謝燕雄，張?zhí)?，?鵬

(神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027)

功率-負(fù)荷不平衡保護(hù)誤動作的分析與改進(jìn)

謝燕雄，張?zhí)?，?鵬

(神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027)

分析了某火電廠超超臨界機(jī)組功率-負(fù)荷不平衡(PLU)保護(hù)原理和誤動作事件，發(fā)現(xiàn)PLU保護(hù)設(shè)計中存在不合理之處，提出改進(jìn)建議并加以實(shí)施，有效避免了汽輪機(jī)超速故障，保護(hù)了汽輪機(jī)及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

汽輪機(jī)；功率-負(fù)荷不平衡；超速

0 概述

針對大型汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時的超速風(fēng)險，特別是運(yùn)行機(jī)組甩部分負(fù)荷工況，即機(jī)組與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的“發(fā)電機(jī)并網(wǎng)”信號正常，但由于外部線路故障、電網(wǎng)故障或者其他原因，導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際送出的功率瞬間大幅度下降時，汽輪機(jī)存在嚴(yán)重的超速風(fēng)險，在汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)中，一般設(shè)置功率－負(fù)荷不平衡(PLU)保護(hù)。

某火電廠1號、2號1 050 MW超超臨界機(jī)組分別于2015年2月、9月通過168 h試運(yùn)轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)營。2015-04-15，1號機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生過功率-負(fù)荷不平衡(PLU)保護(hù)誤動作事件，高、中壓調(diào)門3次開關(guān)，造成機(jī)組負(fù)荷從(-30)-1 050 MW波動了3次，直接威脅機(jī)組及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 PLU保護(hù)原理及動作過程介紹

1.1 PLU保護(hù)原理

功率-負(fù)荷不平衡(PLU)保護(hù)的動作條件：中壓缸進(jìn)汽壓力/額定中壓缸進(jìn)汽壓力(785PSI)-實(shí)際發(fā)電機(jī)負(fù)荷/額定負(fù)荷(1 050 MW)＞0.4。

汽輪機(jī)功率由中壓缸第1級入口蒸汽壓力來表征，輸入信號為4-20 mA，3個測點(diǎn)獨(dú)立取樣。

發(fā)電機(jī)功率信號：從發(fā)電機(jī)機(jī)端電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)取得三相電流、電壓信號，經(jīng)3塊功率變送器計算后得到。再將該功率信號送

到汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件。

汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件由ABB公司生產(chǎn)，每臺機(jī)組配置3塊，每塊卡件分別接收1個中壓缸第1級入口蒸汽壓力信號和1個發(fā)電機(jī)功率信號。該保護(hù)采用“3取2”判據(jù)，當(dāng)任何1塊卡件故障或任何1個信號故障時，保護(hù)均不會誤動作。

1.2 PLU保護(hù)邏輯框圖

PLU保護(hù)邏輯程序固化在汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件中，PLU保護(hù)邏輯如圖1所示。

1.3 PLU動作過程

當(dāng)汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件檢測到功率-負(fù)荷不平衡并達(dá)到整定值時，PLU保護(hù)在15 ms內(nèi)動作，快速關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥，2 s后PLU保護(hù)返回，汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥恢復(fù)伺服調(diào)節(jié)，并立即按保護(hù)動作前的閥位指令開啟汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥，或根據(jù)運(yùn)行人員指令控制機(jī)組負(fù)荷。

關(guān)于快速關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥2 s后又重新開啟至原閥位的動作要求，是基于下列2種原因設(shè)計而成的。

(1) PLU保護(hù)動作，立即全關(guān)汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥，如發(fā)電機(jī)出口開關(guān)實(shí)際上沒有分閘，需快速打開汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥，避免發(fā)電機(jī)變“電動機(jī)”運(yùn)行，或者引起發(fā)變組逆功率保護(hù)動作使機(jī)組跳閘。

(2) 若電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時性故障，故障快速消除后，為保證電網(wǎng)有功功率平衡，汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥必須及時打開，確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

圖1 PLU保護(hù)邏輯示意

2 PLU誤動作事件實(shí)際動作過程

2015-04-15T10:14，該火電廠1號機(jī)組正常運(yùn)行，發(fā)電機(jī)有功功率911 MW，CCS控制方式，AGC投入，汽輪機(jī)1號、2號高壓調(diào)節(jié)閥開度均為47.7 %，中壓調(diào)節(jié)閥開度均為100 %。

因工作人員誤斷開了發(fā)電機(jī)出口1號PT的測量繞組的二次空開，導(dǎo)致所有功率變送器測量用的電壓信號瞬時變?yōu)?，汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件的3個功率信號也瞬時變?yōu)?。這符合PLU保護(hù)動作條件，故PLU動作。

10:14:39，機(jī)組負(fù)荷由911 MW突降為0，汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件中的功率-負(fù)荷不平衡PLU保護(hù)第1次動作，全部關(guān)閉汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥，機(jī)前主汽壓力由23.7 MPa突升至26.6 MPa，動作持續(xù)2 s。

10:14:41，PLU保護(hù)返回，汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥自動恢復(fù)伺服控制，并快速開啟至原開度。

10:14:44，由于TP800保護(hù)模件的3個功率信號仍為0， PLU保護(hù)第2次動作，第2次全部關(guān)閉汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥。

10:14:46，PLU保護(hù)第2次動作返回后，汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥自動恢復(fù)伺服控制，并快速開啟至原開度。

10:14:49，PLU由于TP800保護(hù)模件的3個功率信號仍為0，保護(hù)第3次動作，第3次全部關(guān)閉汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥。

10:14:51，PLU保護(hù)第3次動作返回后，汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥自動恢復(fù)伺服控制，并快速開啟至原開度。

10:14:52，工作人員重新合上發(fā)電機(jī)出口1號PT的測量繞組的二次空開，發(fā)電機(jī)有功功率恢復(fù)正常，PLU保護(hù)動作停止，運(yùn)行人員手動調(diào)整機(jī)組參數(shù)維持機(jī)組穩(wěn)定。從DCS系統(tǒng)查閱得知，主變高壓側(cè)有功功率從(-30)-1 050 MW波動了3次，直接威脅機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3 PLU保護(hù)誤動作暴露的問題

3.1 PLU保護(hù)功率變送器電壓采樣不合理

根據(jù)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會制定的SIL3安全標(biāo)準(zhǔn)，PLU采用“3取2”判據(jù)設(shè)計，以避免信號誤發(fā)導(dǎo)致保護(hù)誤動。但實(shí)際配置中，所有測量用的電壓信號均取自發(fā)電機(jī)出口1號PT的測量繞組，當(dāng)該組PT故障或發(fā)生二次回路斷線等情況時，送至汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件的3個功率信號同時受到影響，造成PLU保護(hù)誤判斷。

3.2 PLU保護(hù)動作判據(jù)不充分

作為防止汽輪機(jī)超速的手段，若僅依靠單一電功率測量信號判斷機(jī)械功率和電功率不平衡，并作為PLU保護(hù)動作的依據(jù)，則在出現(xiàn)因類似本次事件引起的功率信號失真時，在汽輪機(jī)和電網(wǎng)運(yùn)行正常情況下，PLU保護(hù)即發(fā)生誤動，將引起機(jī)組功率大幅波動。

3.3 TP800保護(hù)模件無法判斷有功功率信號故障

PLU保護(hù)設(shè)計的初衷是：當(dāng)PLU動作機(jī)組避開超速風(fēng)險后，恢復(fù)汽輪機(jī)DEH伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。但因汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件無法對發(fā)電機(jī)有功功率信號故障進(jìn)行判斷，導(dǎo)致因功率信號故障時PLU保護(hù)多次動作，直到重新合上發(fā)電機(jī)出口1 號PT的測量繞組的二次空開，發(fā)電機(jī)有功功率恢復(fù)， PLU保護(hù)才停止動作。

3.4 功率變送器的時間常數(shù)難以滿足要求

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般功率變送器的時間常數(shù)要求小于400 ms，實(shí)際在240-400 ms，延時較長，難以滿足系統(tǒng)故障快速響應(yīng)的要求。

4 PLU保護(hù)的改進(jìn)措施

4.1 改進(jìn)PLU保護(hù)采樣

4.1.1 采用快速智能響應(yīng)型功率變送器

快速智能響應(yīng)型功率變送器的響應(yīng)時間可縮短至40 ms，能有效解決一般功率變送器響應(yīng)時間長的問題，滿足電網(wǎng)暫態(tài)故障的快速響應(yīng)要求。因此，將原來為汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件提供功率信號的3只普通功率變送器更換為智能功率變送器。

快速智能響應(yīng)型功率變送器具有2組電流、電壓間切換及斷線識別功能。正常運(yùn)行中，該智能功率變送器采用PT和CT的測量用繞組的電壓、電流信號進(jìn)行功率計算。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)事故時，發(fā)電機(jī)有功功率發(fā)生突變，此時該智能功率變送器自動切換至PT和CT的保護(hù)用繞組的電壓、電流信號進(jìn)行功率計算，解決電網(wǎng)故障情況下的暫態(tài)特性問題。同時，該智能功率變送器具有自動識別PT、CT斷線的功能，能解決PT、CT斷線時PLU的誤動作問題。

4.1.2 改進(jìn)智能功率變送器采樣回路

(1) 智能功率變送器電源回路分別采用獨(dú)立的UPS供電。

(2) 智能功率變送器電流采樣回路分別引入發(fā)電機(jī)機(jī)端2組CT的二次繞組(一組測量繞組，另一組保護(hù)繞組)。

(3) 智能功率變送器電壓采樣回路分別引入發(fā)電機(jī)機(jī)端2組PT不同的二次繞組(一組測量繞組，另一組保護(hù)繞組)，PT二次空開采用單極空開。改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)出口PT接線如圖2所示。

(4) 各智能功率變送器送至DEH的信號電纜獨(dú)立布置。

4.2 增加轉(zhuǎn)速信號閉鎖條件

為防止PLU保護(hù)誤動，在PLU動作回路中串聯(lián)轉(zhuǎn)速動作接點(diǎn)。當(dāng)PLU保護(hù)動作、轉(zhuǎn)速動作判據(jù)同時滿足時，PLU保護(hù)才能出口。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定PLU動作轉(zhuǎn)速為3 030 r/min，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到此動作轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速動作輸出接點(diǎn)閉合。只有當(dāng)汽輪機(jī)機(jī)械功率與電功率不平衡(大于0.4)且機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到3 030 r/min值時，PLU保護(hù)才會動作出口，避免PLU保護(hù)誤動。同時，在PLU出口回路中引入機(jī)組出口開關(guān)合閘位置接點(diǎn)，只有當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行且以上2個條件同時滿足時，PLU保護(hù)才會動作，從而防止PLU誤動。

此外，為確保PLU保護(hù)動作的可靠性，將汽輪機(jī)TP800保護(hù)模件中的轉(zhuǎn)速判斷的控制周期縮短。修改后的PLU保護(hù)動作原理如圖3所示。

5 結(jié)束語

汽輪機(jī)PLU保護(hù)是ETS系統(tǒng)的一項重要保護(hù)，也是DEH系統(tǒng)防止超速控制功能的一部分，雖然比較簡單，卻往往容易被忽略?，F(xiàn)對PLU保護(hù)誤動作進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，這對提高PLU保護(hù)可靠性、防止汽輪機(jī)組超速、抑制電網(wǎng)振蕩、迅速恢復(fù)機(jī)組功率、防止事故擴(kuò)大，有一定的借鑒意義。

圖2 改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)出口PT接線示意

圖3 改進(jìn)后的PLU保護(hù)動作原理示意

1 徐衍會，賀仁睦，孔祥云．調(diào)速系統(tǒng)超速保護(hù)控制對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響[J].現(xiàn)代電力，2006，23(6)：6-9．

2 丁 浩，沙 明．汽輪機(jī)功率負(fù)荷不平衡控制響應(yīng)時間分析[J]．吉林電力，2011，39(5)：12-13．

3 朱松強(qiáng)．功率負(fù)荷不平衡模塊(PLU)誤動原因分析[J]．浙江電力，2005，72(4):44-45．

4 過小玲，鄭渭建．取消東汽機(jī)組PLU保護(hù)的可行性探討[J]．浙江電力，2012，31(1):56-58．

2016-09-16。

謝燕雄(1983-)，男，助理工程師，主要從事火電廠集控運(yùn)行工作，email：442440378@qq.com。

張?zhí)?1973-)，男，高級工程師，主要從事運(yùn)行管理工作。

余 鵬(1982-)，男，工程師，主要從事火電廠汽機(jī)運(yùn)行管理工作。