断面零功率下机组状态分析及其解决方案

吴志奇，王献志，韩日涛

(1.神华河北国华沧东发电有限责任公司，河北 沧州 061001;2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021 )

目前大多电厂尚无应对机组输出功率突然缺失事故的技术措施，当大容量火电机组在重载情况下突然失去送电通道时，机组电压迅速升高、机组转速迅速上升，锅炉水位急剧波动;由于发电机未灭磁、锅炉未灭火，在调速器和励磁调节器作用下机组从超压、超频状态演变为低频过程，甚至可能出现频率摆动，对汽轮机叶片也有伤害。此时若不及时采取锅炉熄火、关闭主汽门、灭磁等一系列措施，必将严重威协机组安全，甚至损坏热力设备［1-3］。因此，大容量机组装设发电机零功率保护是非常有必要的。以下结合国华沧东发电有限公司(简称“国华沧东电厂”)的一次断面零功率事件分析，阐述零功率切机保护的原理和对机组安全的重要性。

1 故障情况概述

国华沧东电厂220 kV 升压变电站为双母线接线，1 号机组经2 条同杆架设的双回线路将电能输送至对端变电站，2 台启动备用变压器分别为4 台600 MW 机组提供启动电源。故障前，对侧变电站正常全接线方式运行，国华沧东电厂220 kV 系统双母线运行;厂渤I、II 线运行;1 号发电机并网运行。由于船舶外力破坏，使渤临I、II 线(同塔双线)24 号塔倒塔，渤临双线分别故障跳闸，之后1 号机组跳闸，220 kV 升压变电站失压，渤海变电站220 kV 母线失压，负荷失电。

2 故障原因分析

2.1 动作过程分析

17:30:14，渤临I 线931、603 型微机保护动作，W 相转V 相故障，未重合;17:30:19，渤临II 线931、603 型微机保护动作，U 相转V 相故障，未重合。

17:30:19，国华沧东电厂1 号机组负荷由530 MW 突降至308.6 MW，同时转速开始飞升，1 s 后转速升至3 094 r/min，机组调速系统OPC 动作，调速汽门开始关闭，2.5 s 后转速升至3 304 r/min，机组频率55.07 Hz，汽轮机110%超速跳闸(机械超速，电超速)，主汽门、调速汽门迅速关闭，发电机失去原动力。但是由于渤临双线断开，无法提供外部电源，逆功率保护不能动作，无法断开211 主断路器。

期间，锅炉主蒸汽压力由16.63 MPa 经15 s 后升到18.055 MPa，越高限(限值17.5 MPa)，汽包压力由17.48 MPa 经18 s 后升至18.14 MPa，40 s 左右，锅炉侧电动安全门动作。

17:30:28，1号机频率持续下降，降低至频率保护动作值，1 号机组录波器显示“1 号机组发电机低频一段”保护动作，第一段低频保护动作于发信号。17:30:30，1 号机组录波器显示“1 号机组发电机低频二段”保护动作，第二段低频保护动作于程序跳闸。但同样由于渤临双线断开，逆功率保护不能动作，无法断开主断路器。

17:30:56，由于机端电压下降，1 号机组调节器运行在“复励”运行状态，17:31:06，1 号机组励磁系统发“复励故障”告警，至发变组保护启动机组全停，跳开灭磁断路器、211 断路器，机组解列，6 kV 厂用11、12 及01 公用段断路器断开。

2.2 机组动作行为分析

在线路跳闸、机组与电网脱离、汽机甩负荷过程中，发电机一直处于运行状态，没有任何电气量保护动作使发电机灭磁和跳闸，发电机完全处于被动位置。发电机励磁系统感受到发电机仍处于并网状态，但实际上已处于甩负荷状态，电气方面只能靠励磁调节器自身的调节功能来减磁降压。而对汽轮机来说，电厂汽轮机OPC 保护分两部分，第一是当汽轮机转速大于3 090 r/min 时，OPC 电磁阀动作，迅速关闭汽轮机调门;第二是甩负荷预测(LDA)，当机组负荷大于30%，且主断路器跳闸后OPC 电磁阀动作，防止机组超速。由于本次事故属于非常规甩负荷，主断路器在甩负荷时未跳开，失去甩负荷预测功能，OPC 只在汽轮机转速大于3 090 r/min 时动作，导致转速飞升过高。一旦OPC 保护动作失灵，则有发生“飞车”的危险。同时，机组的突然甩负荷也会造成电网功率突然缺失，引起频率的异常变化，给电网的安全稳定运行带来风险。

另一方面，发电机突然甩负荷时，发电机的端电压会突然增高。在甩负荷瞬间，发电机端电压会异常升高至1.3 倍额定电压甚至更高。同时发电机转速也会上升，从而使发电机端电压进一步升高，甚至达到危及设备安全的程度。在自动励磁调节系统中，快速的、较高电压放大倍数的调节器再加上可以逆变的励磁系统，可以在很短时间内把电压降至额定值。在这次事故中，励磁调节器动作正确，避免了设备损害事件的发生。

3 零功率切机保护解决方案

国华沧东电厂2、3、4 号机组通过500 kV 同杆并架经过东骅I、II 线双回线接入系统。500 kV 系统与220 kV 系统同样面临输电线路同时故障造成机组无法输出功率的问题，因此有必要装设发电机零功率保护来保证机组的安全稳定运行。

国华沧东电厂选用PCS-985UP 型机组功率切机装置，利用正向功率突降为零过程中的频率突增、电压突增、有功功率突降、电流突降等电气特性，采集发变组单元的电压和电流量构成逻辑判据，由启动判据、动作判据、闭锁判据三部分组成。启动判据由发电机电压突增元件、频率突增元件、过频元件和功率投入元件构成;动作判据由低功率元件、电流突降元件和低电流元件构成;闭锁判据有正序电压元件、负序电压元件构成。启动原件动作后，开放保护出口正电源，同时开放保护相应的保护元件，只有在启动元件动作，同时对应的保护元件动作后才能跳闸出口。功率突降切机装置动作后，迅速切换厂用电并对发电机灭磁，同时作用于汽机紧急跳闸保护“ETS”并启动机炉联锁跳闸［4］。

4 结束语

国华沧东电厂零功率切机装置的应用，可以有效解决送出线路断面功率为零时，汽轮发电机组无快速保护跳闸，机组超速的重大安全隐患，防止发电机过电压和降低热力设备损坏风险，避免停机维修所带来的大量的直接和间接经济损失，具有巨大的综合社会效益。

［1］夏传江，杨正强，李 鸣.发电机零功率保护在300 MW 机组发变组保护中的应用器二次回路N600 多点接地查找及处理［J］.贵州电力技术，2013，16(4):57-58.

［2］叶朋真.零功率保护在REG670 中的实现及定值整定［J］.安徽电气工程职业技术学院学报，2013，17(1):51-54.

［3］余 智.零功率装置的发电机组外送线路中断后超速保护方案［J］.贵州电力技术，2012，15(4):89-92.

［4］严 伟，方运昇，陈 俊，等.特大型机组保护若干问题探讨.北京:中国电力出版社［J］.江苏电机工程，2011，30(2):16-19.