一例汽輪發電機繼電保護的缺陷分析及改進

周成霖，湯夫媛

（萍鄉方大鋼鐵有限公司動力二廠，江西萍鄉 337000）

1 引言

方大萍鋼動力二廠蒸汽發電站現擁有3套汽輪發電機組，其中2#15M W機組于2007年9月投運，是萍鋼公司建成的第一套汽輪發電機組。由于發電機組直接與公司10k V供電系統并網，與系統電網沒有變壓器隔離，同時設計上又依照小火電廠“刪繁就簡”的配置思路，省略了一些保護功能，由此造成運行以來事故頻發。發電機組抵御電力系統事故干擾能力差，繼電保護配合上出現保護死區，尤其是在電力系統事故狀態下，發電機組不能與電力系統解列，使發電機組處于危險運行工況，嚴重威脅發電機組安全，甚至發生可能導致整套機組損毀的險情。汽輪發電機組運行環境隱患叢生，完善發電機繼電保護功能，提高機組安全運行水平已勢在必行。

2 汽輪發電機低頻運行

2.1 汽輪發電機低頻運行事故

2009年9月16日，由于110k V變電站倒閘操作失誤，導致外部供電系統與變電站2#主變解列，2#主變所帶10k VⅡ段24M W負荷全部甩給蒸汽發電站2#15M W汽輪發電機組，機組出現過負荷。因過負荷電流未達到過流保護跳閘整定值，發電機組“小馬拉大車”這種運行狀況前后持續達9m i n，直到電網與發電機組又發生非同期合閘，過流保護動作，發電機組才跳閘。其間發生機組長時低頻運行，運行參數見表1。

表1 機組低頻運行參數表

2.2 汽輪發電機低頻運行的危害

低頻運行對汽輪發電機組的危害是多方面的，其中主要有：

（1）引起汽輪機末級葉片出現低頻共振疲勞而損傷，長期過負荷運行可能導致葉片斷裂。

（2）使發電機轉子風扇出力降低，風量下降，從而使發電機的冷卻條件變壞，各部溫度升高。

（3）使發電機電動勢下降，導致發電機出力降低。若要保持發電機電動勢不變，勢必增加勵磁電流，以增加磁通，從而使轉子繞組的溫度升高。

（4）當頻率下降時，如仍要保持發電機出力，就要增加勵磁電流，導致定子鐵芯出現磁飽和，從而引起發電機部件溫升過高。

（5）使廠用電動機轉速隨之下降，廠用機械出力相應降低，進而造成汽輪發電機發出的有功功率繼續減少，導致運行頻率再度降低，惡性循環。

（6）低頻運行還容易造成機組推力軸承過負荷，同時主油泵出口油壓下降，有可能造成因油壓低而關閉主汽門。

3 汽輪發電機過頻運行

3.1 汽輪發電機過頻運行事故

蒸氣發電站電氣保護遵循發電廠單元機組繼電保護的一般原則，即發電機在失去外部系統大負荷時，應能帶廠用電負荷繼續運行。這一保護原則，給蒸汽發電站在特殊運行環境下出現發電機組超速運行埋下伏筆。

2009年5月11日，因蒸汽發電站供電系統聯絡線光纖縱差保護動作，造成110k V變電站9206熱電二線和蒸汽發電站9206熱電二線同時跳閘，運行中的2#15M W發電機組被甩掉外部系統負荷，機組負荷從7M W降到最低限0.5M W，但此時掛接在發電機母線上的廠用電負荷只有0.26M W,發電機組出現“大馬拉小車”的運行現象。汽輪機驅動功率因不能完全轉化為電功率，過剩功率導致汽輪發電機組超速運行，最高轉速飛升到3220轉，其后因廠用電負荷過小，又造成轉速較長時間滯留在3100r/m i n左右。因汽輪機保護設定轉速3280轉為停機值，危急保安器動作值為3300轉。因此，汽輪發電機組過頻運行前后維持了10多分鐘后才手動停機解列。

3.2 汽輪發電機組過頻運行的危害

（1）使轉子的部件損壞。當頻率升高時，會使發電機、汽輪機轉子加速，離心力增加，易造成轉子的部件損壞。嚴重時可以導致機組飛車，引起機組軸承及葉片斷裂，甚至使整臺機組報廢，這是汽輪發電機組設備破壞最大的事故之一。

（2）引起發電機定子鐵芯溫度上升。頻率升高時，會使發電機定子鐵芯的磁滯、渦流損耗增加，從而引起鐵芯的溫度上升。

（3）汽輪發電機組過頻運行一般發生在甩大負荷的情況下。帶廠用電運行，此時會因為機內蒸汽流量過少，與汽輪機末級長葉片摩擦，形成鼓風損失，加熱排汽，使汽缸溫度升高，嚴重時會導致葉片過熱而損壞。

4 汽輪發電機組頻率保護的設置

從以上兩起電氣事故引發的汽輪發電機組運行險情中看到，完善汽輪發電機保護的緊迫性，為防范機組出現重大設備損壞事故，頻率保護不可或缺。4.1 汽輪發電機組設置頻率保護的依據（見表2）

表2 汽輪發電機組頻率異常運行時間限制表

4.2 汽輪發電機且設置頻率保護的改造

蒸汽發電站3套汽輪發電機組新增頻率保護已具備良好的硬件基礎，無須更多的投入和技改。現有繼電保護裝置選用多功能發電機保護裝置S E L-300G，其內部已預留頻率保護的功能。因此只須將保護整定值輸入S E L-300G，即可擁有頻率保護功能。再經過簡單接線，便可將頻率保護作用于信號、跳閘和上傳D C S報警。經計算，蒸汽發電站汽輪發電機頻率保護（S E L－300G）的定值確定如下：

27 B 81 P：20V（無壓閉鎖低頻）

81 D 1 P：48H z（低頻啟動值）

81 D 1 D：3s（延時時間）

81 D 2 P：52H z（過頻啟動值）

81 D 2 D：1s（延時時間）

5 汽輪發電機組定子接地保護

5.1 汽輪發電機組定子單相接地的危害

根據安全運行的要求，發電機的外殼都是接地的，因此，定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。當接地電流較大時，在故障點引起電弧，弧光接地很容易發展為相間短路，造成更大危害。我國規定，當接地電容電流等于或大于5A時，汽輪發電機應設動作于跳閘的接地保護。為防范定子接地造成發電機損毀，蒸汽發電站機組據此設置了定子接地跳閘這一常規保護。

5.2 汽輪發電機定子接地保護的缺陷

因蒸氣發電站發電機與110k V變電站10k VⅡ段系統直接連接，中間沒有變壓器作電磁隔離。因此，當變電站10k VⅡ段系統中任何一點出現接地，均會波及到發電機。15M W發電機組運行以來，從幾次定子接地保護跳閘的情況分析，均是發電機外部電力系統接地造成的。由于110k V變電站10k V系統的龐大，每年均會發生多次單相接地故障，而由此殃及發電機定子接地保護動作的事故亦有多起。據統計，僅2011年就發生3次因外部電網接地而引發機組定子接地保護動作的停機事故，給發電生產帶來不穩定性。

5.3 汽輪發電機定子接地保護定值的改進

從定子接地保護原理上講，只有當發電機內部單相接地時，流經發電機零序電流互感器的零序電流，為發電機以外電壓網絡的對地總電容電流，這一電流較大，必須作用于保護跳閘。而當發電機外部系統單相接地時，流過零序互感器的零序電流，只為發電機本身的對地電容電流，而發電機本身電容電流一般不超過2A。因此，外部電力系統接地，發電機定子接地保護動作是不正常的。

蒸汽發電站發電機定子接地保護，是采用高導磁率硅鋼片零序電流互感器構成的，發電機中性點經消弧線圈接地，繼電保護整定值為：動作電流4 A，時限 0.5s。

依據我國發電機定子接地保護相關規定要求，接于零序電流互感器上的發電機零序電流保護，其整定的選擇原則是：

（1）應能躲過外部單相接地時，發電機本身的電容電流，以及由于零序電流互感器一次側三相導線排列不對稱，而在二次側引起的不平衡電流。

（2）保護裝置應帶有1～2s的時限，以躲開外部單相接地瞬間，發電機暫態電容電流（其數值遠較穩態時為大）。如果不帶時限，則保護裝置的起動電流就必須按照大于發電機的暫態電容電流來整定。而我們從消弧監控測量柜查詢到的接地故障時運行參數見表3。

表3 外部接地故障時相關運行參數

從以上數據及定子接地保護整定選擇原則分析，110k V變電站高壓系統發生單相接地而引發蒸汽發電站發電機定子接地保護動作，原因有二：一是發電機定子接地保護動作時限在設定上過于小心謹慎，在系統接地瞬間因存在暫態過程，其時發電機本身電容電流遠大于4A的動作電流，而在0.5s內未衰減到穩態值，保護動作于跳閘；其二，由于系統接地電容電流過大，本站消弧線圈自動補償電感電流，而且過補償的電感電流大于系統電容電流，其差值大于4A，而接地時間又大于0.5s，導致定子接地保護動作。

因此，只要我們把接地保護時間從0.5s延長到2s。這樣，當系統發生接地，尤其是瞬時接地時，發電機定子接地保護將可以躲過形成的暫態電流，避免停機事故的發生。此外，定子接地保護延時到2s后，一旦發電機內部發生單相接地，因保護動作電流維持4A不變，仍可確保發電機定子接地保護的可靠性。

6 結束語

發電機繼電保護是維系汽輪發電機組安全的最后一道屏障，合理設置保護和配置保護參數又是其中至關重要的環節。方大萍鋼動力二廠3套汽輪發電機組通過增加低頻和過頻保護，優化定子接地保護定值，增強了抗御外部故障干擾的能力，為汽輪發電機組長期的安全穩定運行提供了技術支持。