零功率切机保护的应用探讨

马俊斌

（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江宁波 315612）

0 引言

近年来，随着我国发电技术的快速发展和对资源合理运用要求的进一步提高，建设了大量的大型发电厂，其中火电机组仍然占较大比例。大型发电厂在规划的时候，为了方便燃料运输，减少污染对居民的影响，往往建设在远离用电重负荷的地区，这样必然要求建设长距离电力输送线路。一旦600 MW 及以上大功率的火电机组，在高负荷状态下突然失去送电通道，没有了电网的制动作用，机组电压与转速会突然升高，很可能造成重要设备损坏。由于大部分发电机都设置了自动调速、自动调压装置，在DEH（Digital Electric Hydraulic，数字电液控制系统）、103% OPC（Over speed Protect Controller，超速保护控制）、AVC（Automatic Voltage Control，自动电压控制）和自动励磁调节器作用下，机组从超频工况演变为低频，并可能出现来回摆动不定的过程，导致高低频、超速保护、过电压保护不能及时动作，对汽轮机大轴、叶片、轴承造成很大损伤。同时锅炉超压对汽水管道造成较大应力损伤，对电气设备也有伤害。及时采取锅炉MFT（Main Fuel Trip，主燃料跳闸）、打闸汽轮机、跳开灭磁开关等一系列措施，才能在事故状态下减少设备损伤。大容量机组装设发电机零功率保护并保证准确可靠动作，显得非常重要。

1 装设零功率切机保护装置的必要性

虽然发电机机组的各种保护措施已经越来越全面，如发电机有过电压保护、超频率保护，汽轮机有超速保护，但是这些保护都不能代替零功率切机保护，因为这些保护都不是为专门应对突然甩负荷而设置的。零功率甩负荷后的现象，虽然也包含电压突升、频率突升、转速上升，但是在甩负荷后，由于自动励磁电压调节装置的调压作用，DEH、OPC 调速作用，电压、频率、转速上升减缓，过电压保护、超频率保护、超速保护可能不会动作，或者动作会比较缓慢，不满足继电保护快速性、可靠性的严格要求。

2 基本原理及逻辑介绍

2.1 基本原理

当机组出现输电线路全部故障时，会发生功率突降、电流突降，这两个参数作为甩负荷的主要判据。零功率动作要求功率突降后，主变高压侧有功功率小于故障后功率定值，并且功率突降后任意两相电流应低于电流设定值。另外，机组电压和频率迅速升高，采用电压升高或频率升高作为辅助判据，当电压升高和频率升高满足定值时，保护延时出口。当发生短路事故时，正序电压应保持发电机正序电压在设定值之下，或者负序电压高于负序电压定值，由此可将正序电压低于定值且负序电压高于定值，作为保护闭锁的电压条件，零功率切机不动作，通过发电机短路保护切除故障。当发电机组输出功率较小时，尽管正向功率突然低于预期功率，热力设备隐患事故的出现概率也降低很多。因此，零功率切机保护在运行中，会比较故障前主变高压侧功率是否高于某个恒定值，判定是否需要启动动作。

2.2 机组运行/停运状态判据

采用主变高压侧有功功率或电流值，判别主变的运行状态。

（1）投运状态。判据为P＞PT或I＞IT。其中，PT为投运功率定值，IT为投运电流定值。

（2）停运状态。判据为P

（3）上述条件不符时，判断为不对应状态，发一般异常报警。

2.3 启动判别

当电网由于某些不可控因素，发生输电线路事故时，为确保装置能可靠地启动零功率切机保护，从而进入事故判别程序，并在其他工况下不会误动，装置采用以下启动判据：

（1）相电流差突变量启动。判据为ΔI≥IQD，持续满足条件5 ms后，该元件动作。其中，ΔI为线电流，IQD为突变量启动值。

（2）功率突变量启动。判据为|ΔP|≥PQD，持续满足条件5 ms后，该元件动作。其中，ΔP=Pt-Pt-0.2s，即指事故后有功功率与事故发生时刻0.2 s 前，有功功率差；PQD为功率突变量启定值。

（3）以上两条判据为“或”关系，只要有一条成立就进入启动状态。

2.4 动作判据

（1）2.2 条中判定为投运状态且2.3 条判定为突变量启动。

（2）事故发生时刻0.2 s 前的功率≥事故前功率定值，并且功率方向为负（即电厂送出）。

（3）事故后的功率＜事故后功率定值。

（4）事故后任两相电流I0＜投运电流定值IT。

（5）任两相电流有效值在事故20 ms 前后之差|ΔI|=|Ik-Ik-20ms|≥IQD（突变量启动定值）。

（6）正序电压＞正序电压定值、负序电压＜负序电压定值。

（7）正序电压与启动前200 ms 正序电压差值大于定值。

（8）频率与启动前200 ms 频率差值大于定值。

（9）频率大于定值。

（10）持续时间≥Ts（et动作延时定值）。

启动后，同时满足条件（1）～（6）和（10），以及至少满足（7）～（9）中一条，则零功率切机动作。装置保护输入量主要借助主变高压侧电压互感器、电流互感器的电压、电流。当发生电压互感器、电流互感器断线时，延时5 s 发报警，待异常消失延时5 s自动返回。

2.5 动作出口

零功率切机动作于关闭主汽门、锅炉MFT、发电机出口开关跳闸（无发电机出口开关的，动作于主变高压侧开关跳闸）、灭磁开关跳闸、并且不启动发电机出口开关失灵保护（无发电机出口开关的，不启动主变高压侧开关失灵保护）。

2.6 定值整定

（1）投运电流IT定值。投运电流整定值可按发电机组运行于20%额定功率时，以主变高压侧电流进行整定。

（2）投运功率PT定值。投运功率整定值按发电机组20%额定功率进行整定。

（3）电流突变IQD定值。按躲开系统波动引起的电流变化进行整定，考虑一定的裕度。

（4）功率突变PQD定值。按躲开系统波动引起的有功功率变化进行整定，考虑一定的裕度。

（5）事故前功率定值。应大于发电机的最低出力，事故前功率定值参考整定范围：0.4～0.8 倍额定功率。

（6）事故后功率定值。应略大于不容许发电机运行的最小送出功率，事故后功率定值参考整定范围：0.1～0.3 倍额定功率。

（7）正序电压定值。取非故障情况下可能存在的电压最低值，参考整定范围：0.8～0.85 倍额定电压。

（8）负序电压定值。一般取0.06～0.09 倍额定电压。

（9）过频定值。频率偏离正常值时加速保护动作，一般整定为50.3～50.5 Hz。

（10）频率上升定值。一般整定为0.2～0.5 Hz。

（11）电压上升定值。一般整定为0.06～0.12 倍额定电压。

3 小结

发电厂长距离输电线路拉长，从而可靠性也会相应降低。当遭遇暴雨、洪水、泥石流、山体滑坡、线路结冰等不可避免的自然灾害时，电厂的长距离输电回路很有可能断线、倒杆、相间短路，导致全厂送出功率瞬间到零，造成汽轮发电机组转速飞升，锅炉超过工作压力，发电机变压器组超压超频，对发电机组的主要设备造成很大的威胁。零功率切机装置能及时安全地将机组停运，保护主要设备安全。