功率变送器失真导致功率负荷不平衡保护误动作分析

贾光禄,王小辉,薛 菲,杨沛豪

1.山西兴能发电有限责任公司 太原 030206 2.西安热工研究院有限公司 西安 710054

1 故障情况

当电网、外部线路出现故障或汽轮发电机组甩负荷时,实际输出功率瞬时大幅度下降,会导致汽轮发电机组转速急剧加快[1-3]。为了避免大型汽轮发电机组转速突然加快的风险,通常需要配置超速保护[4-5]。

在汽轮发电机组超速保护方案中,为了避免汽轮发电机组实际输出功率瞬时大幅度下降对电力系统造成污染,通常采用功率负荷不平衡保护。功率负荷不平衡保护虽然能够维持电力系统平衡,保护电网安全运行,但是由于功率变送器存在测量失真,会导致系统误动作,引起汽轮发电机组跳闸[6-10]。

针对以上问题,近年来功率变送器的升级与优化成为研究的热点[11-13]。笔者通过案例对功率变送器失真导致功率负荷不平衡保护误动作进行分析,并提出相应的解决方案。

2 功率负荷不平衡保护原理

功率负荷不平衡保护指在电网或者外部线路发生瞬时故障的情况下,系统维持汽轮发电机组和电网暂态稳定的一种保护。

在某种原因导致汽轮发电机组实际输出功率瞬时大幅度下降达到某一限值的情况下,为避免汽轮发电机组超速,设置功率负荷不平衡保护。功率负荷不平衡保护的动作条件是汽轮机机械功率与发电机有功功率之间的偏差超过设定值,一般为30%～40%,且发电机有功功率每10 ms降低40%以上额定功率。保护装置触发功率负荷不平衡保护继电器动作,快速关闭高压、中压调节阀,关闭持续时间长短根据电网稳定性、消除故障所需时间、汽轮发电机组特性容量、负荷指令流量特性线性度等来确定,一般为0.5～3 s。关闭一段时间后,高压、中压调节阀自动开启。功率负荷不平衡保护动作的时间比一次调频晚,但动作的调节幅度比一次调频大。

功率负荷不平衡保护装置原理如图1所示,部件主要包括测速传感变送器、功率变送器、采集模块、硬件保护模块。

图1 功率负荷不平衡保护装置原理图

测速传感变送器用于采集汽轮机转速,功率变送器用于采集发电机有功功率,采集模块用于采集汽轮机机械功率。硬件保护模块与测速传感变送器、功率变送器、采集模块相连,当汽轮机转速、发电机有功功率、汽轮机机械功率符合预设条件时生成保护信号,根据保护信号执行功率负荷不平衡保护。

功率负荷不平衡保护动作逻辑如图2所示。三个独立的测速传感器分别采集汽轮机转速,三个独立的功率变送器分别采集发电机有功功率WT1、WT2、WT3,三个独立的压力变送器分别采集中压缸的进汽压力P1、P2、P3。进行三取二冗余判断,当发电机有功功率每10 ms降低40%以上额定功率时,触发功率负荷不平衡保护继电器动作,快速关闭高压和中压调节阀。当快速关闭高压和中压调节阀的时间为Tx时,可避免汽轮发电机组瞬时故障,并且当汽轮机功率与发电机负荷小于偏差限制,通常为40%时,快速打开高压和中压调节阀,维持汽轮发电机组的系统功率平衡,避免汽轮发电机组并网开关未断开时,出现电动机运行状态不佳或汽轮发电机组跳闸的情况。

功率负荷不平衡保护动作条件为:

P1/Pe-WT1/WT>0.4

(1)

每个汽轮机保护模块分别接收一个中压缸的第一级入口蒸汽压力测点信号和一个发电机功率信号,采用三取二配置,任何一个模块故障或任何一个信号故障时,保护均不会动作。

3 功率变送器

功率变送器是一种既能测量有功、无功功率,又能计量有功、无功电能的具有双重功能的测量仪器。功率变送器可以将输入电压和电流信号变换为与有功功率、无功功率、功率因数等参数成固定函数关系,方便二次设备使用的测量信号。功率变送器按照输出特点,可以分为模拟量输出功率变送器、数字量输出功率变送器。

3.1 模拟量输出功率变送器

模拟量输出功率变送器工作原理如图3所示,一次转换器通过传输电缆输出与被测参数成函数关系的模拟量信号,模拟量信号经传输系统与二次仪表相连。

模拟量输出功率变送器时分割乘法器原理如图4所示,时分割乘法器切割波形如图5所示。

在时分割乘法器中,待测50 Hz电压与高频1 000 Hz三角波经过比较器,产生矩形脉冲,每个脉冲的宽度代表电压的大小。由图5可以看出,正弦波最低点对应的脉宽最小,正弦波最高点对应的脉宽最大。一个正弦波被分割成二十个脉冲波,用调制出来的脉冲输出切割电流波形,形成的面积就是测量功率值。这个功率值是汽轮发电机组功率调整的基础。

现有汽轮发电机组大多采用模拟量输出功率变送器,但模拟量输出功率变送器在系统扰动时存在较大测量误差,会导致功率负荷不平衡保护误动作。

3.2 数字量输出功率变送器

数字量输出功率变送器可以分为慢速响应数字功率变送器和快速响应数字功率变送器,运行原理如图6所示,一次转换器输出的是与输入电压、电流信号瞬时值成正比的数字编码信号及运算需要的信息,传输方式可以是电缆、光纤或无线方式。数字编码信号经过传输系统与数字量输入的二次仪表相连,二次仪表对数字量进行运算处理,可以得到与被测回路有关的所有参数,如电压有效值、电流有效值、基波有效值、基波频率、基波有功功率、谐波电压、谐波电流、谐波功率等。

图2 功率负荷不平衡保护动作逻辑

图3 模拟量输出功率变送器工作原理

数字量输出功率变送器采样波形如图7所示。由采样波形可知,数字量输出功率变送器对所要测量的电压或电流正弦波进行采点分割计算,横轴将一个周期分为64块,每一块都近似成一个长方形。将每一块的电压幅值乘以电流幅值,再乘以分割后的时间,得到每一块的功率。

图4 时分割乘法器原理

图5 时分分割乘法器切割波形

图6 数字量输出功率变送器运行原理

图7 数字量输出功率变送器采样波形

数字量输出功率变送器从交流采样开始都由微处理芯片程序进行处理。在芯片的编程中,人为滤除输入突变信号,并对稳态测量值做滤波处理,使功率变送器的输出更加稳定,受外界突变信号的干扰影响小。

慢速响应数字功率变送器在40～60 ms系统扰动期间的测量功率高于实际值,当系统发生单相接地、相间短路、接地短路时,功率负荷不平衡保护不会误动作。当系统发生三相短路时,功率负荷不平衡保护可能误动作,但系统发生三相短路的比例较低,220 kV及以上电网系统发生三相短路的比例低于2%,电厂升压站及出线发生三相短路的比例接近于零,功率负荷不平衡保护误动作的概率很低。

相比模拟量输出功率变送器和慢速响应数字功率变送器,快速响应数字功率变送器在系统扰动时的测量值更接近实际值。但受内置测量电流互感器比值和相角误差影响,快速响应数字功率变送器也存在测量误差。若电厂不采取功率负荷不平衡保护防误动作措施,快速响应数字功率变送器产生测量误差,仍可能导致功率负荷不平衡保护误动作。

4 案例分析

从近十年相关电厂运行情况来看,传统功率变送器主要存在四个方面的问题:抗干扰能力差、暂态特性差、励磁涌流与和应涌流的影响、缺少二次回路断线闭锁功能。

4.1 抗干扰能力差

目前,国内外功率变送器产品普遍存在抗电磁干扰能力差的问题,外部干扰易造成机组误停机。

某300 MW机组在219 MW负荷运行时,因升压站开关操作引起电压电流瞬时干扰,导致机组数字式电液控制系统功率变送器输出大幅突变。数字式电液控制系统内部功率偏差回路大于60 MW,导致数字式电液控制系统内部快速负荷返回回路动作,机组功率在23 s内由219.54 MW快速降低至110 MW,后由于透平压比低保护动作,机组跳闸。

某600 MW机组的功率负荷不平衡保护采用有功功率变送器,在2008年首次启动和运行一年首次大修后启动试验时,多次发生功率负荷不平衡保护误动作,原因皆为试验期间对讲机干扰导致功率变送器输出异常。

4.2 暂态特性差

电网出现瞬时故障时,由于功率变送器暂态特性差,导致数字式电液控制系统误调节,造成系统内相关电厂出现功率大幅度波动,从而引发汽门快控误动作,机组停机。

2009年10月25日发生一起线路故障,导致附近某电厂600 MW机组自动发电控制调频异常动作,机组负荷异常波动,最终退出自动发电控制方式。类似故障在该电厂发生多次,该电厂为发电机变压器线路组接线,与系统变电所距离较近。当系统发生故障时,电厂母线电压有较大幅度降低,同时出现较大故障电流。电流没有明显升高,但电压降低较大,导致功率变送器采样错误,输出至自动发电控制的功率值与实际功率严重不符。从录波曲线看,机组功率突然大幅降低甩负荷,导致自动发电控制误动作,最终退出自动运行。

另一起案例,某电厂九号、十号机组汽轮机为东方汽轮机厂制造的N300-16.7/538/538型汽轮机,数字式电液控制系统采用OVATION产品。2010年某日,九号、十号机组负荷分别为288 MW和290 MW,因机械误碰,电厂出线发生C相接地故障,二次重合闸不成功,九号、十号机组几乎同时因数字式电液控制系统中的功率负荷不平衡保护功能动作,导致所有调节汽门快速关闭。九号机组发生主燃料跳闸,十号机组发生发电机逆功率保护动作,均导致汽轮机跳闸。电气侧功率测量数据表明,故障时,两台机组功率波动均没有超过90 MW,均不满足使功率负荷不平衡保护动作的条件,但数字式电液控制系统却发出功率负荷不平衡保护动作指令。

4.3 励磁涌流与和应涌流的影响

许多电厂基本上都是两台或两台以上机组运行,当其中一台机组运行,一台机组做主变压器空投试验或并网时,会产生较大的励磁涌流,也会产生一定的和应涌流,此时,由于受和应涌流中衰减直流分量的影响,正常运行机组的有功功率变送器不能正确传变,导致汽门不停调节,严重时会出现跳闸。涌流引发机组振荡跳闸过程如图8所示。

图8 涌流引发机组振荡跳闸过程

2015年5月21日,某厂2×1 000 MW机组进行四号主变压器冲击,三号机组跳闸。电气与热控人员对三号机组数字式电液控制系统中电气送至热控的三个功率变送器输出信号的趋势进行分析,发现在四号主变压器冲击瞬间,三个功率变送器的输出发生了突变,冲击前三个功率变送器的输出功率分别为404.4 MW、404.9 MW、405.7 MW,输出功率基本一致,在冲击瞬间,三个功率变送器的输出功率分别突变为90.8 MW、89.3 MW、64.8 MW,持续时间1.0 s,之后又分别突变为269.2 MW、346.6 MW、293.2 MW,造成数字式电液控制系统调节出现问题。

2011年12月24日,某2×1 000 MW机组并网瞬时引起二号机组定子电流增大约10%,二号机组三相有功瞬时波动约20%,造成三个传送至分散控制系统的功率变送器功率信号瞬时波动,分数控制系统采集到的功率反馈信号瞬时偏差大,功率反馈信号质量判断模块判断功率信号故障,使锅炉主控切为手动。

2014年10月,某电厂600 MW机组一台主变压器空投时,导致另外一台正在运行的主变压器产生和应涌流,和应涌流中含有明显的衰减直流分量,使发电机机端测量级电流互感器饱和,波形严重畸变,不能正确传变实际电流值。功率变送器由于采样不到正确的暂态电流,无法为发电机功率自动调节系统提供准确的功率计算值,导致汽门不停调节,严重影响机组稳定运行。

2010年5月21日19时左右,某燃气发电厂四号机组在对主变压器全压冲击时,正在满负荷运行的三号机组出现功率超限报警,引起三号机组保护动作而跳闸。事后检查分散控制系统功率记录曲线,发现在跳闸瞬时三号机组反映到分散控制系统的有功功率测量值达625 MW,已超出量程上限,而该机组跳闸前各主要参数均未出现异常。

4.4 缺少二次回路断线闭锁功能

目前,许多电厂功率变送器接入的都是同一组电流互感器、同一组电压互感器或同一电源,当电流互感器、电压互感器断线或电源异常时,不可避免会出现功率失真问题。此外,功率变送器也没有电流互感器和电压互感器断线报警功能。

2015年5月,某电厂1 000 WM机组跳闸,该厂一号机组已经投入商业运行,正常工作带900 MW负荷,突然出现电压互感器断线,导致电气功率为零,触发热工功率负荷不平衡保护动作,主汽门快关,2 s后主汽门再打开,再次触发功率负荷不平衡保护动作,造成电网负荷剧烈波动。

需要注意的是,常规的功率变送器只有传变功能,不能进行事件记录,无法进行事故回放,不利于问题分析和排查。

根据国标要求,反应时间应短于400 ms,目前功率变送器普遍的反应时间为250～300 ms。由于功率变送器的滞后作用,将导致功率负荷不平衡保护动作时间相应滞后,从而错失事故发生初期最关键的动作时机,导致转速超调量大于甩负荷试验时的超调量。

5 功率变送器失真应对措施

5.1 加装滤波装置

针对谐波干扰引发功率变送器失真问题,可在功率变送器前加装滤波装置,从滤波角度考虑消除谐波干扰。通过加装有源滤波线性放大装置,输出恒流或恒压模拟量,使功率变送器功率传输不失真。

5.2 降低涌流概率

为了防止励磁涌流与和应涌流造成功率变送器失真导致机组跳闸,电厂机组并网或者空充主变压器时,提前将正在运行的机组数字式电液控制系统自动调节解除,待并网或主变压器空充完成时再将数字式电液控制系统自动调节投入,由此避免涌流的影响。这一措施可降低产生和应涌流的概率。

5.3 使用数字量输出功率变送器

数字量输出功率变送器的暂态特性及响应速度优于模拟量输出功率变送器,具有以下优点:① 具有数字滤波环节;② 对功率计算结果进行平滑,减小暂态过程和干扰的影响;③ 响应时间短于250 ms;④ 具备录波功能,便于异常分析。将输入量幅值从100%标称功率突然快速提高至200%标称功率,或者突然快速降低至零,持续100 ms后快速恢复至100%标称功率,变送器输出的最大改变量不得大于0.5%。施加100%标称功率范围内的输入量保持不变,等待变送器输出稳定后,在任意一相交流电流输入信号中叠加一个直流电流分量,其幅值等于100%标称交流电流,持续100 ms后去除该直流电流分量,变送器输出的最大改变量不得大于0.5%。新建机组和在运机组功率变送器到期更换时,建议选用数字量输出功率变送器。

若机组测量电流互感器无仪表保安系数,且实测伏安特性与P级电流互感器相似,则可采用单通道数字量输出功率变送器,接测量电流互感器。为防止系统扰动时功率负荷不平衡保护误动作,国内部分电厂采用双通道数字量输出功率变送器,接测量电流互感器和保护电流互感器,正常运行时采用测量级电流互感器数据,系统扰动时采用保护电流互感器数据。考虑到数字式电液控制和发电机变压器组保护的重要性,变送器电流互感器和保护电流互感器应独立,变送器接测量级电流互感器和录波器用P级电流互感器,不串联保护电流互感器,以免扩大运行及检修风险。如有条件,变送器与录波器串联的电流互感器可选用TPY级。

5.4 措施对比

当发生区外故障时,用于变送器的测量级电流互感器发生饱和,加装滤波装置的功率变送器无法正确传变电流值,导致变送器功率传变信号发生畸变,影响加装滤波装置的功率变送器在某些工业场合的应用。

机组并网或者空充主变压器时,提前解除机组数字式电液控制系统自动调节,待并网或者主变压器空充完成时再将数字式电液控制系统自动调节投入,这种措施只能降低功率变送器失真的概率,同样无法解决区外故障时暂态过程对数字式电液控制系统的影响。

使用数字量输出功率变送器是目前解决功率变送器失真的主要手段,数字量输出功率变送器技术成熟,暂态性能好,响应时间短,抗干扰性能强,已在多个电厂得到应用。

6 结束语

笔者介绍了功率负荷不平衡保护原理及动作逻辑,通过案例分析了功率负荷不平衡保护误动作的原因,并且提出了应对措施。采用数字量输出功率变送器,可以有效消除功率负荷不平衡保护误动作的影响因素,避免汽轮机超速,保障电网安全运行。