功率負荷平衡保護和零功率切機保護優化的探討

朱青國，孫淑蓮

（1.浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317109；2.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

功率負荷平衡保護和零功率切機保護優化的探討

朱青國1，孫淑蓮2

（1.浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317109；2.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

針對幾起發電機功率負荷平衡保護和零功率切機保護的誤動事件，分析零功率切機保護和功率負荷平衡保護在應用中存在的問題，提出選用智能型功率變送器及零功率切機保護定值整定原則，并探討零功率切機保護和功率負荷平衡保護優化應用的新思路，提高保護運行可靠性。

零功率切機；功率負荷平衡保護；智能變送器；整定

為防止電力輸送通道突然中斷故障，發電機KU（零功率切機裝置），已被廣泛應用于發電廠。另外，目前大型汽輪機組DEH（電液調節）控制系統一般配有PLU（功率負荷平衡保護），在檢測到發電機功率快速下降、突變到一定程度時，觸發保護性調節功能。零功率切機保護近幾年的運行情況不甚理想，功率負荷平衡保護在區外系統故障的沖擊下也屢屢出現誤動。

1 功率負荷平衡保護和零功率切機保護

功率負荷平衡保護在檢測到發電機甩負荷量大于等于40%額定負荷，進入汽輪機的熱負荷和發電機負荷之間的不平衡值大于等于40%額定負荷，并且發電機電流的減少值大于等于每10 ms 40%額定電流時，保護動作快速關閉調閥，以便盡早抑制汽輪機轉速飛升，通過該保護觸發DEH系統的調節功能，使汽輪機不跳閘。

零功率切機裝置是針對大型機組在雙回線線間故障或桿塔故障、輸出線路全部跳閘、對側變電站母線故障或全站停電等原因，造成發電廠輸電通道斷開時，防止汽輪機超速進行快速停機的保護裝置，利用純電氣量的變化特征構成邏輯判據，動作后，迅速切換廠用電并發電機滅磁，同時關閉汽輪機主汽門。

可以看出功率負荷平衡保護和零功率切機保護都屬于預超速保護，前者主要是用來提高電力系統暫態穩定性能，快速關閉調閥，后者為保護熱力設備不受損壞而快速出口停機，功率負荷平衡保護應先于零功率切機動作。

2 功率負荷平衡保護和零功率切機保護異常運行情況

例1：某發電廠受電側變電站一條線路發生瞬時單相接地故障跳閘，在單跳重合后，9號、10號機組PLU保護同時動作，最后導致2臺機組的程序逆功率動作，分別跳開220 kV開關。檢查分析發現：電網系統故障的沖擊造成電氣功率突降并未達到PLU的動作條件，只是功率變送器在系統故障狀態下輸入量存在非周期分量，變送器輸出發生突變而導致PLU誤動的。

例2：某發電廠500 kV線路B相瞬時故障時，線路保護動作后766 ms，3號、4號機組零功率保護動作，導致3號、4號機組跳閘停機事故。分析原因是：汽輪機KU保護功率變送器測量失真，KU保護誤關汽機調門，造成發電機輸出功率下降，數百毫秒后，零功率切機誤判斷跳開2臺660 MW機組。

例3：某發電廠3號發電機正處并網升負荷階段，有功功率未到達零功率切機投入功率設定值工況下，系統發生B相接地故障，零功率切機保護誤動切機。分析原因是：當時系統發生故障時發電機出力出現大幅度波動，零功率切機保護誤動出口。

3 功率負荷平衡保護與零功率切機保護運行中存在問題

（1）功率負荷平衡保護的功率測量環節可靠性差。在系統故障等暫態工況下，用于測量發電機功率的測量級TA飽和、常規功率變送器輸出突變，導致功率負荷平衡保護誤動。

（2）零功率切機邏輯判據存在漏洞，在系統故障時會誤動出口，無法識別功率突降原因是汽輪機關閉調門還是輸電通道中斷。

（3）定值設定困難。零功率切機保護中電氣量變化受系統動態影響較大，而且現行的繼電保護整定計算導則中也沒有這方面的內容。

可以看出邏輯判據不完善、定值不合適，是造成零功率切機動作正確率低的主要原因；功率負荷平衡保護邏輯設置過于簡單，當功率測量環節出問題，保護立即誤動出口。功率測量回路除了測量TA和功率變送器本身在區外故障大電流下無法正常工作外，常規功率變送器還存在響應時間長、抗干擾能力差、自檢功能和TA/TV斷線報警閉鎖功能不具備等問題。

因此，有主張取消該保護，理由是該保護提高大電網穩定的作用會越來越小。但隨著特高壓交直流線路的不斷投運，特高壓線路故障引起功率潮流突變，系統短路故障引起的甩負荷，對作為特高壓網架中主要電源的大型汽輪發電機組提出了更高的承擔系統穩定的要求。

4 功率負荷平衡保護優化措施

目前較為常見方法是增加轉速大于3 018 r/min的閉鎖條件作為防誤動措施，這樣實際上功率平衡保護功能基本上被屏蔽了。因此應該從改善功率信號采集系統，增加功率測量環節故障閉鎖功能入手，將常規功率變送器更換為一種智能功率變送器。

南瑞繼保PCS988P智能功率變送器可以同時采集TA的保護和測量電流，采用功率計算電流無縫切換技術，32微處理器和雙DSP的硬件結構，多個處理器并行工作，將發電機功率實現數模轉換直流輸出。同時裝置具有自檢功能和TA/TV斷線報警功能，這大大提高了功率信號采集的正確性，能有效克服采用時分割乘法器的原理將交流電壓電流量轉換為4～20 mA輸出的常規功率變送器存在的缺陷。

某電科院對例2中B相瞬時性接地故障的波形數據進行回放，觀察PCS988P功率變送器裝置的暫態輸出特性。測試結論是：功率變送器裝置暫態輸出功率變化趨勢與實際功率變化相同，實際功率變化時間為70 ms，功率變送器為80 ms，兩者基本接近，從現有的試驗數據分析，功率變送器能夠實現保護采集數據及測量級數據的無縫切換，且響應時間為70 ms，相比于常規變送器200 ms響應時間，大大改善了采集的實時性。

PCS988P功率變送器已應用于多個發電廠中，第一臺投運為2014年5月，到目前為止無不良動作行為記錄。因此在功率測量環節可靠性提高的情況下，可以考慮取消轉速大于3 018 r/min的閉鎖條件或者適當降低轉速的閉鎖條件，轉速整定值可取大于正常運行時最大轉速、不大于零功率切機保護中的轉速判據。

5 零功率切機裝置優化措施

5.1 優化邏輯判據

從上述誤動案例可以看出，保護裝置存在的共性問題是忽略了發生輸出通道中斷時機組轉速會迅速上升的特點，沒有利用發電機頻率突增這個電氣特征，動作判據中沒有頻率判據，啟動判據中頻率判據與電壓、電流判據是或門關系，以南瑞繼保RCS985UP裝置為例，改進前邏輯如圖1，當滿足電壓突增條件時，啟動元件就能出口。

圖1 改進前啟動判據

因此為防止誤動，改進后邏輯在啟動判據中增加1條發電機頻率大于50.2 Hz的判據，在電壓突增或電流突降的同時要滿足發電機頻率大于50.2 Hz，這樣可以有效防止功率輸送通道未中斷時,區外故障保護頻繁啟動而誤動出口，改進后邏輯如圖2。

圖2 改進后啟動判據

對于啟動判據中的電壓突增判據，定值較難設定，因為電壓變化的大小不僅與當時運行機組的負荷有關，還取決于勵磁調節器的性能，如果勵磁調節過快或零功率切機出口時間過長，都可能會造成零功率切機拒動，因此改進措施之二是在啟動判據中增加了電流突降判據，可有效防止電壓突增不能正常啟動時保護拒動情況。

5.2 優化零功率切機保護設定值

零功率切機保護裝置是由啟動判據、動作判據、閉鎖判據3部分組成。啟動判據由電壓突增、電流突降、頻率突增、過頻和功率投入等元件組成；動作判據由低功率、電流突降和低電流等元件構成；閉鎖判據由正序電壓、負序電壓等元件構成。下面以某發電廠2臺1 000 MW機組配置的南瑞繼保RCS985UP裝置為例介紹整定原則。

5.2.1 起動判據的整定

（1）零功率切機保護投入功率Psef1整定依據。在機組輸出功率小于整定值時，機組即使發生功率突降，對熱力設備不構成安全威脅，故該設定值應小于調度低出力，可根據機組最小運行出力，取30%～40%額定功率。

（2）電壓突增定值的整定依據。按機組帶最小功率時發生突降后，無功功率在發電機電抗和主變壓器（以下簡稱主變）電抗上的電壓消失，引起主變高壓側和發電機機端正序電壓的突升，考慮短時間發電機勵磁調節器來不及反應，設定值ΔUset可按電壓突增量有1.2～2.0倍靈敏度整定，建議發電機突增設定值按1.2倍靈敏度計算，主變突增量設定按1.5倍靈敏度計算。

（3）頻率突增定值的整定依據。頻率突增的大小與機組當時運行的負荷大小和機組的慣性常數有關。首先需要計算機組慣性常數M，再根據M計算機組在功率突降過程中頻率的突增值df/dt，考慮頻率在上升過程中調速系統的作用，頻率突增元件應有較高的靈敏系數，則設定值（Δf/Δt）set可取3～4倍的靈敏系數。

（4）過頻定值。避開電網周波波動的影響，可取50.3 Hz。

5.2.2 動作判據

（1）發電機正向低功率定值整定。應大于發電機僅帶廠用電時最大功率，小于發電機最低出力。

（2）主變和發電機正序電流突降定值整定。電流的突變量是功率突降前的負荷電流Ifh在特定時間窗內的變化量，按：計算，其中負荷電流按保護投入功率時對應的主變高壓側和發電機機端電流計算，時間常數τ，與二次電纜長度、截面、電流互感器剩磁有關，根據相關資料可取0.2，特定時間窗保護裝置固定為0.2 s。

（3）主變、發電機低電流定值：設定值按小于投入功率電流，大于高壓廠變最大負荷電流整定。

5.2.3 閉鎖判據

（1）正序電壓定值。當系統發生三相短路故障時，零功率切機保護被閉鎖，按躲開正常運行時最低電壓整定，取80%～85%額定電壓。

（2）負序電壓閉鎖定值。當系統發生不對稱故障時，零功率切機保護被閉鎖，按躲開正常運行最大負序電壓整定，一般取0.06～0.08Un。

5.2.4 出口時間和出口方式

出口時間可取0.05～0.1 s，出口方式為跳開主變高中壓側斷路器并閉鎖合閘，滅磁、關主氣門、啟動快切裝置。

6 零功率切機保護與功率負荷平衡保護的進一步優化

南瑞繼保PCS988P發電機功率變送器裝置的開發平臺UAPC與微機保護裝置通用，采用的硬件結構、采集的電氣量與微機型零功率切機保護完全相同，目前微機保護的軟/硬件均采用模塊化設計，具有靈活配置、易于擴展的特點，因此設想在零功率切機保護裝置上稍加改動，增加功率直流輸出功能，功率負荷平衡保護的功率采集任務由零功率切機保護裝置來完成，這樣可以取消功率變送器，減少現場電氣設備，又可以降低TA和TV的二次負載，而且簡化了二次回路。

進一步設想，如果DEH系統可以實現表征汽輪機熱負荷的模擬量輸出，將該模擬量送入零功率切機保護裝置中，那么零功率切機保護可以替代功率負荷平衡保護，微機型零功率切機保護裝置的采樣周期、計算速度、抗干擾性等都大大優于原功率負荷平衡保護，特別是對于裝置故障自檢、斷線閉鎖、系統振蕩判別保護裝置都已有非常成熟的判據，相對于原功率變送器和功率負荷平衡保護要完善得多，大大降低誤動幾率。對于允許孤島運行的機組在發電機甩負荷后可以實現調節汽輪機調門功能與關閉主汽門功能的配合，保護裝置一時限出口調節汽輪機的調門，二時限出口關閉主汽門。

7 結語

功率負荷平衡保護和零功率切機保護的誤動，往往造成幾臺機組同時切除，因此提高其運行可靠性顯得尤為重要。目前，各制造廠根據現場運行工況，在不斷完善零功率切機保護的判據，智能變送器也在近幾年陸續有制造廠研發并應用于現場。按本文提出的零功率切機保護的整定原則整定的保護裝置，在某發電廠 1號、2號機組50%和100%4次甩負荷試驗中進行考驗，均能正確動作，但還需在運行中經受進一步的考驗。

[1]邵夢橋，張建俠.發電機零功率保護切機邏輯研究[J].貴州電力技術，2015（1）∶62-64.

[2]周傅峻，林彤.500 kV系統單相瞬時故障引起2臺機組跳閘的原因分析[J].浙江電力，2014（10）∶28-31.

[3]兀鵬越，安欣，伍剛，等.電氣零功率保護改善汽機超速保護性能探討[C]//中國電機工程學會年會，2013.

（本文編輯：楊 勇）

Discussion on Optimization of Power Load Unbalance Protection and Zero-power Tripping Protection

ZHU Qingguo1，SUN Shulian2

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou Second Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Zhejiang 317109，China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Aiming at several misoperation incidents of power load unbalance protection and zero-power tripping protection of generator，the paper analyzes the problems in their application and puts selection of intelligent power transmitter and setting principle of zero-power tripping protection；besides，it discusses a new idea for application optimization of zero-power tripping protection and power load unbalance protection.

zero-power tripping；power load unbalance protection；intelligent transmitter；setting

TM773

B

1007-1881（2016）08-0056-04

2016-07-08

朱青國（1968），男，高級工程師，從事發電廠管理及技術工作。