周成霖，湯夫媛

（萍鄉(xiāng)方大鋼鐵有限公司動力二廠，江西萍鄉(xiāng) 337000）

1 引言

方大萍鋼動力二廠蒸汽發(fā)電站現(xiàn)擁有3套汽輪發(fā)電機組，其中2#15M W機組于2007年9月投運，是萍鋼公司建成的第一套汽輪發(fā)電機組。由于發(fā)電機組直接與公司10k V供電系統(tǒng)并網(wǎng)，與系統(tǒng)電網(wǎng)沒有變壓器隔離，同時設(shè)計上又依照小火電廠“刪繁就簡”的配置思路，省略了一些保護功能，由此造成運行以來事故頻發(fā)。發(fā)電機組抵御電力系統(tǒng)事故干擾能力差，繼電保護配合上出現(xiàn)保護死區(qū)，尤其是在電力系統(tǒng)事故狀態(tài)下，發(fā)電機組不能與電力系統(tǒng)解列，使發(fā)電機組處于危險運行工況，嚴(yán)重威脅發(fā)電機組安全，甚至發(fā)生可能導(dǎo)致整套機組損毀的險情。汽輪發(fā)電機組運行環(huán)境隱患叢生，完善發(fā)電機繼電保護功能，提高機組安全運行水平已勢在必行。

2 汽輪發(fā)電機低頻運行

2.1 汽輪發(fā)電機低頻運行事故

2009年9月16日，由于110k V變電站倒閘操作失誤，導(dǎo)致外部供電系統(tǒng)與變電站2#主變解列，2#主變所帶10k VⅡ段24M W負(fù)荷全部甩給蒸汽發(fā)電站2#15M W汽輪發(fā)電機組，機組出現(xiàn)過負(fù)荷。因過負(fù)荷電流未達(dá)到過流保護跳閘整定值，發(fā)電機組“小馬拉大車”這種運行狀況前后持續(xù)達(dá)9m i n，直到電網(wǎng)與發(fā)電機組又發(fā)生非同期合閘，過流保護動作，發(fā)電機組才跳閘。其間發(fā)生機組長時低頻運行，運行參數(shù)見表1。

表1 機組低頻運行參數(shù)表

2.2 汽輪發(fā)電機低頻運行的危害

低頻運行對汽輪發(fā)電機組的危害是多方面的，其中主要有：

（1）引起汽輪機末級葉片出現(xiàn)低頻共振疲勞而損傷，長期過負(fù)荷運行可能導(dǎo)致葉片斷裂。

（2）使發(fā)電機轉(zhuǎn)子風(fēng)扇出力降低，風(fēng)量下降，從而使發(fā)電機的冷卻條件變壞，各部溫度升高。

（3）使發(fā)電機電動勢下降，導(dǎo)致發(fā)電機出力降低。若要保持發(fā)電機電動勢不變，勢必增加勵磁電流，以增加磁通，從而使轉(zhuǎn)子繞組的溫度升高。

（4）當(dāng)頻率下降時，如仍要保持發(fā)電機出力，就要增加勵磁電流，導(dǎo)致定子鐵芯出現(xiàn)磁飽和，從而引起發(fā)電機部件溫升過高。

（5）使廠用電動機轉(zhuǎn)速隨之下降，廠用機械出力相應(yīng)降低，進而造成汽輪發(fā)電機發(fā)出的有功功率繼續(xù)減少，導(dǎo)致運行頻率再度降低，惡性循環(huán)。

（6）低頻運行還容易造成機組推力軸承過負(fù)荷，同時主油泵出口油壓下降，有可能造成因油壓低而關(guān)閉主汽門。

3 汽輪發(fā)電機過頻運行

3.1 汽輪發(fā)電機過頻運行事故

蒸氣發(fā)電站電氣保護遵循發(fā)電廠單元機組繼電保護的一般原則，即發(fā)電機在失去外部系統(tǒng)大負(fù)荷時，應(yīng)能帶廠用電負(fù)荷繼續(xù)運行。這一保護原則，給蒸汽發(fā)電站在特殊運行環(huán)境下出現(xiàn)發(fā)電機組超速運行埋下伏筆。

2009年5月11日，因蒸汽發(fā)電站供電系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線光纖縱差保護動作，造成110k V變電站9206熱電二線和蒸汽發(fā)電站9206熱電二線同時跳閘，運行中的2#15M W發(fā)電機組被甩掉外部系統(tǒng)負(fù)荷，機組負(fù)荷從7M W降到最低限0.5M W，但此時掛接在發(fā)電機母線上的廠用電負(fù)荷只有0.26M W,發(fā)電機組出現(xiàn)“大馬拉小車”的運行現(xiàn)象。汽輪機驅(qū)動功率因不能完全轉(zhuǎn)化為電功率，過剩功率導(dǎo)致汽輪發(fā)電機組超速運行，最高轉(zhuǎn)速飛升到3220轉(zhuǎn)，其后因廠用電負(fù)荷過小，又造成轉(zhuǎn)速較長時間滯留在3100r/m i n左右。因汽輪機保護設(shè)定轉(zhuǎn)速3280轉(zhuǎn)為停機值，危急保安器動作值為3300轉(zhuǎn)。因此，汽輪發(fā)電機組過頻運行前后維持了10多分鐘后才手動停機解列。

3.2 汽輪發(fā)電機組過頻運行的危害

（1）使轉(zhuǎn)子的部件損壞。當(dāng)頻率升高時，會使發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子加速，離心力增加，易造成轉(zhuǎn)子的部件損壞。嚴(yán)重時可以導(dǎo)致機組飛車，引起機組軸承及葉片斷裂，甚至使整臺機組報廢，這是汽輪發(fā)電機組設(shè)備破壞最大的事故之一。

（2）引起發(fā)電機定子鐵芯溫度上升。頻率升高時，會使發(fā)電機定子鐵芯的磁滯、渦流損耗增加，從而引起鐵芯的溫度上升。

（3）汽輪發(fā)電機組過頻運行一般發(fā)生在甩大負(fù)荷的情況下。帶廠用電運行，此時會因為機內(nèi)蒸汽流量過少，與汽輪機末級長葉片摩擦，形成鼓風(fēng)損失，加熱排汽，使汽缸溫度升高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致葉片過熱而損壞。

4 汽輪發(fā)電機組頻率保護的設(shè)置

從以上兩起電氣事故引發(fā)的汽輪發(fā)電機組運行險情中看到，完善汽輪發(fā)電機保護的緊迫性，為防范機組出現(xiàn)重大設(shè)備損壞事故，頻率保護不可或缺。4.1 汽輪發(fā)電機組設(shè)置頻率保護的依據(jù)（見表2）

表2 汽輪發(fā)電機組頻率異常運行時間限制表

4.2 汽輪發(fā)電機且設(shè)置頻率保護的改造

蒸汽發(fā)電站3套汽輪發(fā)電機組新增頻率保護已具備良好的硬件基礎(chǔ)，無須更多的投入和技改?，F(xiàn)有繼電保護裝置選用多功能發(fā)電機保護裝置S E L-300G，其內(nèi)部已預(yù)留頻率保護的功能。因此只須將保護整定值輸入S E L-300G，即可擁有頻率保護功能。再經(jīng)過簡單接線，便可將頻率保護作用于信號、跳閘和上傳D C S報警。經(jīng)計算，蒸汽發(fā)電站汽輪發(fā)電機頻率保護（S E L－300G）的定值確定如下：

27 B 81 P：20V（無壓閉鎖低頻）

81 D 1 P：48H z（低頻啟動值）

81 D 1 D：3s（延時時間）

81 D 2 P：52H z（過頻啟動值）

81 D 2 D：1s（延時時間）

5 汽輪發(fā)電機組定子接地保護

5.1 汽輪發(fā)電機組定子單相接地的危害

根據(jù)安全運行的要求，發(fā)電機的外殼都是接地的，因此，定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。當(dāng)接地電流較大時，在故障點引起電弧，弧光接地很容易發(fā)展為相間短路，造成更大危害。我國規(guī)定，當(dāng)接地電容電流等于或大于5A時，汽輪發(fā)電機應(yīng)設(shè)動作于跳閘的接地保護。為防范定子接地造成發(fā)電機損毀，蒸汽發(fā)電站機組據(jù)此設(shè)置了定子接地跳閘這一常規(guī)保護。

5.2 汽輪發(fā)電機定子接地保護的缺陷

因蒸氣發(fā)電站發(fā)電機與110k V變電站10k VⅡ段系統(tǒng)直接連接，中間沒有變壓器作電磁隔離。因此，當(dāng)變電站10k VⅡ段系統(tǒng)中任何一點出現(xiàn)接地，均會波及到發(fā)電機。15M W發(fā)電機組運行以來，從幾次定子接地保護跳閘的情況分析，均是發(fā)電機外部電力系統(tǒng)接地造成的。由于110k V變電站10k V系統(tǒng)的龐大，每年均會發(fā)生多次單相接地故障，而由此殃及發(fā)電機定子接地保護動作的事故亦有多起。據(jù)統(tǒng)計，僅2011年就發(fā)生3次因外部電網(wǎng)接地而引發(fā)機組定子接地保護動作的停機事故，給發(fā)電生產(chǎn)帶來不穩(wěn)定性。

5.3 汽輪發(fā)電機定子接地保護定值的改進

從定子接地保護原理上講，只有當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，流經(jīng)發(fā)電機零序電流互感器的零序電流，為發(fā)電機以外電壓網(wǎng)絡(luò)的對地總電容電流，這一電流較大，必須作用于保護跳閘。而當(dāng)發(fā)電機外部系統(tǒng)單相接地時，流過零序互感器的零序電流，只為發(fā)電機本身的對地電容電流，而發(fā)電機本身電容電流一般不超過2A。因此，外部電力系統(tǒng)接地，發(fā)電機定子接地保護動作是不正常的。

蒸汽發(fā)電站發(fā)電機定子接地保護，是采用高導(dǎo)磁率硅鋼片零序電流互感器構(gòu)成的，發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地，繼電保護整定值為：動作電流4 A，時限 0.5s。

依據(jù)我國發(fā)電機定子接地保護相關(guān)規(guī)定要求，接于零序電流互感器上的發(fā)電機零序電流保護，其整定的選擇原則是：

（1）應(yīng)能躲過外部單相接地時，發(fā)電機本身的電容電流，以及由于零序電流互感器一次側(cè)三相導(dǎo)線排列不對稱，而在二次側(cè)引起的不平衡電流。

（2）保護裝置應(yīng)帶有1～2s的時限，以躲開外部單相接地瞬間，發(fā)電機暫態(tài)電容電流（其數(shù)值遠(yuǎn)較穩(wěn)態(tài)時為大）。如果不帶時限，則保護裝置的起動電流就必須按照大于發(fā)電機的暫態(tài)電容電流來整定。而我們從消弧監(jiān)控測量柜查詢到的接地故障時運行參數(shù)見表3。

表3 外部接地故障時相關(guān)運行參數(shù)

從以上數(shù)據(jù)及定子接地保護整定選擇原則分析，110k V變電站高壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地而引發(fā)蒸汽發(fā)電站發(fā)電機定子接地保護動作，原因有二：一是發(fā)電機定子接地保護動作時限在設(shè)定上過于小心謹(jǐn)慎，在系統(tǒng)接地瞬間因存在暫態(tài)過程，其時發(fā)電機本身電容電流遠(yuǎn)大于4A的動作電流，而在0.5s內(nèi)未衰減到穩(wěn)態(tài)值，保護動作于跳閘；其二，由于系統(tǒng)接地電容電流過大，本站消弧線圈自動補償電感電流，而且過補償?shù)碾姼须娏鞔笥谙到y(tǒng)電容電流，其差值大于4A，而接地時間又大于0.5s，導(dǎo)致定子接地保護動作。

因此，只要我們把接地保護時間從0.5s延長到2s。這樣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地，尤其是瞬時接地時，發(fā)電機定子接地保護將可以躲過形成的暫態(tài)電流，避免停機事故的發(fā)生。此外，定子接地保護延時到2s后，一旦發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生單相接地，因保護動作電流維持4A不變，仍可確保發(fā)電機定子接地保護的可靠性。

6 結(jié)束語

發(fā)電機繼電保護是維系汽輪發(fā)電機組安全的最后一道屏障，合理設(shè)置保護和配置保護參數(shù)又是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。方大萍鋼動力二廠3套汽輪發(fā)電機組通過增加低頻和過頻保護，優(yōu)化定子接地保護定值，增強了抗御外部故障干擾的能力，為汽輪發(fā)電機組長期的安全穩(wěn)定運行提供了技術(shù)支持。