需要時間),C相電流相角滯后C相電壓相角接近90°。在CT、PT相角檢測誤差和逆功率保護(hù)裝置本身相角檢測誤差疊加的情況下,保護(hù)動作角容易進(jìn)入動作區(qū)。

(2) ABB逆功率保護(hù)動作值偏小,保護(hù)裝置設(shè)定內(nèi)部為0.015 A,折算為一次側(cè)有功功率約為1.64 MW,占發(fā)電機(jī)額定有功功率的0.5%,小于推薦的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)設(shè)定值范圍(一般為發(fā)電機(jī)銘牌有功功率的1%～3%)。

(3) 本次發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作時,汽輪機(jī)調(diào)門沒有關(guān)小情況出現(xiàn),且汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度、壓力也保持穩(wěn)定,說明原動機(jī)輸入功率并未減少,汽輪機(jī)并網(wǎng)后的運(yùn)行工況與3 000 r/min暖機(jī)狀態(tài)接近。而發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)設(shè)置的目的,是為了保護(hù)汽輪機(jī)內(nèi)部不發(fā)生鼓風(fēng)過熱現(xiàn)象。因此,本次發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)的動作,對于汽輪機(jī)系統(tǒng),是沒有必要的。

因此,為了避免2號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)容易發(fā)生誤動,有必要對逆功率保護(hù)的設(shè)定值進(jìn)行完善,措施如下：①針對ABB逆功率保護(hù)動作值偏小的問題,將逆功率保護(hù)動作值由0.015 A提高到0.03 A。保護(hù)動作值提高后,折算到一次側(cè)有功功率約3.3 MW,占發(fā)電機(jī)額定有功功率約1%,滿足推薦的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)設(shè)定值范圍。②逆功率保護(hù)設(shè)定值提高后,也改善了保護(hù)動作角裕度偏小的情況。以本次發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作為例,當(dāng)C相電流為3 766 A時,電流動作值為3 766×(5/15 000)×cos88.6°=0.03 A,相當(dāng)于提高了動作角裕度0.61°(89.21°-88.6°),改善了逆功率保護(hù)動作角裕度偏小的情況。

6 其他

除了對發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作值進(jìn)行完善外,在進(jìn)行發(fā)電機(jī)并網(wǎng)操作時,也有必要關(guān)注并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓情況,可以適當(dāng)提高并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓(本例可以通過調(diào)整110 kV系統(tǒng)主變有載調(diào)壓裝置,提高中央變110 kV電壓),以減少電網(wǎng)系統(tǒng)對剛并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)過大的無功功率需求,從而改善發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期發(fā)電機(jī)電流滯后電壓相角接近90°的情況,進(jìn)一步減少發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)誤動的可能性。