一例汽轮发电机继电保护的缺陷分析及改进

周成霖，汤夫媛

（萍乡方大钢铁有限公司动力二厂，江西萍乡 337000）

1 引言

方大萍钢动力二厂蒸汽发电站现拥有3套汽轮发电机组，其中2#15M W机组于2007年9月投运，是萍钢公司建成的第一套汽轮发电机组。由于发电机组直接与公司10k V供电系统并网，与系统电网没有变压器隔离，同时设计上又依照小火电厂“删繁就简”的配置思路，省略了一些保护功能，由此造成运行以来事故频发。发电机组抵御电力系统事故干扰能力差，继电保护配合上出现保护死区，尤其是在电力系统事故状态下，发电机组不能与电力系统解列，使发电机组处于危险运行工况，严重威胁发电机组安全，甚至发生可能导致整套机组损毁的险情。汽轮发电机组运行环境隐患丛生，完善发电机继电保护功能，提高机组安全运行水平已势在必行。

2 汽轮发电机低频运行

2.1 汽轮发电机低频运行事故

2009年9月16日，由于110k V变电站倒闸操作失误，导致外部供电系统与变电站2#主变解列，2#主变所带10k VⅡ段24M W负荷全部甩给蒸汽发电站2#15M W汽轮发电机组，机组出现过负荷。因过负荷电流未达到过流保护跳闸整定值，发电机组“小马拉大车”这种运行状况前后持续达9m i n，直到电网与发电机组又发生非同期合闸，过流保护动作，发电机组才跳闸。其间发生机组长时低频运行，运行参数见表1。

表1 机组低频运行参数表

2.2 汽轮发电机低频运行的危害

低频运行对汽轮发电机组的危害是多方面的，其中主要有：

（1）引起汽轮机末级叶片出现低频共振疲劳而损伤，长期过负荷运行可能导致叶片断裂。

（2）使发电机转子风扇出力降低，风量下降，从而使发电机的冷却条件变坏，各部温度升高。

（3）使发电机电动势下降，导致发电机出力降低。若要保持发电机电动势不变，势必增加励磁电流，以增加磁通，从而使转子绕组的温度升高。

（4）当频率下降时，如仍要保持发电机出力，就要增加励磁电流，导致定子铁芯出现磁饱和，从而引起发电机部件温升过高。

（5）使厂用电动机转速随之下降，厂用机械出力相应降低，进而造成汽轮发电机发出的有功功率继续减少，导致运行频率再度降低，恶性循环。

（6）低频运行还容易造成机组推力轴承过负荷，同时主油泵出口油压下降，有可能造成因油压低而关闭主汽门。

3 汽轮发电机过频运行

3.1 汽轮发电机过频运行事故

蒸气发电站电气保护遵循发电厂单元机组继电保护的一般原则，即发电机在失去外部系统大负荷时，应能带厂用电负荷继续运行。这一保护原则，给蒸汽发电站在特殊运行环境下出现发电机组超速运行埋下伏笔。

2009年5月11日，因蒸汽发电站供电系统联络线光纤纵差保护动作，造成110k V变电站9206热电二线和蒸汽发电站9206热电二线同时跳闸，运行中的2#15M W发电机组被甩掉外部系统负荷，机组负荷从7M W降到最低限0.5M W，但此时挂接在发电机母线上的厂用电负荷只有0.26M W,发电机组出现“大马拉小车”的运行现象。汽轮机驱动功率因不能完全转化为电功率，过剩功率导致汽轮发电机组超速运行，最高转速飞升到3220转，其后因厂用电负荷过小，又造成转速较长时间滞留在3100r/m i n左右。因汽轮机保护设定转速3280转为停机值，危急保安器动作值为3300转。因此，汽轮发电机组过频运行前后维持了10多分钟后才手动停机解列。

3.2 汽轮发电机组过频运行的危害

（1）使转子的部件损坏。当频率升高时，会使发电机、汽轮机转子加速，离心力增加，易造成转子的部件损坏。严重时可以导致机组飞车，引起机组轴承及叶片断裂，甚至使整台机组报废，这是汽轮发电机组设备破坏最大的事故之一。

（2）引起发电机定子铁芯温度上升。频率升高时，会使发电机定子铁芯的磁滞、涡流损耗增加，从而引起铁芯的温度上升。

（3）汽轮发电机组过频运行一般发生在甩大负荷的情况下。带厂用电运行，此时会因为机内蒸汽流量过少，与汽轮机末级长叶片摩擦，形成鼓风损失，加热排汽，使汽缸温度升高，严重时会导致叶片过热而损坏。

4 汽轮发电机组频率保护的设置

从以上两起电气事故引发的汽轮发电机组运行险情中看到，完善汽轮发电机保护的紧迫性，为防范机组出现重大设备损坏事故，频率保护不可或缺。4.1 汽轮发电机组设置频率保护的依据（见表2）

表2 汽轮发电机组频率异常运行时间限制表

4.2 汽轮发电机且设置频率保护的改造

蒸汽发电站3套汽轮发电机组新增频率保护已具备良好的硬件基础，无须更多的投入和技改。现有继电保护装置选用多功能发电机保护装置S E L-300G，其内部已预留频率保护的功能。因此只须将保护整定值输入S E L-300G，即可拥有频率保护功能。再经过简单接线，便可将频率保护作用于信号、跳闸和上传D C S报警。经计算，蒸汽发电站汽轮发电机频率保护（S E L－300G）的定值确定如下：

27 B 81 P：20V（无压闭锁低频）

81 D 1 P：48H z（低频启动值）

81 D 1 D：3s（延时时间）

81 D 2 P：52H z（过频启动值）

81 D 2 D：1s（延时时间）

5 汽轮发电机组定子接地保护

5.1 汽轮发电机组定子单相接地的危害

根据安全运行的要求，发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。当接地电流较大时，在故障点引起电弧，弧光接地很容易发展为相间短路，造成更大危害。我国规定，当接地电容电流等于或大于5A时，汽轮发电机应设动作于跳闸的接地保护。为防范定子接地造成发电机损毁，蒸汽发电站机组据此设置了定子接地跳闸这一常规保护。

5.2 汽轮发电机定子接地保护的缺陷

因蒸气发电站发电机与110k V变电站10k VⅡ段系统直接连接，中间没有变压器作电磁隔离。因此，当变电站10k VⅡ段系统中任何一点出现接地，均会波及到发电机。15M W发电机组运行以来，从几次定子接地保护跳闸的情况分析，均是发电机外部电力系统接地造成的。由于110k V变电站10k V系统的庞大，每年均会发生多次单相接地故障，而由此殃及发电机定子接地保护动作的事故亦有多起。据统计，仅2011年就发生3次因外部电网接地而引发机组定子接地保护动作的停机事故，给发电生产带来不稳定性。

5.3 汽轮发电机定子接地保护定值的改进

从定子接地保护原理上讲，只有当发电机内部单相接地时，流经发电机零序电流互感器的零序电流，为发电机以外电压网络的对地总电容电流，这一电流较大，必须作用于保护跳闸。而当发电机外部系统单相接地时，流过零序互感器的零序电流，只为发电机本身的对地电容电流，而发电机本身电容电流一般不超过2A。因此，外部电力系统接地，发电机定子接地保护动作是不正常的。

蒸汽发电站发电机定子接地保护，是采用高导磁率硅钢片零序电流互感器构成的，发电机中性点经消弧线圈接地，继电保护整定值为：动作电流4 A，时限 0.5s。

依据我国发电机定子接地保护相关规定要求，接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护，其整定的选择原则是：

（1）应能躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流，以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称，而在二次侧引起的不平衡电流。

（2）保护装置应带有1～2s的时限，以躲开外部单相接地瞬间，发电机暂态电容电流（其数值远较稳态时为大）。如果不带时限，则保护装置的起动电流就必须按照大于发电机的暂态电容电流来整定。而我们从消弧监控测量柜查询到的接地故障时运行参数见表3。

表3 外部接地故障时相关运行参数

从以上数据及定子接地保护整定选择原则分析，110k V变电站高压系统发生单相接地而引发蒸汽发电站发电机定子接地保护动作，原因有二：一是发电机定子接地保护动作时限在设定上过于小心谨慎，在系统接地瞬间因存在暂态过程，其时发电机本身电容电流远大于4A的动作电流，而在0.5s内未衰减到稳态值，保护动作于跳闸；其二，由于系统接地电容电流过大，本站消弧线圈自动补偿电感电流，而且过补偿的电感电流大于系统电容电流，其差值大于4A，而接地时间又大于0.5s，导致定子接地保护动作。

因此，只要我们把接地保护时间从0.5s延长到2s。这样，当系统发生接地，尤其是瞬时接地时，发电机定子接地保护将可以躲过形成的暂态电流，避免停机事故的发生。此外，定子接地保护延时到2s后，一旦发电机内部发生单相接地，因保护动作电流维持4A不变，仍可确保发电机定子接地保护的可靠性。

6 结束语

发电机继电保护是维系汽轮发电机组安全的最后一道屏障，合理设置保护和配置保护参数又是其中至关重要的环节。方大萍钢动力二厂3套汽轮发电机组通过增加低频和过频保护，优化定子接地保护定值，增强了抗御外部故障干扰的能力，为汽轮发电机组长期的安全稳定运行提供了技术支持。