某电厂增设零功率切机保护装置与发变组配合运行研究

0引言

目前,大容量火电机组已成为区域电网的主要电源^[1]。在满载运行状态下,这些大容量机组若因输电线路故障等外部因素导致有功功率突降至零,将触发一系列联锁反应:如发电机端电压急剧上升(可达到额定值的1.2倍)、转子超速(频率波动范围超过±0.5 Hz)、锅炉水位剧烈震荡,严重时甚至会导致汽轮机叶片断裂等。尽管现有的保护系统(如逆功率保护、失步保护等)能够应对部分电气故障,但其单一的判据和较长的动作延时(通常≥1 S)难以有效隔离功率突降工况,导致机组易遭受冲击,对电网频率稳定性构成威胁^[2]。目前的研究主要集中在零功率切机保护的判据设计与动作逻辑优化上。例如,文献[3]提出了基于功率突降阈值与电压升高的复合判据,但在系统振荡或区外故障恢复等暂态过程中仍存在误动风险,误动作率高达5%。此外,现有保护系统与发变组保护的协同机制尚未完善,故障隔离时间普遍超过DL/T 671标准要求的0.5 S,且缺乏针对热力设备损伤的联动控制策略^[4-5]。对于350 MW级机组,由于其惯性时间常数小,功率突降后的动态过程剧烈,以往的保护方案难以满足快速性与可靠性的双重需求。针对上述问题,本文提出增设零功率切机保护装置,并与发变组保护深度配合运行的方案。

1概述

1.1 故障概述

某2×350 MW燃煤发电机组,通过220 kV同杆双回线路接入区域电网。2023年9月定检期间,#1发电机组于20:33发生连续线路跳闸事件。事故导致#2机组突发负荷骤降,引发汽轮机超速保护系统(OPC)多次重复动作。记录数据显示,转子转速峰值达到3133 r/min(超过额定转速3 000 r/min的4.43%)。当 OPC保护动作时,EH油压系统参数与汽轮机跳闸保护(ETS)的预设阈值产生耦合效应,最终触发机组联锁保护动作,造成汽轮机跳闸及锅炉主燃料跳闸(MFT) 联锁响应。

1.2保护系统结构分析

1.2.1保护装置结构特性

该电厂配置的DGT801U-B型发电机组保护装置采用32位MCU+DSP双核架构,同时装置通过同步相位比较、谐波分析和磁饱和补偿技术,实现了保护灵敏度和抗干扰能力的优化。该装置具有以下技术特征:一是一体化数字继电保护系统,支持多绕组变压器保护模式;二是采用改进型比率差动保护算法,其制动特性如式(1)所示:

Idz=K×(Imax-Izd) (1)

式中:Idz为差动动作电流;Imax为最大不平衡电流;Izd为制动电流;K为比例系数。

1.2.2频率保护机制分析

系统配置51.5 Hz高频保护(对应超速保护阈值)和47.5 Hz低频保护。事故过程中,OPC动作后的转速调节特性导致系统频率未能触及高频保护阈值,而低频保护在转速降至47.5 Hz时触发灭磁保护。这种现象暴露出传统频率保护策略在瞬态工况下的响应迟滞问题。

基于上述保护特征,该电厂进行了三次全工况模拟实验(包括单相接地、三相短路等故障模式),验证了保护装置的制动特性曲线符合IEC60255标准要求。结果表明:1)区内故障动作时间≤25 ms;2)区外故障制动系数≥0.35;3)二次谐波制动比≥15%。基于保护装置的性能验证结果,可排除设备本体故障因素。结合事故录波数据分析,初步判断此次故障源于电网侧瞬态扰动与机组控制系统的动态响应失配。

2保护逻辑缺陷分析

2.1 故障机理

事故过程分析表明,在双回出线同时跳闸引发的机组孤岛运行工况下,保护系统存在多重失效模式:

1)断路器状态监测盲区导致发电机出口断路器分闸时未能激活联锁保护机制,违反IEC61850-7-410规定的状态关联逻辑;2)信号传输架构缺陷致使励磁系统缺失停机指令,仅依赖快速励磁衰减(FFF)将机端电压降至76.3%±0.5%额定值(vn=20 kv),超出 IEEE 421.2标准允许的最大衰减范围;3)控制逻辑冲突引发数字电液调节系统(DEH)持续误判机组并网状态,通过超速保护控制器(OPC)执行非对称转速调节,造成功率—频率动态特性失配(dp/df=1.28MW/Hz)。这些交互性故障模式导致系统暂态稳定性指标(TSI)降低至临界阈值以下,形成级联故障传播路径。

2.2保护缺陷定量分析

基于IEC61850-7-420标准构建的故障树分析(FTA)表明,该保护系统存在三项关键量化缺陷:

1)零功率工况识别机制缺失,当系统功率|p| <2.00%pe(pe为额定有功功率)且持续时间超过2 s时未能触发切机保护;2)状态量关联失效,发电机出口断路器(GCB)位置信号与励磁系统间缺乏基于GOOSE协议的通信链路,导致设备状态误判率提升83.6%;3)动态特性失配,在超速保护控制器(OPC)动作次数超过设计阈值(n=3次)时,未激活预设的加速度后备保护[dn/dt>50 r/(min.s-1)],致使系统暂态稳定裕度降低至临界值的67.2%。这些缺陷共同导致保护系统可靠性指标下降至IEC 61508 SIL-2标准要求以下。

针对该电厂内发变组保护现状,提出并实施了一种分层式保护架构的改进策略。具体是通过在主保护装置DGT801U-B中嵌入零功率保护模块,如图1所示,并在后备保护系统中增设功率—频率协调控制器 (PFCC),实现对低周减载曲线的动态调整功能。同时,建立发电机断路器状态与励磁系统的硬接线闭锁机制,以增强系统的可靠性。此外,在紧急控制中配置加速度保护作为过频保护(OPC)的后备措施。

3零功率保护

3.1保护设计与闭锁机制

零功率保护逻辑框图如图1所示,该保护通过多维度判据综合判断机组运行状态,主要包括:1)过功率判据(p>pset.1)结合延时记忆功能,识别功率突降前的异常过载;2)正序电压突增(Δu>Δuset)和频率突增(ΔF>ΔFset)判据,捕捉功率突降时电压与频率的异常升高;3)设置功率区间锁定(0<P<Pset.2)判据,兼顾二次功率不完全归零特性;4)正序电流突变量(ΔI1 >ΔI1set)判据,通过高压侧电流灵敏反映一次电流突降为0的情况;5)相电流小于定值判据(Ifa<Iφset& Ifb<Iφset&Ifc<Iφset),通过高压侧电流特征灵敏检测一次电流骤降;6)闭锁逻辑采用电压对称性检测(u1<u1set,u2>u2set)与主汽门状态联锁,有效规避TV断线、系统振荡及短路故障导致的误动作。该设计以发电机/主变高压侧TA/TV的二次三相电流、电压为输入量,通过多判据协同实现功率突降时的精准保护。

3.2 定值整定

1)过功率定值Pset.1:

大型发电机在正常且稳定运行状态下,其功率通常不低于额定有功功率Pe的40%。基于此,过功率设定值Pset.1可按公式(2)计算得出。

式中:Pe为额定有功功率;na为电流变比;nv为电压变比。

2)正序电压突变量定值Δuset:

根据公式 (3)计算得出,一般设定值范围在(0.01~0.05)ue之间。

Δuset=0.05ue=0.05×100=5.0 V(3)

式中:ue为机端额定电压二次值。

3)频率突变量定值ΔFset:ΔFset=0.5 Hz。

4)功率突降后低功率定值Pset.2:

Pset.2必须低于发电机的最小输出功率。同时,考虑到功率正向突降时,电流互感器的二次电流会经历一个衰减阶段,导致输出功率出现不平衡。因此,Pset.2定值应高于可能出现的最大不平衡输出功率。定值可参照公式(4)计算。

5)电流突变量ΔI1/t:

当发电机功率骤降至0,其运行电流通常也会突降至0,其定值参照公式(5)计算。

ΔI1/t=(0.2~0.3)Ie=0.3×3.96≈1.19 A (5)

式中:Ie为发电机额定电流二次值,[(412× 1 000 000/1.732)/20 000]/(15 000/5)≈3.96 A。

6)低电流定值Iφset:

Iφset需低于正常运行中的最小负载电流,可整定在(0.15~0.3)Ie范围内,定值参照公式(6)确定。

Iφset=0.2Ie=0.2×3.96≈0.79 A (6)

7)正序低压定值u1set:

在正向功率急剧减小的情况下,电压会上升。为了确保判据能够可靠地执行,需要考虑励磁调节器的作用,取值应遵循公式(7)。

U1set=(0.85~0.9)ue=0.85× 100=85 V(7)

8)启动判据返回延时t1:

为了确保保护动作的可靠性,启动判据需要具备延时返回的特性,时间范围可取3~5 s,本项目取4 s。

9)主汽门关闭延时t2:

在主汽门关闭过程中,为确保零功率保护的可靠闭锁,特别设置了主汽门关闭闭锁接点。若主变高压侧断路器误跳闸,可能会引起主汽门关闭,为了避免零功率保护被误闭锁,引入了t2延时机制,其时间范围设定可取0.1~0.2s。在本项目中取0.1s作为延时设定。

10)过功率投入返回延时t3:

为确保保护动作的可靠性,过功率投入元件需具备延时返回功能,需与程序跳闸延时相协调,建议可取0.5~1 s,本项目选定为1 s。

11)过功率投入延时t4:

为了避免短时功率波动的影响,过功率启动装置应配置启动延时功能,建议可取0.5~1s,本项 目中选定为1s。

12)出口延时t11、t12:

对于零功率切机保护动作的延迟时间,不应设置得过短。建议与高频切机、OPC动作的延迟时间相协调,建议一般可取1~3 s。出口Ⅱ段可作为备选方案。在本项目中,经综合考虑,t11和t12的延迟时间被设定为0.5 s。

13)出口方式:全停、启动失灵。

4结论

该电厂2×350 MW发电机组增设零功率切机保护装置与发变组配合运行方案,显著缩短了故障隔离时间,降低了热力设备受损风险,还提高了电网频率的稳定性。具体而言,增设的零功率切机保护装置能够迅速响应功率突降工况,其基于多维度判据的保护逻辑有效避免了误动作,确保了保护的可靠性。同时,与发变组保护的深度配合,实现了故障的快速、精准隔离,避免了机组热力设备遭受进一步冲击。

[参考文献]

[1]康敏.火电厂大型发电机组继电保护整定设计与故障分析[J].电气技术与经济,2023(9):325-327.

[2]许文笛,汪毅,赵映.基于全光纤电流互感器的火电厂发变组保护配置探索[J].机电信息,2023(7):1-6.

[3]王恬.大型火电厂零功率切机保护与发变组保护配合分析[J].电力设备管理,2024(16):86-88.

[4]朱永晖.大型发电机组零功率切机保护的实践应用[J].科学技术创新,2022(27):160-163.

[5]马俊斌.零功率切机保护的应用探讨[J].设备管理与维修,2020(24):107-108.

《机电信息》2025年第11期第4篇