功率-負荷不平衡保護誤動作的分析與改進

謝燕雄，張太林，余 鵬

(神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司，重慶 404027)

功率-負荷不平衡保護誤動作的分析與改進

謝燕雄，張太林，余 鵬

(神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司，重慶 404027)

分析了某火電廠超超臨界機組功率-負荷不平衡(PLU)保護原理和誤動作事件，發現PLU保護設計中存在不合理之處，提出改進建議并加以實施，有效避免了汽輪機超速故障，保護了汽輪機及電網的安全運行。

汽輪機；功率-負荷不平衡；超速

0 概述

針對大型汽輪發電機組甩負荷時的超速風險，特別是運行機組甩部分負荷工況，即機組與電網聯絡的“發電機并網”信號正常，但由于外部線路故障、電網故障或者其他原因，導致機組實際送出的功率瞬間大幅度下降時，汽輪機存在嚴重的超速風險，在汽輪機DEH控制系統中，一般設置功率－負荷不平衡(PLU)保護。

某火電廠1號、2號1 050 MW超超臨界機組分別于2015年2月、9月通過168 h試運轉入商業運營。2015-04-15，1號機組在運行中發生過功率-負荷不平衡(PLU)保護誤動作事件，高、中壓調門3次開關，造成機組負荷從(-30)-1 050 MW波動了3次，直接威脅機組及電網的安全運行。

1 PLU保護原理及動作過程介紹

1.1 PLU保護原理

功率-負荷不平衡(PLU)保護的動作條件：中壓缸進汽壓力/額定中壓缸進汽壓力(785PSI)-實際發電機負荷/額定負荷(1 050 MW)＞0.4。

汽輪機功率由中壓缸第1級入口蒸汽壓力來表征，輸入信號為4-20 mA，3個測點獨立取樣。

發電機功率信號：從發電機機端電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)取得三相電流、電壓信號，經3塊功率變送器計算后得到。再將該功率信號送

到汽輪機TP800保護模件。

汽輪機TP800保護模件由ABB公司生產，每臺機組配置3塊，每塊卡件分別接收1個中壓缸第1級入口蒸汽壓力信號和1個發電機功率信號。該保護采用“3取2”判據，當任何1塊卡件故障或任何1個信號故障時，保護均不會誤動作。

1.2 PLU保護邏輯框圖

PLU保護邏輯程序固化在汽輪機TP800保護模件中，PLU保護邏輯如圖1所示。

1.3 PLU動作過程

當汽輪機TP800保護模件檢測到功率-負荷不平衡并達到整定值時，PLU保護在15 ms內動作，快速關閉高、中壓調節閥，2 s后PLU保護返回，汽輪機高、中壓調節閥恢復伺服調節，并立即按保護動作前的閥位指令開啟汽輪機高、中壓調節閥，或根據運行人員指令控制機組負荷。

關于快速關閉高、中壓調節閥2 s后又重新開啟至原閥位的動作要求，是基于下列2種原因設計而成的。

(1) PLU保護動作，立即全關汽輪機高、中壓調節閥，如發電機出口開關實際上沒有分閘，需快速打開汽輪機高、中壓調節閥，避免發電機變“電動機”運行，或者引起發變組逆功率保護動作使機組跳閘。

(2) 若電網出現瞬時性故障，故障快速消除后，為保證電網有功功率平衡，汽輪機高、中壓調節閥必須及時打開，確保電網頻率穩定。

圖1 PLU保護邏輯示意

2 PLU誤動作事件實際動作過程

2015-04-15T10:14，該火電廠1號機組正常運行，發電機有功功率911 MW，CCS控制方式，AGC投入，汽輪機1號、2號高壓調節閥開度均為47.7 %，中壓調節閥開度均為100 %。

因工作人員誤斷開了發電機出口1號PT的測量繞組的二次空開，導致所有功率變送器測量用的電壓信號瞬時變為0，汽輪機TP800保護模件的3個功率信號也瞬時變為0。這符合PLU保護動作條件，故PLU動作。

10:14:39，機組負荷由911 MW突降為0，汽輪機TP800保護模件中的功率-負荷不平衡PLU保護第1次動作，全部關閉汽輪機高、中壓調節閥，機前主汽壓力由23.7 MPa突升至26.6 MPa，動作持續2 s。

10:14:41，PLU保護返回，汽輪機高、中壓調節閥自動恢復伺服控制，并快速開啟至原開度。

10:14:44，由于TP800保護模件的3個功率信號仍為0， PLU保護第2次動作，第2次全部關閉汽輪機高、中壓調節閥。

10:14:46，PLU保護第2次動作返回后，汽輪機高、中壓調節閥自動恢復伺服控制，并快速開啟至原開度。

10:14:49，PLU由于TP800保護模件的3個功率信號仍為0，保護第3次動作，第3次全部關閉汽輪機高、中壓調節閥。

10:14:51，PLU保護第3次動作返回后，汽輪機高、中壓調節閥自動恢復伺服控制，并快速開啟至原開度。

10:14:52，工作人員重新合上發電機出口1號PT的測量繞組的二次空開，發電機有功功率恢復正常，PLU保護動作停止，運行人員手動調整機組參數維持機組穩定。從DCS系統查閱得知，主變高壓側有功功率從(-30)-1 050 MW波動了3次，直接威脅機組和電網的安全運行。

3 PLU保護誤動作暴露的問題

3.1 PLU保護功率變送器電壓采樣不合理

根據歐洲電工標準化委員會制定的SIL3安全標準，PLU采用“3取2”判據設計，以避免信號誤發導致保護誤動。但實際配置中，所有測量用的電壓信號均取自發電機出口1號PT的測量繞組，當該組PT故障或發生二次回路斷線等情況時，送至汽輪機TP800保護模件的3個功率信號同時受到影響，造成PLU保護誤判斷。

3.2 PLU保護動作判據不充分

作為防止汽輪機超速的手段，若僅依靠單一電功率測量信號判斷機械功率和電功率不平衡，并作為PLU保護動作的依據，則在出現因類似本次事件引起的功率信號失真時，在汽輪機和電網運行正常情況下，PLU保護即發生誤動，將引起機組功率大幅波動。

3.3 TP800保護模件無法判斷有功功率信號故障

PLU保護設計的初衷是：當PLU動作機組避開超速風險后，恢復汽輪機DEH伺服調節系統控制。但因汽輪機TP800保護模件無法對發電機有功功率信號故障進行判斷，導致因功率信號故障時PLU保護多次動作，直到重新合上發電機出口1 號PT的測量繞組的二次空開，發電機有功功率恢復， PLU保護才停止動作。

3.4 功率變送器的時間常數難以滿足要求

根據行業標準，一般功率變送器的時間常數要求小于400 ms，實際在240-400 ms，延時較長，難以滿足系統故障快速響應的要求。

4 PLU保護的改進措施

4.1 改進PLU保護采樣

4.1.1 采用快速智能響應型功率變送器

快速智能響應型功率變送器的響應時間可縮短至40 ms，能有效解決一般功率變送器響應時間長的問題，滿足電網暫態故障的快速響應要求。因此，將原來為汽輪機TP800保護模件提供功率信號的3只普通功率變送器更換為智能功率變送器。

快速智能響應型功率變送器具有2組電流、電壓間切換及斷線識別功能。正常運行中，該智能功率變送器采用PT和CT的測量用繞組的電壓、電流信號進行功率計算。當發生電網事故時，發電機有功功率發生突變，此時該智能功率變送器自動切換至PT和CT的保護用繞組的電壓、電流信號進行功率計算，解決電網故障情況下的暫態特性問題。同時，該智能功率變送器具有自動識別PT、CT斷線的功能，能解決PT、CT斷線時PLU的誤動作問題。

4.1.2 改進智能功率變送器采樣回路

(1) 智能功率變送器電源回路分別采用獨立的UPS供電。

(2) 智能功率變送器電流采樣回路分別引入發電機機端2組CT的二次繞組(一組測量繞組，另一組保護繞組)。

(3) 智能功率變送器電壓采樣回路分別引入發電機機端2組PT不同的二次繞組(一組測量繞組，另一組保護繞組)，PT二次空開采用單極空開。改進后的發電機出口PT接線如圖2所示。

(4) 各智能功率變送器送至DEH的信號電纜獨立布置。

4.2 增加轉速信號閉鎖條件

為防止PLU保護誤動，在PLU動作回路中串聯轉速動作接點。當PLU保護動作、轉速動作判據同時滿足時，PLU保護才能出口。

根據仿真實驗結果確定PLU動作轉速為3 030 r/min，當汽輪機轉速達到此動作轉速時，轉速動作輸出接點閉合。只有當汽輪機機械功率與電功率不平衡(大于0.4)且機組實際轉速達到3 030 r/min值時，PLU保護才會動作出口，避免PLU保護誤動。同時，在PLU出口回路中引入機組出口開關合閘位置接點，只有當機組并網運行且以上2個條件同時滿足時，PLU保護才會動作，從而防止PLU誤動。

此外，為確保PLU保護動作的可靠性，將汽輪機TP800保護模件中的轉速判斷的控制周期縮短。修改后的PLU保護動作原理如圖3所示。

5 結束語

汽輪機PLU保護是ETS系統的一項重要保護，也是DEH系統防止超速控制功能的一部分，雖然比較簡單，卻往往容易被忽略?，F對PLU保護誤動作進行了分析，并提出了相應的改進方法，這對提高PLU保護可靠性、防止汽輪機組超速、抑制電網振蕩、迅速恢復機組功率、防止事故擴大，有一定的借鑒意義。

圖2 改進后的發電機出口PT接線示意

圖3 改進后的PLU保護動作原理示意

1 徐衍會，賀仁睦，孔祥云．調速系統超速保護控制對電力系統穩定的影響[J].現代電力，2006，23(6)：6-9．

2 丁 浩，沙 明．汽輪機功率負荷不平衡控制響應時間分析[J]．吉林電力，2011，39(5)：12-13．

3 朱松強．功率負荷不平衡模塊(PLU)誤動原因分析[J]．浙江電力，2005，72(4):44-45．

4 過小玲，鄭渭建．取消東汽機組PLU保護的可行性探討[J]．浙江電力，2012，31(1):56-58．

2016-09-16。

謝燕雄(1983-)，男，助理工程師，主要從事火電廠集控運行工作，email：442440378@qq.com。

張太林(1973-)，男，高級工程師，主要從事運行管理工作。

余 鵬(1982-)，男，工程師，主要從事火電廠汽機運行管理工作。