周傅峻，林 彤

（浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609）

1 設(shè)備概況

某燃煤發(fā)電廠Ⅰ期工程為2×600 MW超臨界機(jī)組，Ⅱ期工程為2×660 MW超超臨界機(jī)組。500 kV系統(tǒng)采用3/2接線方式。發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB（出口斷路器）。電氣主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線

Ⅰ期工程1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)為N600-24.2/566/566，由上海汽輪機(jī)有限公司制造；Ⅱ期工程3號(hào)、4號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)為N660-25/600/600，由上海汽輪機(jī)有限公司和德國SIEMENS聯(lián)合設(shè)計(jì)制造。Ⅱ期工程發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-660-2，由上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司制造，額定功率660 MW，額定電壓20 kV。

保護(hù)配置方面，500 kV線路采用AREVA的P系列保護(hù)。零功率切機(jī)保護(hù)均為CSS-100BE保護(hù)（軟件版本為V1.00）。1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)超速保護(hù)有電超速、OPC和機(jī)械超速。1號(hào)、2號(hào)機(jī)DEH采用北京ABB貝利控制有限公司生產(chǎn)的Symphony控制系統(tǒng)。3號(hào)、4號(hào)汽輪機(jī)超速保護(hù)采用電超速和DEH中集成的KU汽門快控保護(hù)（當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過快控汽門快速降低并隨之恢復(fù)汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械輸出功率，以減少機(jī)械和電氣功率的不平衡，阻止轉(zhuǎn)子角速度飛升和改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施[1]，簡稱KU），DEH系統(tǒng)采用西門子公司T3000控制系統(tǒng)，具有負(fù)荷干擾控制模塊，能夠快速檢測出負(fù)荷干擾，并作用于快控汽門。功率測量單元采用外接功率變送器，型號(hào)為 S3（T）-WD-3S-555A4BN，AC100V，5 A，0～990 W，采用三相三線制接線，輸出DC（4～20 mA）模擬量至KU。

2 事件經(jīng)過

某日，該發(fā)電廠所在地區(qū)為強(qiáng)雷雨天氣。故障前1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行，AGC方式，2號(hào)機(jī)停機(jī)檢修。機(jī)組負(fù)荷分別為：1號(hào)機(jī)346 MW、3號(hào)機(jī)383 MW、4號(hào)機(jī)379 MW。21時(shí)35分49秒，外送線路1的B相故障，P546線路差動(dòng)動(dòng)作，5012及5013開關(guān)B相跳閘（故障電流5600 A），約60 ms后故障切除，760 ms后3號(hào)、4號(hào)機(jī)組零功率保護(hù)動(dòng)作跳閘，1049 ms后5012，5013兩開關(guān)B相重合成功，保護(hù)故障測距41 km（線路全長56 km）。B相開關(guān)跳開后2條出線一次電流在760 ms內(nèi)均下降至約200 A。

調(diào)取1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)錄波文件，發(fā)現(xiàn)3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)在零功率切機(jī)保護(hù)動(dòng)作前的電流和功率有明顯下降過程，而1號(hào)發(fā)電機(jī)則相對(duì)穩(wěn)定。

3 故障分析及處理

3.1 保護(hù)動(dòng)作分析

分析認(rèn)為線路保護(hù)動(dòng)作正確。外送線路1的B相跳閘1 s后重合成功，外送線路2正常運(yùn)行，1號(hào)機(jī)負(fù)荷未出現(xiàn)明顯下降，這些現(xiàn)象可基本排除由外送功率消失引起零功率的可能。調(diào)取3號(hào)、4號(hào)機(jī)DEH事件記錄，發(fā)現(xiàn)DEH中KU曾動(dòng)作，2臺(tái)機(jī)組的高壓調(diào)門反饋均有明顯的下關(guān)過程，這與發(fā)電機(jī)功率有相對(duì)緩慢下降過程的現(xiàn)象相符。事件次序?yàn)椋壕€路B相故障→P546保護(hù)動(dòng)作切除故障相→3號(hào)機(jī)（4號(hào)機(jī)）DEH中KU動(dòng)作→3號(hào)機(jī)（4號(hào)機(jī)）高/中壓調(diào)門關(guān)閉→3號(hào)機(jī)（4號(hào)機(jī)）發(fā)電機(jī)零功率切機(jī)保護(hù)動(dòng)作致發(fā)電機(jī)開關(guān)跳閘→500 kV B相重合成功。通過對(duì)3號(hào)機(jī)DEH的事件波形分析，500 kV系統(tǒng)B相接地故障距KU觸發(fā)、調(diào)門開始下關(guān)時(shí)間約為350 ms，距零功率保護(hù)切機(jī)出口約760 ms。

3.1.1 KU動(dòng)作分析

KU邏輯如圖2所示。當(dāng)以下任一條件滿足時(shí)KU動(dòng)作：

（1）負(fù)荷干擾大于負(fù)荷跳變?cè)O(shè)定值GPLSP（480 MW，采樣周期為16 ms）；

（2）同時(shí)具備實(shí)際負(fù)荷在-26 MW～104 MW、負(fù)荷控制偏差大于104 MW且機(jī)組已并網(wǎng)這3個(gè)條件。

圖2 KU保護(hù)邏輯

通過對(duì)機(jī)組故障錄波波形輔助分析，當(dāng)系統(tǒng)B相故障時(shí)機(jī)組錄波器記錄的發(fā)電機(jī)功率為上升趨勢(shì)，而同時(shí)刻KU接收的功率信號(hào)為下降趨勢(shì)，2套裝置記錄的趨勢(shì)是相反的。因此，懷疑是否是因?yàn)镵U功率測量環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題導(dǎo)致實(shí)際功率與測量功率不符，從而導(dǎo)致KU誤動(dòng)作。省電力公司電力科學(xué)研究院對(duì)功率變送器進(jìn)行測試，結(jié)果表明：功率變送器在系統(tǒng)短路狀態(tài)下的功率輸出信號(hào)（4～20 mA)會(huì)發(fā)生突變，突變量與當(dāng)時(shí)的短路電壓、電流及相位有關(guān)，有可能上升也有可能下降。

通過實(shí)際故障回放測試，證明系統(tǒng)B相短路時(shí)實(shí)際變送器測量功率為下降（而正常應(yīng)該為上升），最大變化量為190 MW/100 ms，證明功率變送器在系統(tǒng)故障情況下的確存在輸出失真情況，證實(shí)了當(dāng)初的懷疑。實(shí)際KU動(dòng)作情況推斷：由于故障時(shí)刻功率變送器測量失真，測量值低于104 MW而負(fù)荷設(shè)定值維持運(yùn)行負(fù)荷值，此刻的控制偏差已超過104 MW，因此邏輯條件（2）滿足，與門輸出，導(dǎo)致KU觸發(fā)工作。

3.1.2 零功率保護(hù)動(dòng)作分析

零功率切機(jī)保護(hù)邏輯如圖3所示。系統(tǒng)B相故障時(shí)刻，機(jī)組電流/功率突變量啟動(dòng)條件滿足并保持至整組復(fù)歸；機(jī)組故障前實(shí)際功率為3號(hào)機(jī)383 MW、4號(hào)機(jī)379 MW，大于投運(yùn)設(shè)定值Pset1（60 MW），開放條件滿足。KU動(dòng)作后，零功率故障判據(jù)的3個(gè)條件同時(shí)具備：“事故后功率小于設(shè)定值Pset2（50 MW）”，實(shí)際為17 MW；啟動(dòng)后任兩相電流有效值在20 ms前后之差 ΔI=I-I-20ms≥IQD（突變量啟動(dòng)定值為150 A），啟動(dòng)后60～80 ms，B相電流 ΔI約為1230 A，C相電流 ΔI約為153 A，均大于IQD；故障后有兩相電流小于“投運(yùn)電流設(shè)定值（73 A）”，約為35 A。因此，零功率啟動(dòng)、開放和故障判據(jù)的條件均同時(shí)滿足，零功率切機(jī)保護(hù)出口。

圖3 原零功率切機(jī)保護(hù)邏輯

3.2 造成本次保護(hù)誤動(dòng)的多種因素

3.2.1 DEH功率測量單元失真和響應(yīng)延遲的影響

DEH中KU保護(hù)的功率量取自外接功率變送器（DC 4～20 mA），變送器內(nèi)部采用2路乘法器+1路加法器來實(shí)現(xiàn)功率計(jì)算，測量功率數(shù)學(xué)表達(dá)式為： P=Ia×Uab×cos30°+Ic×Ucb×cos30°（其中 30°為內(nèi)部固定值），變送器測量極限工作條件是：幅值不大于120%或接入的電流電壓角度（φIaUab，φIcUcb）不大于±60°。超出該范圍時(shí)功率測量就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真，從而不能真實(shí)反映實(shí)際功率和變化情況。對(duì)故障波形進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)刻Ia與Uab的最大角度達(dá)到72.8°，已超出變送器±60°的允許值。此外，故障時(shí)刻的諧波分量也有可能造成變送器隔離元件（變量器）飽和。故認(rèn)為在系統(tǒng)故障時(shí)刻變送器的工作條件發(fā)生了變化，導(dǎo)致功率測量失真。

在此次故障過程中，故障切除、系統(tǒng)負(fù)荷恢復(fù)正常300 ms后，KU仍然動(dòng)作出口關(guān)閉調(diào)門，這是沒有必要的。根據(jù)JJG電力01-94《電測量變送器檢定規(guī)程》，電測量變送器響應(yīng)時(shí)間不大于400 ms為合格。實(shí)際試驗(yàn)中變送器輸出測量延遲最小為130 ms（系統(tǒng)B相故障時(shí)），最大達(dá)340 ms（甩負(fù)荷情況下）?？梢姵Ｒ?guī)電測量功率測量變送器的測量延時(shí)并不完全適用于該KU保護(hù)。

3.2.2 KU保護(hù)過分依賴功率模擬量測量準(zhǔn)確性，邏輯設(shè)置過于簡單

KU保護(hù)主要是防止電氣與機(jī)械功率不平衡引起汽輪機(jī)超速。本次在發(fā)電機(jī)并未脫網(wǎng)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速未上升的情況下，KU保護(hù)因系統(tǒng)擾動(dòng)而不必要地觸發(fā)關(guān)閉調(diào)門。KU保護(hù)邏輯條件里并未考慮引入汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速作為最終有效把關(guān)判據(jù)，邏輯條件設(shè)置過于簡單，過分依賴功率單元模擬量測量，當(dāng)功率測量環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，測量功率與實(shí)際功率不相符時(shí)，導(dǎo)致KU保護(hù)不必要的動(dòng)作。

3.2.3 零功率切機(jī)保護(hù)邏輯條件不完善

零功率切機(jī)保護(hù)未能有效區(qū)分調(diào)門快關(guān)引起的功率下降和真正的斷面功率瞬間消失工況。調(diào)門關(guān)閉過程是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程（錄波圖中功率下降過程大約390 ms），該過程與零功率切機(jī)的功率突降特性有本質(zhì)的區(qū)別，很顯然零功率保護(hù)邏輯設(shè)置上對(duì)功率下降時(shí)間的定義不能與斷面零功率工況相吻合。

另外，原保護(hù)邏輯中，I-I-20ms>ΔIset采用的是從條件成立后一直保持至整組復(fù)歸的控制形式（整組復(fù)歸大于4 s）。本次事件中，造成零功率保護(hù)具備啟動(dòng)條件的是500 kV系統(tǒng)故障擾動(dòng)時(shí)造成的電流或功率突變，而非調(diào)門下關(guān)時(shí)電流或功率下降至動(dòng)作值，保護(hù)啟動(dòng)距離發(fā)電機(jī)功率下降至零功率動(dòng)作定值時(shí)刻達(dá)760 ms，而在發(fā)電機(jī)功率開始下降時(shí)刻，零功率保護(hù)啟動(dòng)條件中實(shí)際的電流和功率突變量并不存在。換而言之，該零功率切機(jī)保護(hù)在實(shí)際功率值達(dá)到跳機(jī)定值時(shí)，實(shí)際工況并未具備零功率保護(hù)邏輯設(shè)置的總出口啟動(dòng)條件（該時(shí)刻功率或電流突變量實(shí)際意義上并未啟動(dòng)，啟動(dòng)條件滿足是由于系統(tǒng)B相故障展寬的結(jié)果）。

3.3 故障處理方案

KU與零功率切機(jī)保護(hù)都有存在的必要。零功率切機(jī)保護(hù)著重解決斷面功率失去的情況，如全站線路跳閘或發(fā)電機(jī)開關(guān)偷跳，若此時(shí)調(diào)速或勵(lì)磁調(diào)節(jié)失靈則可能造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升和發(fā)電機(jī)電壓突升，對(duì)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)備造成嚴(yán)重威脅，并影響廠用電安全[2]。而KU是功率負(fù)荷不平衡保護(hù)，主要針對(duì)汽輪機(jī)的超速，可提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。就目前的保護(hù)配置而言，KU保護(hù)和零功率切機(jī)均有存在的必要，不能因?yàn)閮烧吲浜仙洗嬖趩栴}而長期退出任何一套保護(hù)。由于考慮到機(jī)組仍處運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)功率變送器改型或完善保護(hù)均需要一定時(shí)間，只能暫時(shí)退出KU保護(hù)，投入零功率切機(jī)保護(hù)（并設(shè)置高低負(fù)荷兩段定值供切換，滿足不同負(fù)荷段要求），待變送器改型和保護(hù)升級(jí)后再同時(shí)投入2套保護(hù)。具體需要解決以下幾方面問題。

3.3.1 解決功率測量單元的測量延遲和幅值失真

常規(guī)電測量變送器的響應(yīng)時(shí)間在400 ms內(nèi)均認(rèn)為合格，穩(wěn)態(tài)情況下，電測量功率變送器指標(biāo)上雖然滿足電測規(guī)程要求，但在故障或暫態(tài)工況下，功率測量可能存在失真。要徹底解決該問題，需要對(duì)功率測量單元進(jìn)行重新選型和設(shè)計(jì)，解決特殊工況下的功率測量失真和固有響應(yīng)延時(shí)等問題。

3.3.2 完善KU保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)邏輯

（1）系統(tǒng)單相故障只會(huì)對(duì)機(jī)組的輸送功率產(chǎn)生短暫的影響（本次事件中，60 ms即已切除故障），機(jī)械與電功率能保持相對(duì)平衡，該工況不會(huì)造成大的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化，而本次卻造成KU快控動(dòng)作，從KU保護(hù)的目的來看并不合理。KU保護(hù)中可增加轉(zhuǎn)速閉鎖條件（實(shí)際增設(shè)3018 r/min條件），轉(zhuǎn)速條件未達(dá)到則閉鎖KU保護(hù)出口，強(qiáng)調(diào)KU動(dòng)作的目的性，防止不必要的動(dòng)作。

（2）零功率切機(jī)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)應(yīng)有效區(qū)分快控調(diào)門與斷面零功率工況，保證在KU快控調(diào)門工況引起的功率下降時(shí)零功率保護(hù)不動(dòng)作，僅在斷面零功率情況下可靠動(dòng)作。

零功率切機(jī)保護(hù)優(yōu)化后的邏輯如圖4所示。

零功率保護(hù)自身方面的主要問題為故障判據(jù)I-I-20ms＞ΔIset展寬時(shí)間過長（采用整組復(fù)歸時(shí)間作為展寬時(shí)間，大于4 s），優(yōu)化后按線路故障判斷加斷路器跳開時(shí)間考慮，設(shè)定展寬150 ms，即在功率下降后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)必須判斷是否為線路跳閘，若是功率緩慢下降過程，則即使達(dá)到功率定值裝置也不會(huì)判斷為零功率。另外，增加斷面零功率工況的特征量條件，開放條件中新增ΔU1，f和Δf 3個(gè)防誤動(dòng)條件，因?yàn)樵谡嬲龜嗝媪愎β使r下，由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)滯后，會(huì)引起發(fā)電機(jī)電壓和頻率升高（Δf整定為 0.2 Hz，f整定 50.3～50.5 Hz，定值可根據(jù)甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整定）；故障判據(jù)中增加發(fā)電機(jī)正序電壓U1，因?yàn)樗统鰯嗝鏀嚅_時(shí)會(huì)引起電壓升高，因此可作為另一個(gè)特征量判據(jù)。

圖4 優(yōu)化后的零功率切機(jī)保護(hù)邏輯

4 結(jié)語

本次2臺(tái)機(jī)組跳閘的直接原因是在500 kV一次系統(tǒng)故障情況下功率變送器的測量條件超出了其正常工作范圍，造成功率測量失真，導(dǎo)致KU誤觸發(fā)，最終使2臺(tái)機(jī)組零功率保護(hù)跳閘。KU保護(hù)邏輯條件設(shè)置過于簡單、零功率切機(jī)保護(hù)邏輯不能區(qū)分負(fù)荷快關(guān)和斷面零功率工況是另一個(gè)重要原因。為此提出了重新研發(fā)新型功率變送器產(chǎn)品、改善變送器的測量失真等問題和完善KU及零功率切機(jī)保護(hù)邏輯的相關(guān)措施和建議。

[1] 都興有.關(guān)于快控汽門（快關(guān)）技術(shù)研討介紹[J].中國電力，1999（6）∶23-27.

[2] 王可山.零功率切機(jī)保護(hù)在大型火電廠的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2011（4）∶80-81.