甩負(fù)荷試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)動(dòng)作分析

童 凱，張雪松，駱 麗

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)是考核汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性最直接、最常用的方法，試驗(yàn)涉及機(jī)、爐、電各個(gè)專業(yè)。甩負(fù)荷試驗(yàn)還可以檢驗(yàn)配套輔機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)甩負(fù)荷工況的適應(yīng)性，因此，新建機(jī)組都會(huì)在投產(chǎn)時(shí)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，并已納入新機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收的技術(shù)規(guī)范。隨著機(jī)組容量的增大和新型設(shè)備的采用，甩負(fù)荷試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)性也隨之加大，因此必須做好精心的技術(shù)準(zhǔn)備、充分的事故預(yù)想、完善的反事故措施，確保甩負(fù)荷后鍋爐不滅火、汽輪機(jī)維持空轉(zhuǎn)，試驗(yàn)結(jié)束后能迅速并網(wǎng)帶負(fù)荷[1-2]。

發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)分低頻率和過頻率兩方面，用于保護(hù)汽輪機(jī)和葉片免受損傷。本文結(jié)合某電廠發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)中頻率異常保護(hù)動(dòng)作的實(shí)例，對(duì)發(fā)電機(jī)頻率異常的原因及影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)整定配置提出了改進(jìn)措施，供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 頻率異常保護(hù)動(dòng)作概況

某發(fā)電工程3號(hào)機(jī)組為西門子公司制造的SGen 5-100A-2P汽輪發(fā)電機(jī)組，額定容量97.18 MVA，額定功率77.8 MW，額定電壓10.5 kV，額定電流5 344 A。發(fā)變組采用單元制接線方式，發(fā)電機(jī)直連主變壓器，中間無高壓廠用電變壓器與發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。發(fā)變組保護(hù)采用AREVA公司的微機(jī)型保護(hù)裝置P343。勵(lì)磁系統(tǒng)采用3機(jī)無刷勵(lì)磁方式，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓來自副勵(lì)磁機(jī)，一次電氣接線如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)一次系統(tǒng)接線

2010年3月3 日，3號(hào)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)前發(fā)變組出口斷路器DL32和隔離開關(guān)ZD34在合閘位置，隔離開關(guān)ZD35和接地閘刀DD35在分位，3號(hào)機(jī)通過132 kVⅠ母母線向電網(wǎng)輸送功率。發(fā)電機(jī)有功功率為70 MW，無功功率9.11 Mvar，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓10.25 kV。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員通過后臺(tái)控制系統(tǒng)的手動(dòng)模式拉開DL32，發(fā)電機(jī)隨即甩掉系統(tǒng)負(fù)荷，但此時(shí)運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)顯示發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作，汽輪機(jī)已跳機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)試驗(yàn)人員隨即查看3號(hào)發(fā)變組保護(hù)屏，發(fā)現(xiàn)2套發(fā)變組保護(hù)P343的Trip跳閘燈和Alarm告警燈均已點(diǎn)亮，裝置液晶屏的故障報(bào)告顯示：發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)告警。

2 頻率異常保護(hù)動(dòng)作的原因分析

在此次甩負(fù)荷試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)人員拉開主變壓器出口斷路器DL32、發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷后，由于汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)速裝置還來不及減小導(dǎo)葉開度，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，頻率也隨之上升。分析發(fā)電機(jī)機(jī)端A，B相間電壓及頻率的故障波形，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓最高上升到11.07 kV，頻率上升至51.6 Hz。該電廠發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)的配置為：過頻率保護(hù)定值整定為頻率大于50.5 Hz時(shí)延時(shí)1 s告警，大于51.5 Hz時(shí)延時(shí)0.1 s跳機(jī)。低頻率保護(hù)定值整定為頻率小于48.5 Hz時(shí)延時(shí)1 s告警，小于47.5 Hz時(shí)延時(shí)0.1 s跳機(jī)，保護(hù)邏輯如圖2所示。甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中，由于頻率已上升至51.6 Hz，大于跳機(jī)定值，故障時(shí)間滿足保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間，因此保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)全停。

在汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)導(dǎo)則中，要求手動(dòng)分閘斷路器后發(fā)電機(jī)組應(yīng)解列，不應(yīng)聯(lián)鎖跳機(jī)，機(jī)組在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的作用下能夠穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。而本次試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷后在沒有發(fā)生超速等汽輪機(jī)故障的情況下，由頻率異常保護(hù)動(dòng)作跳開發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)自動(dòng)調(diào)速裝置動(dòng)作過程未完整展現(xiàn)，達(dá)不到檢驗(yàn)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的目的。因此，認(rèn)為該發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)的整定配置存在問題，需要適當(dāng)改進(jìn)。

圖2 頻率保護(hù)邏輯

3 頻率異常保護(hù)的改進(jìn)措施

發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)的目的是保護(hù)汽輪機(jī)，防止汽輪機(jī)葉片及其拉金因頻率異常而斷裂。大機(jī)組頻率異常運(yùn)行允許時(shí)間如表1所示，表中所列時(shí)間是電機(jī)制造廠給出的最小值[3]。

表1 大機(jī)組頻率異常允許運(yùn)行時(shí)間建議值

當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率升高或降低時(shí)，若 fv-kf≥7.5 Hz，葉片將發(fā)生諧振，其中fv為汽輪機(jī)葉片自振頻率，k為諧振倍率，k=1，2，3…，f為按轉(zhuǎn)速換算的頻率（Hz）。此時(shí)葉片承受很大的諧振應(yīng)力，導(dǎo)致材料過度疲勞。當(dāng)超出材料所允許的限額時(shí)，葉片或拉金就要斷裂，造成嚴(yán)重事故。材料疲勞是一個(gè)不可逆的積累過程，所以必須規(guī)定汽輪機(jī)在不同頻率下的允許累計(jì)運(yùn)行時(shí)間[4]。

對(duì)于低頻保護(hù)，GB/T 14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：300 MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)低頻保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)，并有累計(jì)時(shí)間顯示。低頻保護(hù)動(dòng)作，說明系統(tǒng)中缺少有功功率，如果動(dòng)作于切除發(fā)電機(jī)，將會(huì)進(jìn)一步減少發(fā)出的有功功率，導(dǎo)致頻率進(jìn)一步下降，造成惡性循環(huán)，所以大部分發(fā)電廠一般都只設(shè)發(fā)信。

過頻率和低頻率對(duì)發(fā)電機(jī)的影響有所不同，下面從不同角度給出可行的保護(hù)策略。

（1）過頻率保護(hù)采用全停跳閘的出口方式。

在本次試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷后在沒有發(fā)生超速等汽輪機(jī)故障的情況下，頻率異常保護(hù)動(dòng)作跳開發(fā)電機(jī)，影響了甩負(fù)荷試驗(yàn)的順利進(jìn)行。因此，本文認(rèn)為過頻保護(hù)告警邏輯可以采用電廠原有的配置方式，而跳閘邏輯應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)是否甩負(fù)荷，并適當(dāng)延長(zhǎng)過頻保護(hù)的跳閘延時(shí)，延時(shí)時(shí)間可以根據(jù)表1提供的機(jī)組頻率異常允許運(yùn)行時(shí)間的最小值來整定。在甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，只有在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)未起作用，且轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間過高存在超速飛車危險(xiǎn)時(shí)，才動(dòng)作于全停跳閘；若在正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)頻率升高，則跳閘的延時(shí)較短。保護(hù)跳閘的邏輯如圖3所示。

圖3 過頻率保護(hù)跳閘邏輯

即：保護(hù)收到發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷動(dòng)作信號(hào)，且頻率高于過頻率定值時(shí)，延時(shí)30 s出口跳閘。當(dāng)高頻率條件滿足而未收到發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷動(dòng)作信號(hào)時(shí)，延時(shí)3 s跳閘。

采用這種保護(hù)出口方式時(shí)，既能保證在機(jī)組出現(xiàn)頻率異常、存在造成嚴(yán)重事故可能性時(shí)可靠跳閘，又能在甩負(fù)荷過程中避免在機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作前即跳開發(fā)電機(jī)，造成不必要的損失。

（2）過頻率保護(hù)采用解列滅磁的出口方式。

根據(jù)GB/T 14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，過頻率保護(hù)可以動(dòng)作于解列滅磁或程序跳閘。但是從機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考慮，過頻率保護(hù)配置解列滅磁的出口方式較好。因?yàn)槿绻x擇程序跳閘，一旦主汽門關(guān)閉，按《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》，汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)前應(yīng)連續(xù)盤車4 h以上才能重新沖轉(zhuǎn)，從而失去了快速恢復(fù)運(yùn)行的可能性，機(jī)組至少在4 h內(nèi)不能投入運(yùn)行，盤車時(shí)還將消耗大量燃料和廠用電[5]。而如果選擇解列滅磁，汽輪機(jī)甩負(fù)荷后，機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在幾秒鐘內(nèi)使發(fā)電機(jī)恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，也就能在很短的時(shí)間內(nèi)并網(wǎng)投入運(yùn)行，從而減少經(jīng)濟(jì)損失。

（3）過頻率保護(hù)采用發(fā)信的出口方式。

考慮到對(duì)汽輪機(jī)葉片及拉金影響的積累效應(yīng)，頻率升高對(duì)汽輪機(jī)的安全是有危脅的，從這點(diǎn)出發(fā)，頻率異常保護(hù)應(yīng)該包括頻率升高的情況。然而，一般汽輪機(jī)都配置了超速保護(hù)，允許的超速范圍比較小，頻率升高又大多是在輕負(fù)荷或空載時(shí)發(fā)生，例如文中的甩負(fù)荷試驗(yàn)，此時(shí)汽輪機(jī)葉片和拉金所承受的應(yīng)力要比低頻率滿載時(shí)小得多。因此過頻率保護(hù)可以只發(fā)告警信號(hào)而不跳閘，通過后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通知運(yùn)行人員。運(yùn)行人員根據(jù)發(fā)電機(jī)的工況，通過機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)或功頻調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)作用，以及在必要時(shí)切除部分機(jī)組，使頻率迅速恢復(fù)到正常范圍。采用這種保護(hù)出口方式時(shí)，對(duì)電廠運(yùn)行人員的運(yùn)行操作水平和電氣相關(guān)知識(shí)的要求較高。

4 結(jié)語

該電廠在發(fā)電機(jī)重新并網(wǎng)運(yùn)行后，將發(fā)電機(jī)過頻率保護(hù)的出口方式改為發(fā)信，順利完成了甩負(fù)荷試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)過頻率作為一種異常運(yùn)行狀態(tài)，并不會(huì)產(chǎn)生即時(shí)危害，當(dāng)異常現(xiàn)象消失后，存在著快速恢復(fù)運(yùn)行的可能性。因此建議采用告警發(fā)信或解列滅磁的保護(hù)出口方式，以減少經(jīng)濟(jì)損失。

[1]韋東良，樊應(yīng)龍，吳剛.北侖電廠二期汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)分析[J].浙江電力，2002（1）:36-39.

[2]田豐.國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51（3）:217-219.

[3]袁季修，李文毅.大型汽輪發(fā)電機(jī)組頻率異常運(yùn)行允許時(shí)間的調(diào)查及建議[J].電力技術(shù)，1991（6）:67-72.

[4]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[5]國(guó)家電力公司.國(guó)電發(fā)[2000]589號(hào)防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.