火力发电机组负序电流及热积累值的测量与保护实现.pdf

内 蒙 古 电 力 技 术 I N N E R MO N G O I I A E L E C T R I C P O W E R 2 0 1 3 年 3 1 卷 1 驯 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 6 2 1 8 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 2 1 火力发电机组负序电流及热积累值的 测量与保 护实现 冷聚瀛 内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司， 内蒙古托克托0 1 0 2 0 0 摘要 发 电机产生的 负序电流危害极大 ， 因此对发电机 负序 电流及热积 累量进行 实时监 测尤为重要。内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司在4 号机组检修期间， 将 G J M一 8 1 C型 功角测量仪 更换为 G J M一 8 6 F 新型功角测量仪 ， 分析 了G J M一 8 6 F型功角测量仪 的逻辑实现过 程及 负序 电流和热积 累值 的测量计算原理。将 G J M一 8 6 F型功角测量仪安装在发电机的测量 回路 中， 与保护回路 的保护装置所反映的负序电流相 互比对， 当回路 中的 负序 电流达到启动 值时 ， D C S 的 负序 电流热积 累值会产生报 警信号 ， 同时保护装置的 负序过 负荷保护动作于跳 闸， 可避免 负序 电流对发电机造成损害， 为托克托 电厂其他机组改造提供借鉴。 关键词 火力发 电机组 ； 负序电流 ； 热积 累； 功角； 反 时限； D C S 文献标志码 B 中图分类号 T M9 3 3 ． 1 文章编号 1 0 0 8 6 2 1 8 2 0 1 3 0 1 0 0 6 60 3 Me s s u r e me n t a n d I mp l e me n t a t i o n o f Ne g a t i v e S e q u e n c e Cu r r e n t a n d He a t Ac c u mu l a t i o n i n Ge n e r a t o r s L e n g I n n e r Mo n g o l i a Da t a n g I n t e r n a t i o n a l P o w e r Ge n e r a t i o n J u y i n g Co ． ． L t d ．T u o k e t u o ．I n n e r Mo n g o l i a F u o k e t u o 0 l 0 2 0 0 Ab s t r a c t Th e n e g a t i v e s e qu e nc e c u r r e n t pr o d u c e d b y g e n e r a t o r s h a s g r e a t h a r m， S O i t i s v e r y i mp o r t a n t t o mo n i t o r t he n e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t a n d h e a t a c c umu l a t i o n i n r e a l t i me ． Du r i n g t h e o v e r ha ul o f Un i t 4 i n Tuo k e t u o Po we r Pl a nt ． t h e o l d p o we r a n g l e a p p a r a t u s G J M- 8 1 C w a s r e p l a c e d wi t h t h e n e w t y p e o f G J M一 8 6 F p o we r a n g l e a p p a r a t u s ， a n a l y z i n g t h e l o g i c i mp l e me n t a t i o n p r o c e s s o f GJ M一 8 6 F p o we r - a n g l e a p p a r a t u s a n d n l e a s u r e me n t ， a n d c a l c u l a t i o n p r i n c i p l e s o f t h e n e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t a n d h e a t a c c u mu l a t i o n ． G J M一 8 6 F p o we r a n g l e a p p a r a t u s w a s i n s t a l l e d i n t h e g e n e r a t o r me a s u r i n g c i r c u i t ， c o mp a r e d wi t h t h e ne g a t i v e s e q u e n c e c ur r e n t p r o t e c t i o n r e fle c t e d b y p r o t e c t i o n d e v i c e ． W h e n t h e n e g a t i v e s e q ue n c e c ur r e nt i n t h e c i r c u i t r e a c h e s t h e s t a r t v a l ue ， DCS wi l l i s s u e a l a r m s i g n a l ， me a n wh i l e ， t h e o v e r l o a d pr o t e c t i o n o f ne g a t i v e s e q u e n c e c ur r e n t p r o t e c t i o n d e v i c e wi l l a c t o n t h e t r i p ． I t c a n a v o i d t h e d a ma g e f o r t h e g e n e r a t o r a n d p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e o t h e r u n i t s o f t r a n s f o r ma t i o n i n T u o k e t u o P o we r P l a n t ． K e y w o r d s t h e r ma l p o w e r g e n e r a t i n g u n i t s ； n e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t ；h e a t a c c u mu l a t i o n ；p o we r - a n g l e ；i n v e r s e t i me ；DCS l 收稿日期]2 0 1 2 1 0 一 l 1 ； [ 修改日期】2 0 1 3 一 O l 一 2 8 f 作者简介J冷聚瀛 1 9 8 5 一 ， 男， 辽宁人 ， 学士， 助理工程师， 从事发电厂集控运行 作。 2 0 1 3 年第3 l 卷第 1 期 冷聚瀛 火力发电机组负序电流及热积累值的测量与保护实现 6 7 1 发电机负序电流的危害 发电机在正常运行时， 三相负荷基本保持平 衡 ， 发电机处于对称运行状态。当系统内或发电机 本身发生不对称短路故障， 如输电线路单相接地 、 发电机内部匝间短路、 两相短路等 ， 就会导致发电 机不对称运行 ， 此时便会在发电机定子绕组中产生 负序电流。负序电流对发电机的危害很大， 主要体 现在以下两个方面。 1 ． 1 转子烧损 负序电流在发电机气隙中产生反向旋转磁场， 频率相对于转子来说为两倍的同步转速， 因此在转 子中就会感应出倍频电流， 流经转子本体、 槽楔和 阻尼条 ， 在转子端部附近沿周界方 向形成闭合 回 路 ， 进而导致转子端部 、 护环 内表面、 槽楔等部位局 部灼伤， 严重时会使护环受热松脱 ， 给发电机造成 灾难性的破坏 ， 即通常所说的“ 负序电流烧机” 。 1 ． 2 转子振动 负序 反向 气隙旋转磁场与转子电流之间、 正 序 正向 气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产 生的频率为 1 0 0 H z 交变电磁力矩 ， 将同时作用于转 子大轴和定子机座上， 引起频率为 1 0 0 H z 的振动。 另外 ， 负序 电流致转子 表面局部产生高温过热 ， 转 子受热 不均匀 ， 发 生不 对称热变形 ， 也 可能使转子 产生振动 】 。 2 设备概况 内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司 以 下简称托克托电厂 8 台6 0 0 MW 的火力发电机组均 装设了发电机负序功角测量仪 ， 其中1 号、 3 号、 4 号 机采用哈尔滨国力公司生产的G J M 一 8 1 c型功角测 量 仪 ， 其 他机 组采 用 哈尔 滨科 立 公 司生产 的 G D M 一 8 1 型功角测量仪。上述功角测量仪虽能监测 负序电流及负序电流热积累量 ， 但不能将热积累量 上传至D C S ， 当热积累量越过报警值时， 不具备报警 功能 。 在 4 号机组检修期间， 将4 号发电机负序功角 测量仪更换为哈尔滨国力公司生产的G J M 一 8 6 F 新 型功角测量仪。G J M一 8 6 F 型功角测量仪可监测发 电机的负序电流和负序电流的热积累值， 并有对应 的负序电流热积累量的4 ～ 2 0 m A模拟量输出， 可以 接入D C S 系统， 为用户获取发电机的负序电流热积 累量提供了方便。另外 ， 该仪器还可测量发电机电 压、 电流及负序电流标幺值、 发电机功角 、 频率 、 转 速， 并具有通信功能， 能实时上传功角、 热积累、 电 压 、 电流 、 功率 和功率 因数 等数据 。本 文着 重对发 电机的负序电流及负序电流的热积累加 以说明。 3 负序电流及热积累量的测量原理 3 ． 1 逻辑实现过程 图l 为G J M 一 8 6 F 型功角测量仪的硬件结构。该 仪器为多功能 、 多参数的监视表计 ， 采用T I 系列的 D S P芯片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 数 字信号处 理器为运 算核 心， 通过F F T 算法进行计算， 具有很强的数据处理能 力和通信能力 ， 实现了数据采集、 计算 、 控制 、 人机 交互的功能。电压 、 电流、 转速等信号通过模拟量 变换单元后， 转变为可输入到A ／ D的信号 ， A ／ D采集 信号转换后由D S P 完成运算和处理。测量后的结果 通过 L E D或液 晶显示输 出， 并可根据设置在测量结 果超过限值后发出报警信号。 图1 G J M一 8 6 F 型功角测量仪硬件结构 3 ． 2 负序 电流计算 当系统发生不对称故 障时 ， 可以采用对称分量 法将三相不对称分量分解成正序、 负序、 零序的对 称分量 ， 把电力系统不平衡 问题转化成平衡 问题进 行处理 。设装置采集到的三相 电流为J ， L 、 ， 以 L 1 相为参考 ， 则 L 1 相的负序电流 j 的基本计算公 式为 ， 2 ． ， 0 ， a l L 3 ， 1 式中 n e ” 一 j 半 ， 0 e 一 百1 一 j 半 。 G J M 一 8 6 F 型功角测量仪接人发电机三相电流， D S P 控制A ／ D进行数据采集， 每周波采样 1 2 8 点， 并 将采集后的数据采用离散傅利叶变换计算出三相 电流的幅值和相位。以L 1 相为例， 经过傅利叶变换 后的L 1 相电流的实部和虚部分别为 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 3 年第3 1 卷第 1 j iJ J 套 。 s ， ，- 喜 in 。 c2 式中Ⅳ 一采样点个数 ； 一 第 次采样值。 则I 1 相电流的幅值 ， Il 、 ， 相角 0 a r c t a n J 。 ／ i 1 a l 同理 ， 也可 以计算 出L 2 相 、 L 3 相 电流的幅值和 相角 。再根据计算 出的j相 电流的幅值和相角 ， 按 照公式 3 公式 1 的扩展 计算 m负序 电流的实 部和虚部 ， 从而计算出负序电流的幅值。 ， Il1 2 l ， ll1 C O S 0 L l ， I 2 c o s 0 I 2 2 4 0 。 I ,3 c o s 0 1 2 0 。 ， 3 ， I l 2 ， ll1 s i n 0 _l_ ， L 2 s i n 0 L 2 2 4 0 。 ， ll， s in 0 1 2 0 。 则负序电流的幅值为 1 r - ． ． ． ． ． ． ． - - - u ， 1 】 2 J 、fI L l 2 l ， l 】 2 g 。 4 J 对于负序分量来说， L 2 相、 L 3 相的负序电流与 L I 相相位仅存在逆 时针互 为 1 2 0 。 差别 ， 幅值相等 ， 即 ， l1 ， l ， ， 因此装置检测到的负序电流 为 ， ， l l 。 5 3 3负序电流热积累量的测量 当发电机定 子绕组中流过负序 电流时 ， 转子局 部温度升高 ， 温度升高 的程度 与负序 电流厶及其持 续 的时间有关 。发电机运行规程中对于负序 电流 的承载能力规定如下 1 发电机运行负载不平衡时， 如果持续负 序 电流不超过额定电流的8 ％， 且每相电流不大于额 定电流 ， 允许发电机长期运行。 2 在极短时间内 ， 发电机能够承受事故不平 衡负荷 ， 为 了防止负序电流产生的损耗引起转子磁 极表面和护环局部过热和烧损， 必须严格控制事故 不平衡负荷及时问 ， 负序 电流标 幺值的平方与事故 时间的乘积不大于 1 0 S 。 为表达发电机对负序电流的承载能力， 可定义 一 个负序电流热积累常数 ， 也称为转子发热常数， 它是负序电流标 幺值 以发电机额定电流为基准 ／ ， 、 值 的平方与持续时间t 的乘积， 即A I ≠l t 单位 为 s 。并设 置一个负序 电流热积累的极限值 4 ， 当热积 累值超过 时 ， 发电机在不安全状态下运 行 ， 应 当及时发出告警信号 。 4 与发电机负序电流保护的配合 为 了能够正确反映 出发 电机转子表层 的过热 状况及负序电流引起 的其他异常 ， 发 电机配备 了完 善 的负序 电流保护 ， 即负序过负荷保护 。负序过负 荷保护分为定时 限负序过负荷保护与反时限负序 过负荷保护两种 。一般来说 ， 大型发电机组 多采用 反时限负序过负荷保护。 4 ． 1 反时限负序过负荷保护的原理 反时限负序过负荷保护动作时间与负序电流 成反比。它能够模拟转子的热积累过程 ， 并能模拟 散热 ， 若发 电机实际运行 中产生的负序电流小于发 电机长期运行允许的负序电流时， 发电机的热积累 通过散热过程慢慢减少 ； 若发 电机实际运行 中产生 的负序 电流超过发 电机长期运 行允许 的负序电流 时 ， 则从此 时的热积 累值开始 ， 重新进行热积 累的 过 程 。 反时 限负序过负荷保护 南下 限启动 、 反时 限 、 上限定时限 3 部分组成 。反时限负序过负荷保护 的 动作特性曲线见图2 所示， 当负序电流超过下限整 定值 ， 时 ， 反时限部分启动 ， 并进行 累积 ； 当负序 电流超过上限负序电流值 ， 1 1 时， 按照上限定时限动 作 I ， ． 图中 ￡ 一反时限上限延时定值； ￡ ⋯一 反时限下限延 时定值 ； 厶 厂 反时限负序电流启动值； 厶 一反时限上限负序电流值 图2 反时限负序过负荷保护的动作特性曲线 4 ． 2 发电机负序电流热积累与负序电流保护的配合 发电机的T A二次回路 包括保护回路、 测量同 路、 计量回路等 均配有独立的T A与电气一次进行 隔离。将 本次改造更换的 G J M一 8 6 F ； 7 2 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 l 3 年第3 1 卷第1 表5 二 次 风 暖 风 器 改 造 前、 后 二 次 风 压 降 变 化 k P a 5 结语 大可减小 0 ． 2 8 k P a 。高负荷下磨煤机跳闸也可防止 一 次风机失速 ， 暖风器旋转改造后 ， 当磨煤机跳 闸 时 ， 一次风机 出 口压力都控制在失速 曲线范围 内， 未发生一次风机失速问题 ， 有效防止 了因一次风机 失速造成的锅炉灭火 、 机组跳闸 、 事故投油 ， 一次风 机端振 ， 以及 因一次风机出力不足限制负荷而少发 电等问题， 间接经济效益同样可观。 通过暖风器旋转改造， 结构 、 操作比以前更合 理 ， 性能更优越 ， 排除了 以往运行 过程 中出现的易 堵 、 阻力大等现象 ， 可有效防止因一次风机失速而 引起的诸多问题 的发生 ， 机组安全与经济性均得到 了提高。 参考文献 【 1 ]内蒙古京隆发电有限责任公司． 内蒙古京隆发电有限责 任公司企业标准集控运行规程【 s 】 ． 丰镇 内蒙古京隆发电 有限责任公司， 2 0 1 0 2 0 3 3 ． 【 2 1内蒙古京隆发电有限责任公司． 内蒙古京隆发电有限责 任公司企业标准辅机运行规程[ s 】 ． 丰镇 内蒙古京隆发电 有限责任公司， 2 o 1 0 3 6 3 7 ， 1 6 6 1 6 8 ． [ 3 】袁镇福 ， 田子平． 电站锅炉原理[ M】 ． 北京 中国电力出版 社 ， 2 0 0 2 8 6 1 3 6 ． [ 4 】中国动力T程学会． 火力发电技术手册 第一卷锅炉 [ M1 E 京 机械出版社 ， 2 0 0 2 5 6 8 8 ． 编辑 王 红 ◇ ◇一 t 一 一 一 - 一一 一 ⋯ 一 - 一 一 一 一 一-⋯ 一 。 一 一 ～ 一 一 ◇◇ 型功角测量仪安装在发 电机 的测量 回路中， 能够实时反映流人测量回路中的负序电流 及热积累值的大小， 与安装在保护回路中的双重化 保护装置所反映的负序 电流相互 比对 。当回路 中 的负序电流达到启动值时， D C S 上的负序电流热积 累值 会产生报警信号 ， 同时保护装置 的负序过负荷 保护动作于跳 闸 可以选择跳 闸或报警 ， 避免负序 电流对发 电机造成损害。可以通过 D C S 曲线趋势及 保护装置的采样等方面分析负序电流的产生， 判断 保护装置的动作是否正确 ， 进而 明确负序电流 的产 生原 因、 故障位置 ， 以便快速正确地采取相应措施。 5 结语 目前 ， 托克托电厂4 号发电机组负序电流热积 累接人 D C S 系统的改造项 目已完成， 设备运行稳 定 ， 监测效果 良好 。当负序 电流二次值达到 0 ． 2 6 A 时， G J M一 8 6 F 功角测量仪就会启动热量累计功能 ， 装置每 2 0 I n S 累加一次热积累值 ， 并通过 4～2 0 m A 的模拟量输出， 将数值上传至D C S 。当负序电流热 积累值达到设定的报警值后， D C S 系统能够及时发 报警信息。本次托克托电厂更换的G L M 一 8 6 F 型 功角测量仪 ， 实现了对负序电流的实时监测 ， 可确 保发 电机组 的安全稳定运行 ， 为托克托电厂其他机 组改造提供了借鉴。 参考文献 [ 1 】国家电力调度通信中心． 电力系统继电保护实用技术问 答[ M】 ． 2 版．北京 中国电力出版社， 2 0 0 0 2 9 0 2 9 2 ． 【 2 】 刘鸿斌． 负序电流对发电机的危害及预防措施I J I ． 东北电 力技术 ， 1 9 9 9 5 4 9 5 0 ． [ 3 】李光琦． 电力系统暂态分析【 M 1 - 3 版一 E 京 中国电力出版 社 ， 2 0 0 7 1 1 9 1 4 6 ． [ 4 ]郭光荣 ， 李斌． 电力系统继电保护[ M】 一E 京 高等教育出版 社 ， 2 0 0 6 2 8 4 2 8 7 ． 编辑 王秀清