火电机组零功率保护判据优化及应用分析

杨 涛

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

大型汽轮发电机组容量大、蒸汽参数高、转子转动惯量大，当发生功率外送通道中断时（发电厂全部送出线路均与电网断开），发电机功率无法输出，如不能及时采取锅炉熄火、主汽门关闭和灭磁等一系列措施，会引发汽轮发电机组超速、蒸汽热力系统超温超压等问题，对机组设备安全构成严重威胁[1]。因此，目前很多火电机组均配置了发电机零功率保护，在发生功率外送通道中断时，零功率保护及时采取措施停机，保证机组安全[2]。但发电机零功率保护在实际运行中仍存在判据不够完善、与汽轮机超速保护的关系存在争议、出口方式及配置原则缺乏统一规范等技术问题。近年来，零功率保护误动作的情况时有发生[3-6]，文献[4，5]均提出了增加频率判断环节的判据优化方案，但该方案过于突出频率变化特征，且没有统筹考虑某些特殊工况的电气特征，不够全面。另外，汽轮机超速保护与发电机零功率保护之间的功能关系也不够清晰，实际生产中存在是否需要投用发电机零功率保护的争议。再者，由于相关技术规程中未涉及零功率保护，因此其出口方式及配置原则也缺乏统一规范。因此，有必要对发电机零功率保护在实际运行中存在的上述技术问题进行分析探讨，提出相应的解决方案，以提高发电机零功率保护运行的稳定性与可靠性。

1 零功率保护判据优化

1.1 现有判据的问题分析

发生功率外送通道中断时，发电机将出现电压上升、电流减小、功率减小、频率上升等典型电气特征，零功率保护的判据即是利用上述电气特征，一般由启动判据、动作判据、闭锁判据构成[4]，启动判据一般利用电压突变量、电流突变量、频率变化等构成，动作判据判断发电机功率及电流是否降为零，闭锁判据判断是否存在负序电压。目前，常用的零功率判据在判断发电机因功率外送通道中断出现的零功率状态时一般不存在问题，但当发电厂送出线路发生故障进而引起调门快关动作或机组功率发生振荡时，若零功率保护的判据不够完善，零功率保护将发生误动作。文献[3]报道了因线路发生瞬时性故障引起调门快关动作，进而导致零功率保护误动作的事件，零功率保护的启动判据（包括电流突变量）在线路发生故障时即已满足且满足后将保持至装置整组复归，当汽轮机调门误关闭时零功率保护发生误动作。文献[3]介绍了由线路故障引起机组功率振荡，进而造成零功率保护动作的事件，故障切除时零功率保护的电流突变量（启动判据）满足且保持，机组的功率振荡使零功率投入条件（发电机实际功率大于功率定值）及动作条件先后得到满足，从而导致零功率保护动作出口。通过研究目前常用的零功率保护判据，并结合文献中提到的事故案例，总结目前的零功率保护判据不同程度上存在以下问题：

（1）线路故障切除且未发生功率外送通道中断时，发电机电压升高、电流减小，电气特征与功率外送通道中断引起的发电机零功率状态相同，将会满足启动判据的动作条件。

（2）启动判据中的电压电流变化量判据一旦满足条件将会保持数秒的时间，也就是启动判据将会保持数秒的时间。当线路故障切除时，由上述第一点可知启动判据将满足，那么当数秒内发生调门快关事故时，如果动作判据设置不够合理将导致保护动作出口，文献[3]中的事故即是此类事件。

（3）零功率保护投入判据与电压电流突变量判据之间缺少配合关系。应在零功率保护投入判据满足的情况下才能进行电压电流突变量的判别，否则，当线路故障切除后，电压电流突变量判据满足条件，这时如果机组功率发生振荡将可能出现发电机功率大于零功率保护投入判据定值的情况，这实际上不是零功率保护的动作条件，文献[3]中的事故即是没有考虑此类情况的案例。

1.2 一种优化的零功率保护判据

针对以上问题，一些文献提出了优化的保护判据。文献[5]提出在电流电压突变量环节引入50.2 Hz判据，但该判据过分强调过频特征，实际上是电流电压突变量满足且保持后等待发电机频率升高，另外，该逻辑与过频判据有功能重复之处。文献[6]加入了电流变化量满足后150 ms内发电机功率及电流降为零的条件，但其在区外故障切除时仍会启动，且零功率保护投入判据不够完善。研究发电机出现零功率状态的电气特征，发现发电机零功率的根本特征就是在电压突增、电流突降后功率在一定时间内降为零。因此根据此电气特征，提出了一种优化的零功率保护判据（未考虑闭锁判据），判据如图1所示。

判据的优化主要集中在启动部分，启动判据由电气量突变、频率判据及零功率投用判据组成。启动判据中的突变量判据均不保持；保留频率判断环节，与电气量突变构成“或门”逻辑，当出现频率变化时，保护依然能够启动。

电气量突变判据为发电机电压突增、电流突降、功率突降相“与”而成。发电厂功率外送通道中断时，发电机正序电压升高、电流减小，与发电机零功率状态时的电气特征相同，但线路故障切除时发电机输出功率是增大的，而发电机零功率状态时发电机输出功率是减小的，利用此特征构成“与门”判据，能够区分发电厂线路故障切除与发电机真实零功率状态，有效防止零功率保护在发电厂线路故障切除时的误启动与误动作。

零功率保护投用判据依然采用P>，设置延时动作与返回环节，T0时刻动作，T1时刻返回，T0一般可设置为几秒，躲过功率振荡。此判据要求发电机功率大于投用定值一定时间后零功率保护才能投入，可防止线路故障导致零功率保护突变量判据满足而后由于发电机功率振荡满足投入判据的情况，避免零功率保护误动作。

启动判据满足后要求150 ms内功率及电流降至整定值以下，即给功率和电流的变化规定一个变化率，可以有效防止汽轮机调门关闭后功率逐渐减小导致零功率保护误动作的情况。一般情况下，汽轮机调门关闭时发电机功率将在300 ms以上才能减小至零。如果启动判据满足后150 ms内功率及电流降至整定值以下，该部分判据将保持至装置整组复归。

2 与汽轮机超速保护的关系

汽轮机DEH（数字电液控制系统）系统中一般均配置完善的电超速保护[7]，有观点认为，现场运行中既然汽轮机已具备超速保护功能，就不需要重复配置电气量的零功率保护，汽轮机的问题应该由汽轮机专业的保护来解决，电气专业的介入反而使专业管理界面不再清晰。另外，在实际运行中也确实出现过因零功率保护误动而引起切机事故。基于上述原因，某些发电厂并没有配置发电机零功率保护，某些发电厂即使配置了发电机零功率保护也未将零功率保护投跳闸。目前，汽轮机专业与电气专业对该问题仍存在一些认识上的分歧。因此有必要分析汽轮机超速保护的类型及其作用，理清与发电机零功率保护的关系，提出合理的应用原则。

汽轮机电超速保护从作用上来说一般可分为OPC（超速保护控制）、 LDA（负荷下跌预测）[8-9]、 调门快关3类，现将此3类保护的作用及其与发电机零功率保护的关系分别进行说明。

2.1 超速保护控制

此处的OPC特指103%超速保护。无论机组处于速度控制阶段还是负荷控制阶段，只要检测到转速超过103%的额定转速，而OPC功能未闭锁，即刻触发OPC请求，使调节汽门迅速关闭。当转速恢复正常时再开启调节汽门，如此反复，直至能维持额定转速。这显然是一种在机组已经超速后的补救措施，其目的是使机组尽量不要触及机械超速跳闸转速，以避免整个机组跳闸。

如果仅仅配置103%超速保护，当发生功率外送通道中断、发电机转速上升至103%额定转速时，103%超速保护动作关闭调节汽门；当转速下降到一定程度时，OPC复位，调节汽门打开，转速又会迅速上升，如此反复调节将使机组转速出现频繁波动，机组将进入振荡运行状态[10-11]。而零功率保护是在功率外送通道中断后，利用电气量判据立即判断出发电机的零功率状态，迅速采取措施，可以在发电机出现103%超速前便完成事故处理。因此，OPC与发电机零功率保护功能不同，OPC不能替代零功率保护。

图1 零功率保护判据

2.2 负荷下跌预测

LDA的功能是在机组甩掉全负荷时预防汽轮发电机出现超速。当机组负荷高于额定值的30%时，发电机并网断路器一旦断开，即说明发电机已甩掉全部负荷，LDA立即置位，快速关闭调节汽门，在实际转速尚未升高的情况下，提早采取预防措施，避免超速行为发生。此时DEH控制器由负荷控制转为速度控制，而且速度参考值自动设定为额定转速。

LDA动作的前提是发电机并网信号消失，即并网断路器断开，但功率外送通道中断往往是由于线路断路器全部断开引起的，而此时发电机并网断路器仍处于闭合状态，LDA无法动作。而零功率保护采用电气量判据，无需发电机并网信号，只要出现外送通道中断或发电机并网断路器跳开的情况零功率保护均能动作。发电机零功率保护比LDA的功能更为全面，LDA也无法替代零功率保护。

2.3 调门快关

当电网发生瞬间故障而使发电机大幅甩负荷时，快速关闭调节汽门以减少机械功率和电气功率的不平衡，可避免发电机产生过大的加速度，从而有效防止过大的振荡甚至失步，以改善电力系统的暂态稳定。美国GE公司的电调系统中此功能称为PLU（功率负荷不平衡），西屋公司和日本三菱公司的电调系统中此功能包括在超速保护控制中，西门子公司简称KU。执行快关的依据是汽轮机产生的功率与发电机输出的功率之间发生较大的不平衡，汽轮机功率一般采用中间级压力，发电机功率可直接测量，动作后关闭调节汽门，经过一段延时且动作条件复归后再开启调节汽门。随着电网网架结构的增强和电网容量的不断增大，通过发电机组快速保护协助改善电力系统故障时的暂态性能这个作用已经微乎其微，因此设置调门快关保护的目的仅仅是抑制汽轮机转速的飞升，避免汽轮机超速。

当发生功率外送通道中断时，根据调门快关保护的逻辑[3，11]，无论是KU还是PLU均能动作关闭调节汽门，且由于KU和PLU逻辑中的复归条件无法满足，调节汽门将一直处于关闭状态，无法再次开启（典型PLU逻辑如图2所示）。因此，当发生功率外送通道中断时，调门快关保护客观上能够起到抑制汽轮机超速的作用，但调门快关保护并不能替代零功率保护，理由如下：

图2 典型PLU逻辑

（1）配置目的不同。设置调门快关保护的目的是改善电力系统暂态稳定性能，客观上也能起到防止汽轮机超速的作用。零功率保护是在发生功率外送通道中断时迅速停机，防止对发电机组、锅炉等设备造成危害，并不仅仅是为了防止汽轮机超速。另外，零功率保护动作后将采取关闭主汽门、解列、灭磁、切换厂用电等一系列完整的停机措施，而调门快关保护仅仅是关闭调节汽门，并非停机措施。

（2）调门快关保护不够可靠。 文献[3，5，6，12，13]中均提到了KU和PLU等调门快关保护误动作的情况，文献[14]还对机组取消PLU保护进行了探讨。KU和PLU等调门快关保护的电气功率测量并非由DEH本身完成，而是通过外置的电气量变送器实现，电气量变送器暂态性能差、抗干扰能力弱等问题多次导致KU和PLU误动。零功率保护利用单独的保护装置实现其完整功能，具有功能完善、动作速度快、判断准确、抗干扰性好等优点，虽然也有零功率保护误动作的案例，但其整体可靠性大大优于调门快关保护。

综合以上分析可知，无论是103%超速保护、LDA，还是调门快关保护，均不能在功能上替代零功率保护。零功率保护从功能上弥补了汽轮机超速保护存在的缺陷，是一种更加可靠、完善的应对发电机零功率状态的解决方案。因此，零功率保护与汽轮机超速保护在功能配置上并没有冲突，无论汽轮机侧配置了何种形式的超速保护，发电机零功率保护均需投用。

3 出口方式及配置原则

目前发电机零功率保护出口方式基本为全停方式，即零功率保护动作后将关闭汽轮机主汽门、跳开并网断路器、灭磁、切换厂用电。文献[11]认为最合理的出口方式应当是触发OPC、跳开并网断路器、灭磁、切换厂用电，这样在故障发生时就可以将机组稳定运行在3 000 r/min，然后根据情况决定再次并网还是安全停机。但是这种出口方式是以高压备用电源依然存在、机组仍具备空载稳定运行能力为前提的。当发生功率外送通道中断时，发电厂升压站已经与外部电网断开而处于失电状态，而高压备变一般都是连接在升压站母线上，故此时机组已失去高压备用电源，机组将无法继续稳定运行。因此，在发生功率外送通道中断事故后，将零功率保护出口方式改为触发OPC并维持机组稳定的做法是不切实际的，更为合理可行的方式应该还是全停方式。

目前，相关技术规程[15]中没有发电机零功率保护的内容，因此发电机零功率保护缺乏统一、标准的配置原则。发电机零功率保护是为了在发生功率外送通道故障时保护机组而配置的，因此，零功率保护的配置取决于发电厂发生功率外送通道故障的概率大小。对于仅有2条送出线路的发电厂，发生功率外送通道事故的概率较大，应配置发电机零功率保护，这点一般不存在争议。当发电厂送出线路较多时，发生线路全部断开的概率相对较小，基于这个原因有些发电厂未配置零功率保护或即使配置了零功率保护也未将保护投跳闸。虽然出线较多的发电厂发生功率外送通道事故的概率较小，但这种概率依然存在，文献[10]就提到了发电厂多条线路时仍然出现事故的案例，且一旦发生此类故障，将对机组安全产生较大影响。因此，即使对于出线较多的发电厂仍建议配置发电机零功率保护且将保护投跳闸。

4 结语

发电机零功率保护是针对功率外送通道中断事故而专门设计的一种能够有效保护机组的电气量保护，但运行中出现过保护误动的情况，因此应吸取保护误动的经验教训，完善优化零功率保护的判据，提高其运行可靠性。发电机零功率保护与汽轮机超速保护不存在功能冲突的问题，相反，零功率保护弥补了汽轮机超速保护不具备的功能，因此不应存在因机组配有完善的超速保护而不配置零功率保护的情况。另外，零功率保护采用全停的出口方式更为合理可行，并建议将零功率保护作为发变组保护的标准配置。