大型发电机组零功率切机保护的实践应用

朱永晖

（上海济闳环保科技有限公司，上海 200124）

引言

随着我国电力建设的蓬勃发展，出现了越来越多的大型发电机组，这些都无一例外的采用了高压远距离输送技术，采用先进技术的同时，也对电力输送的安全带来了巨大挑战[1]。当输电线路故障使功率无法送出时，发电机发生功率突降为零，此时，如果机组保护不能快速、可靠动作，会产生严重后果。配置零功率切机保护不仅能够解决在输电线路故障时，机组能快速动作切除故障，防止后续故障扩大化，保障机组生产安全，同时也能解决输电线路在事故后热过载和线路的稳定性问题[2]。

1 零功率切机保护装置概述

某电厂为2 台600 MW 发电机组，发变组采用GE公司UR 系列的保护，稳定运行多年，根据现场设备配置，为满足反措要求确定在主变T60 保护装置中采用自定义编程的方式增设零功率切机保护，用以满足在机组正功率突降时，发电机机端保护没有动作情况下的快速安全停机，该保护动作于全停出口。

2 零功率保护原理

零功率切机保护可以分为起动、判别条件和闭锁条件三个逻辑部分，并动作于信号和全停出口，见图1。

图1 零功率切机保护逻辑图

2.1 起动部分

当输出线路发生故障时候，主变由于没有了功率输出，输出的正向功率会产生突降，同时主变高压侧的电压、发电机组的频率也会快速升高，采用的变化量作为起动量来判断，两者构成“或”关系,由于保护装置没有固定的保护元件，因此需要选用FLEXELEMENT 灵活元件来实现。

另外，当机组发生正功率突降时，实际的输出功率大于给定值时必须瞬时动作切除故障。因此P＞Pset.1也是另一个起动的重要条件，同理选用灵活元件与前一起动条件并列构成“与”输出关系。

为保证保护在动作过程中故障条件的可靠性以及保障情况下保护动作的可靠性，图1 中的ΔU（FE1）、ΔF（FE2）和P＞Pset.1(FE3)灵活元件都是瞬时动作，总体的保护动作条件需要瞬时动作并且延时返回，延时的时间大于整个故障的周期，具体可对t1 进行整定。在逻辑图1 中FE1、FE2、FE3、t1 构成了整个零功率切机的起动部分。

2.2 判据条件部分

判据部分由以下几部分组成，来判断哪些是故障，哪些可能是误动信号，相互之间为“与”关系。

2.2.1 机组功率小于Pset.2。当输出线发生故障时，功率无法输出，主变高压侧的功率会突降至零，所以要设0＜P＜Pset.2的条件，其中P＞0 是为了躲过系统发生振荡时保护误动。在逻辑图中，FE4 灵活元件可以编辑成0＜P＜Pset.2判据，信号源选用主变高压侧。

2.2.2 主变高压侧电流判据，即ΔI 的突降判据。当线路故障，主变正功率突降时，高压侧的电流突降为零，可以用灵活元件FE5 来反应电流的变化率。

2.2.3 发电机机端电流任意两相电流小判据。主变正功率突降时，低压侧三相电流为零，此时可以用AB、BC、CA 相的任意两相电流小来实现，保护装置中，采用相延时过流元件分相进行逻辑编辑，在逻辑图中，相延时过流1 元件构成这一判据。

说明：（2.2.2）和（2.2.3）判据不取用同一CT 回路的二次电流，故（2.2.3）判据取主变低压侧电流或发电机出口侧电流。

2.2.4 高压侧电压U1＞Uset判据。在正功率突降时，高压侧三相电压升高，电压的平衡性不会减少，所以可选用高压侧正序电压U1＞来判别，在逻辑图中，FE7 构成这一判据。

2.3 闭锁条件部分

当发生主变正功率突降时，机组三相电压都是平衡状态，不会有任何不平衡条件，所以采用U2负序电压作为闭锁条件，来防止其他不对称故障对该保护的误动。在逻辑图中，由FE6 构成闭锁判据。

3 参数整定

3.1 起动部分

分析整定：频率变化的数值与PG*大小有关。同时，当发生输出故障，产生正功率突降时，本侧机组的频率要升高，根据导则和经验，M 可取10 s，因此Tf较大，由于Tf和PG*成反比，所以在低负荷状态，Tf会更大，由此可求得值就是t=0 时候的方程式的值，所以：

根据式（2），当PG=20%PN时，=0.9 Hz/s，所以设＞灵活元件的定值为0.28，灵活元件FE2 整定为0.28 pu(pu 为每单位，可自动根据所选择信号源的内容确定单位,本定值表示Hz/s)。

FE2 的时间整定：在频率变化过程中，DEH 也会参与调节，所以取元件的整个动作过程时间为1 s，在1 s 内，当频率的变化率达到0.28 Hz＞元件就启动。

3.1.3 P＞Pset.1元件（FE3 实现）：根据公式：Pset.1=25%PN=25%×600=150 MW，而高压侧CT 变比为4000:1,PT变比为500 kV:100 V，所以，Pset.1j=7.5 W，所以FE3 设置值为0.13 pu,此处pu 为单位功率。

3.1.4 时间元件（TIMER1）：考虑到整个保护动作条件的可靠性和整个保护动作时间内各元件的相互配合，设置延时返回，时间取1.5 s，即t1reset=1500 ms。

3.2 判据部分

3.2.1 0＜P＜Pset.2判据（FE4 实现）：当发生正功率突降后，CT 二次电流会逐步衰减，Pset.2作为基本条件，应取发电机可承受的最大不平衡输出。一般取8%～12%之间，对600 MW 机组而言，则取10%，Pset.2=10%×600=60 MW，由于CT 变比为4000:1，PT 变比为500 kV:100 V，则Pset.2=3 W，所以FE4 设置值为0.052 pu。

式中：I10a为故障前的电流，τ 为电流衰减时间常数。所以ΔI1等于I10a-I'10a.1，该判据动作条件为ΔI1＞ΔIset，取I10a=25%IN，IN为机组额定情况下主变高压侧电流，τ=0.2s，t=0.5 s，则由ΔI1＞ΔIset和式（4）计算得：ΔIset＜23.5IN，因此元件的整定取20% IN，即，ΔIset=146.6 A，折算到二次值，ΔIset=0.037 pu，Δt 取0.5 s。需要指出的是,当发电机带的负荷越大，保护元件动作延时越小，Δt对ΔI1的动作速度无影响。

3.2.3 机端任意两相电流小判据（相延时过流1 元件实现）：机端任意两相电流小于Iφ.set的表达方式如逻辑图1所示：Iφ.set为机组正常运行时机端最低负荷电流，为保证动作可靠性，应满足：

在Δt=0.5 s 范围内，取τ=0.2 s，根据式（5）得Iφ.set=11.6%IN，所以选取Iφ.set=20%IN=3849 A，折算到二次值，Iφ.set=0.154 pu，pu 为5 A。

3.2.4 主变高压侧U1＞Uset判据(FE7 U1＞): 取Uset=85%×57.7=49 V，折算到二次值，Uset=49/57.7=0.85 pu，pu 为57.7 V。

3.2.5 时间元件整定（TIMER2、TIMER3）：保护动作后，动作于发信和全停，TIMER2 发信，TIMER3 全停，整定值：0.1 s/8 s。

3.3 闭锁部分（FE6 U2＞实现）

正常情况下，系统不会产生负序电压，因此，按电压躲过机组最小不平衡电压计算，取6%，即U2set=6%×57.7=3.46 V，折算到二次值，U2set=0.06 pu。

4 跳闸出口定义和配置

跳闸出口设置：根据T60 保护装置的输出接点，分别把零功率切机保护的发信和跳闸的虚拟输出加入到相应的接点输出中，一路去DCS 发信，另一路去全停跳闸回路启动跳闸继电器，跳闸逻辑，见图2。

图2 零功率切机保护跳闸示意图

5 零功率切机保护逻辑优化后在不同工况下的动作行为分析及注意点

5.1 注意点

当厂内进行发电机做甩负荷试验时，该保护根据现场实际情况，会动作，此时需要退出该保护，或者设置单独的保护压板进行投退。

5.2 动作行为分析

下面就发电机的不同的停机方式，分析零功率切记保护在该方式下的表现。

5.2.1 发电机振荡。当发电机发生振荡时，功角在0°～360°之间周期变化。当角度在0°～180°变化过程中，电流突降，判据不动作，所以保护不会动作。当角度在180°～360°变化过程中，由于此时发电机有功功率方向相反，P 小于0，不满足逻辑判据，因此保护不会误动[3]。

5.2.2 发电机程跳。在发电机关主汽门，程序逆功率动作跳闸前，由于高压侧开关仍然处于合闸位置，发电机处于并网状态，此时主变高压侧电压、频率和系统电压、频率保持一致，保护不会启动。当程跳时，逆功率保护动作关主汽门，此时功率方向相反，根据判据，保护也不会动作。因此，当发电机发生程序跳闸时，零功率切机保护不会发生误动。

5.2.3 发电机正常停机。当发电机正常停机时，主变高压侧的电压还是维持原来数值不会变化太大，且电流会缓慢下降，由于电流下降较慢，不会突变，达不到△I 的判据，因此，保护不会动作。

6 结论

通过可编程逻辑实现的零功率切机保护经过试验，包括模拟上述一些工况下保护是否会拒动、误动等测试后，该自定义保护的逻辑和出口均可满足实际要求和规程要求。通过改造，完善了保护的功能，满足了安全生产的需求，同时没有额外增加硬件设施和更改设备型号，也节约了成本，还减少了外回路的改动，保证了动作的可靠性。现今，大部分电力企业都采用同杆架设的电力输送方式，这样可以减少架设线路占用的空间，降低成本，缩短建设进度，但带来好处同时也对线路通道的故障带来了隐患。当大型机组在运行过程中，尤其在满负荷情况下发生正功率突降时，由于发变组无其他保护动作，发电机没有灭磁，机组超速，超压，会对汽轮机造成严重影响，并且会严重威胁机组的安全。随着大型机组送出负荷问题的不断出现，为了解决此问题，配置零功率切机保护说十分必要和重要的，为此，零功率切记保护将会普及到大部分火力发电厂以确保机组的安全稳定运行。