甩负荷试验中发电机频率异常保护动作分析

童 凯，张雪松，骆 丽

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

0 引言

发电机甩负荷试验是考核汽轮机调速系统动态特性最直接、最常用的方法，试验涉及机、炉、电各个专业。甩负荷试验还可以检验配套辅机及相关系统设计对甩负荷工况的适应性，因此，新建机组都会在投产时进行甩负荷试验，并已纳入新机组启动验收的技术规范。随着机组容量的增大和新型设备的采用，甩负荷试验的风险性也随之加大，因此必须做好精心的技术准备、充分的事故预想、完善的反事故措施，确保甩负荷后锅炉不灭火、汽轮机维持空转，试验结束后能迅速并网带负荷[1-2]。

发电机频率异常保护分低频率和过频率两方面，用于保护汽轮机和叶片免受损伤。本文结合某电厂发电机甩负荷试验中频率异常保护动作的实例，对发电机频率异常的原因及影响进行了详细分析，并对发电机频率异常保护整定配置提出了改进措施，供相关技术人员参考。

1 频率异常保护动作概况

某发电工程3号机组为西门子公司制造的SGen 5-100A-2P汽轮发电机组，额定容量97.18 MVA，额定功率77.8 MW，额定电压10.5 kV，额定电流5 344 A。发变组采用单元制接线方式，发电机直连主变压器，中间无高压厂用电变压器与发电机出口开关。发变组保护采用AREVA公司的微机型保护装置P343。励磁系统采用3机无刷励磁方式，励磁机励磁电压来自副励磁机，一次电气接线如图1所示。

图1 发电机一次系统接线

2010年3月3 日，3号发电机组进行甩负荷试验，试验前发变组出口断路器DL32和隔离开关ZD34在合闸位置，隔离开关ZD35和接地闸刀DD35在分位，3号机通过132 kVⅠ母母线向电网输送功率。发电机有功功率为70 MW，无功功率9.11 Mvar，发电机机端电压10.25 kV。试验时，试验人员通过后台控制系统的手动模式拉开DL32，发电机随即甩掉系统负荷，但此时运行人员发现监控系统显示发电机保护动作，汽轮机已跳机。现场保护试验人员随即查看3号发变组保护屏，发现2套发变组保护P343的Trip跳闸灯和Alarm告警灯均已点亮，装置液晶屏的故障报告显示：发电机频率异常保护动作，发电机过激磁保护告警。

2 频率异常保护动作的原因分析

在此次甩负荷试验中，当试验人员拉开主变压器出口断路器DL32、发电机甩负荷后，由于汽轮机控制系统的自动调速装置还来不及减小导叶开度，因此发电机转速迅速上升，频率也随之上升。分析发电机机端A，B相间电压及频率的故障波形，发现发电机机端电压最高上升到11.07 kV，频率上升至51.6 Hz。该电厂发电机频率异常保护的配置为：过频率保护定值整定为频率大于50.5 Hz时延时1 s告警，大于51.5 Hz时延时0.1 s跳机。低频率保护定值整定为频率小于48.5 Hz时延时1 s告警，小于47.5 Hz时延时0.1 s跳机，保护逻辑如图2所示。甩负荷试验过程中，由于频率已上升至51.6 Hz，大于跳机定值，故障时间满足保护动作延时时间，因此保护动作，发电机全停。

在汽轮机甩负荷试验导则中，要求手动分闸断路器后发电机组应解列，不应联锁跳机，机组在汽轮机调速系统的作用下能够稳定在额定转速范围内。而本次试验中，发电机甩负荷后在没有发生超速等汽轮机故障的情况下，由频率异常保护动作跳开发电机，汽轮机自动调速装置动作过程未完整展现，达不到检验机组调速系统动态性能的目的。因此，认为该发电机频率异常保护的整定配置存在问题，需要适当改进。

图2 频率保护逻辑

3 频率异常保护的改进措施

发电机频率异常保护的目的是保护汽轮机，防止汽轮机叶片及其拉金因频率异常而断裂。大机组频率异常运行允许时间如表1所示，表中所列时间是电机制造厂给出的最小值[3]。

表1 大机组频率异常允许运行时间建议值

当发电机运行频率升高或降低时，若 fv-kf≥7.5 Hz，叶片将发生谐振，其中fv为汽轮机叶片自振频率，k为谐振倍率，k=1，2，3…，f为按转速换算的频率（Hz）。此时叶片承受很大的谐振应力，导致材料过度疲劳。当超出材料所允许的限额时，叶片或拉金就要断裂，造成严重事故。材料疲劳是一个不可逆的积累过程，所以必须规定汽轮机在不同频率下的允许累计运行时间[4]。

对于低频保护，GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定：300 MW及以上汽轮发电机应装设低频保护。保护动作于信号，并有累计时间显示。低频保护动作，说明系统中缺少有功功率，如果动作于切除发电机，将会进一步减少发出的有功功率，导致频率进一步下降，造成恶性循环，所以大部分发电厂一般都只设发信。

过频率和低频率对发电机的影响有所不同，下面从不同角度给出可行的保护策略。

（1）过频率保护采用全停跳闸的出口方式。

在本次试验中，发电机甩负荷后在没有发生超速等汽轮机故障的情况下，频率异常保护动作跳开发电机，影响了甩负荷试验的顺利进行。因此，本文认为过频保护告警逻辑可以采用电厂原有的配置方式，而跳闸逻辑应考虑发电机是否甩负荷，并适当延长过频保护的跳闸延时，延时时间可以根据表1提供的机组频率异常允许运行时间的最小值来整定。在甩负荷试验时，只有在汽轮机调速系统未起作用，且转速长时间过高存在超速飞车危险时，才动作于全停跳闸；若在正常运行时出现频率升高，则跳闸的延时较短。保护跳闸的逻辑如图3所示。

图3 过频率保护跳闸逻辑

即：保护收到发电机甩负荷动作信号，且频率高于过频率定值时，延时30 s出口跳闸。当高频率条件满足而未收到发电机甩负荷动作信号时，延时3 s跳闸。

采用这种保护出口方式时，既能保证在机组出现频率异常、存在造成严重事故可能性时可靠跳闸，又能在甩负荷过程中避免在机组调速系统动作前即跳开发电机，造成不必要的损失。

（2）过频率保护采用解列灭磁的出口方式。

根据GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定，过频率保护可以动作于解列灭磁或程序跳闸。但是从机组运行的经济性考虑，过频率保护配置解列灭磁的出口方式较好。因为如果选择程序跳闸，一旦主汽门关闭，按《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，汽轮机热态启动前应连续盘车4 h以上才能重新冲转，从而失去了快速恢复运行的可能性，机组至少在4 h内不能投入运行，盘车时还将消耗大量燃料和厂用电[5]。而如果选择解列灭磁，汽轮机甩负荷后，机组调节系统可在几秒钟内使发电机恢复到额定转速，也就能在很短的时间内并网投入运行，从而减少经济损失。

（3）过频率保护采用发信的出口方式。

考虑到对汽轮机叶片及拉金影响的积累效应，频率升高对汽轮机的安全是有危胁的，从这点出发，频率异常保护应该包括频率升高的情况。然而，一般汽轮机都配置了超速保护，允许的超速范围比较小，频率升高又大多是在轻负荷或空载时发生，例如文中的甩负荷试验，此时汽轮机叶片和拉金所承受的应力要比低频率满载时小得多。因此过频率保护可以只发告警信号而不跳闸，通过后台监控系统通知运行人员。运行人员根据发电机的工况，通过机组的调速系统或功频调节装置的调节作用，以及在必要时切除部分机组，使频率迅速恢复到正常范围。采用这种保护出口方式时，对电厂运行人员的运行操作水平和电气相关知识的要求较高。

4 结语

该电厂在发电机重新并网运行后，将发电机过频率保护的出口方式改为发信，顺利完成了甩负荷试验。发电机过频率作为一种异常运行状态，并不会产生即时危害，当异常现象消失后，存在着快速恢复运行的可能性。因此建议采用告警发信或解列灭磁的保护出口方式，以减少经济损失。

[1]韦东良，樊应龙，吴刚.北仑电厂二期汽轮发电机组甩负荷试验分析[J].浙江电力，2002（1）:36-39.

[2]田丰.国产600 MW超临界机组甩负荷试验分析[J].汽轮机技术，2009，51（3）:217-219.

[3]袁季修，李文毅.大型汽轮发电机组频率异常运行允许时间的调查及建议[J].电力技术，1991（6）:67-72.

[4]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2001.

[5]国家电力公司.国电发[2000]589号防止电力生产重大事故的二十五项重点要求[M].北京：中国电力出版社，2005.