正向低功率和程序跳闸逆功率保护在火电机组中的应用比较.pdf

2 0 1 5年 1 1月 H u a d i a n T e c h n o l o g y N O V ．2 01 5 正 向低功 率和程序 跳 闸逆功率保护 在火 电机组 中的应用 比较 李毅 ， 张小宏 ， 何信林 ， 王智高 西安热工研究院有限责任公司， 西安7 1 0 0 3 2 摘要 介绍了程序跳闸原理， 程序跳闸的作用和电气过程 ， 比较了程序跳闸正向低功率保护和程序跳闸逆功率保护在 逻辑配置、 作用、 跳闸方式及特殊工况 甩负荷 的区别， 并重点讨论甩负荷期间的不同， 指出了正向低功率保护在常规 火电机组中应用的可行性和优点， 给出正向低功率保护定值的整定原则， 并结合工程实例验证正向低功率动作逻辑。 关键词 火电机组； 正向低功率保护 ； 程序跳闸； 逆功率保护； 整定原则 中图分类号 T M 3 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 4 1 9 5 1 2 0 1 5 1 1 0 0 2 2 0 3 0引言 1 机组运行期间程序跳闸过程分析 发电机是 向系统送出有功功率 的， 如果出现系 统倒送有功 ， 即发电机变成电动机运行 ， 这就是逆功 率的异 常工况。发 电机 变压器组 以下简称 发变 组 保护装置 中一般有 2个 逆功率 继 电器 ， 其一用 于程序跳闸方式 ， 即当过负荷保护、 过励磁保护、 低 励失磁保护等动作后， 应保证先关主汽门， 等到出现 逆功率状态时就确信主汽门已经关闭， 这时逆功率 继电器动作， 允许主断路器跳闸， 这种程序跳闸就可 避免因主汽门未关而断路器先断开引起灾难性“ 飞 车” 事故； 另一种逆功率继电器是用来构成逆功率 保护的。作为汽轮发电机， 当转入逆功率功率异常 运行状态时， 汽轮机主汽门已关闭， 汽轮机尾部叶片 由于与残留蒸汽产生摩擦而形成鼓风损耗 ， 过热而 损坏 。 近年来 ， 在一些与系统联系比较薄弱的机组上 ， 为了防止功率送出通道突然中断， 汽轮机跳闸后无 电气保护动作带来 的风险， 在发变组保护中逐渐配 置了正向低功率保护 。该保护判断机组甩负荷汽轮 机跳闸后 ， 保护动作 ， 发电机开关和灭磁 开关跳闸 ， 实现安全停机心 ] 。本文中的正向低功率保护指的 是用作程序跳闸的功率保护。 本文主要讨论作为程序跳闸正 向低功率保护和 程序跳闸逆功率保护在逻辑配置、 作用 、 跳闸方式及 特殊工况 甩负荷 的区别， 指出正向低功率保护在 常规火 电机组应用的可行性和优点 ， 并给 出正 向低 功率保护定值的整定原则。 收稿 日期 2 0 1 5 0 8 0 6 ； 修 回 日期 2 0 1 51 0- 0 8 程序跳 闸对汽轮发 电机首先关 闭主汽门， 待功 率继电器动作后， 和汽轮机主汽门已关闭的辅助触 点构成与门， 再跳发 电机断路器并灭磁。程序跳闸 是一项保安措施 ， 用于避免或减少 发电机突然甩负 荷而引起的汽轮机超速。 机组关闭主汽门前 ， 汽轮机拖动转子 ， 发电机向 系统输 出有功。稳态运行情况下 ， 定转子磁场相对 静止 ， 定子合成磁场轴线与主极磁场 转子磁场 轴 线之间的夹角就是功角 6 ， 功角 6在时间坐标 上是 励磁电动势 与机端电压 之间的夹角 如图 1 所示 ， 励磁 电动势 。 超前机端电压 _ 4 。 f 0 、 、 ，， ， 、 、 ／ 、 ＼ 、／ p t a 图 1 同步发电机向量图 机组关闭主汽门后 ， 发电机向系统吸收有功 ， 处 于同步电动机运行状态， 功角 6 0 ， 电压 超前励 磁电动势 ， 即主机磁场滞后定子合成磁场 ， 如图 2 所示 j 。 关闭主汽门前 ， 发 电机的转速 由汽轮机和系统 频率决定， 关闭主汽门后， 电动机处于同步状态， 转 速由系统频率决定， 即维持3 0 0 0 r ／ ra i n 不变， 只是在 主汽门关闭后， 转子的空间角度发生了变化， 其大小 第 1 1 期 李毅， 等 正向低功率和程序跳闸逆功率保护在火电机组中的应用比较 。 2 3 晶 il x ．／ f ／ 1／ u 图2 同步电动机向量图 取决于功角的变化量， 即发电机功率的变化量。 关闭主汽门前 、 后 ， 发电机功率的变化如图 3所 示 ， 随着功角 不断减小 ， 发电机功率 P 不断减小 且 由正变负。 尸 M D S t隐 极 电机 b 凸极 电机 图3 同步发电机功率功角图 正常停机的程序跳闸动作步序为 紧急跳闸系 统 E T S 动作 ， 约 1 0 0ms ； 主汽门关闭 ， 约 1 5 0ms ； 电 气保护装置收到关闭信号， 功率元件动作， 约 1 0 0 ms ； 保护延时 ， 一般 1 0 0 0 ms ； 保护出 口， 发 电机开关 动作 5 0m s ； 灭磁开关动作 ， 1 0 0 m s 。可见 ， 其程序跳 闸过程约 1 5 0 0 ms 。 2 保护逻辑配置 程序跳闸逆功率和正向低功率的保护逻辑图如 图4 、 图5所示。通过比较可以看出， 2 种保护都用 于程序跳闸 ， 只是机组关 闭主汽门后 ， 电气保护用于 判断主汽门关闭的功率继电器动作幅值不同。程序 跳 闸逆功率动作于发 电机逆功率 ， 发 电机处于 同步 电动机状态 ； 正向低功率启 动于发 电机输 出正 向低 功率 ， 发电机处于发 电机状态 ， 并且发 电机零功率 、 逆功状态也会动作。 3 保护比较 3 ． 1 发电机正常停机 发电机组正常停机过程 中， 通过关小调门减少 进汽量或通过降低主蒸汽参数的方法来减少负荷， 减至较低负荷时， 打闸停机， 主汽门关闭， 电气解列 发电机。此时汽轮机基本属 于空载运行 ， 不会 引起 转速飞升。程序跳闸逆功率和正 向低功率保护均能 在主汽 门关闭后动作 ， 实现“ 机跳电” 的功能。 图4 逆功率保护动作逻辑 程序 跳 闸 程序 跳 闸 图 5 低功率保护 动作逻辑 正常停机时 ， 正向低功率动作 ， 发电机转速没有 升高。考虑保护的延 时较长 和断路器的动作 时间， 当保护出口断路器跳开时， 机组已经处于逆功率状 态 ， 即同步电动机状态 。 3 ． 2 发 电机在非短路性故障跳 闸及机炉事故停机 发电机在非短路性故障跳闸时 ， 保护动作 ， 此时 是从基本负荷突然丢掉， 汽轮机的转速上升很快， 有 可能飞车 ， 因此 ， 此时防止飞车必须要关闭汽轮机的 主汽门， 发电机功率下降， 再由汽轮机主汽门已关闭 的辅助触点和功率保护动作构成与门， 跳开发电机 断路器并灭磁 解列灭磁 ] 。程序跳闸逆功率和 正向低功率保护均能确认因主汽门关闭而造成的功 率下降， 保护正确动作。 机炉事故停机与发电机在非短路性故障跳闸停 机过程相同。 3 ． 3 甩负荷、 小 岛工况 在机组并 网前 的启动过程 中， 汽轮机数字电液 控制系统 D E H 处在转速控制方式， 当汽轮机升至 同期转速并 网后 ， 发 电机带负荷运行 ， 汽轮机处于负 荷控制方式或阀位控制方式。发电机解列甩掉外部 负荷时， D E H收到解列信号或“ 功率负荷平衡” 信号 利用汽轮机 实际 出力 与发 电机负 荷大 于一定差 值 ， 触发超速保护控制单元 O P C 动作， 待 O P C复 位后 自动进入转速控制方式 ， 此时 D E H通过调节调 门开度控制进汽量 ， 将汽轮机转速稳定在额定转速 3 0 0 0 r ／ m i n 。 甩负荷是对汽轮机调节系统最严 峻的 2 4 华 电技 术 第 3 7卷 考验 ， 也是汽轮发 电机组最恶劣 的一种 运行工况 ， 对设备安全有一定威胁 J 。 甩负荷后， 发电机有 2 种工况 甩负荷至零， 发 电机不供厂用 电， 厂用 电由启动备用变压器 以下 简称启备变 供 电； 甩负荷至厂用 电， 发 电机供本 台 机组 厂 用 电， 也 就 是 “ 小 岛 ”运 行 快 速 切 负 荷 F C B 。在这 2种工况下 ， 发 电机与系统都没有功 率关联， 既不向系统供电， 也不吸收功率。 F C B是指机组在正常运行工况下 ， 因内部或外 部电网故障与电网解列 ， 瞬间甩掉全部对外供 电负 荷， 维持带厂用电， 并在电网许可的情况下重新并网 向系统供电。某电厂甩负荷至 自带厂用 电趋势如图 6所 示 。 汽机转速， [ r ra i n 一 1 几 图 6 某机组 1 0 0 ％甩负荷试验 没有 F C B功能 的机组 ， 在投 产运行期 间甩负 荷， 运行参数产生波动， 锅炉灭火、 汽轮机跳闸， 主汽 门关闭。由于发电机与系统没有功率联系， 发电机 不会逆功率 ， 机组采用程序跳闸逆功率保护 ， 保护不 会动作 ， 发电机开关和励磁开关不会跳开 ， 汽轮机处 在发电机励磁状态的惰走状态。即使发电机频率下 降， 达到动作值， 频率保护出口是程序跳闸， 也不会 出口。出现这种情况时 ， 需要运行人员正确判断 ， 手 动跳开发 电机开关和灭磁开关。如采用正向低功率 保护 ， 在发 电机零功率状态也会动作 ， 跳开发电机开 关和灭磁开关。 有 F C B功能的机组 ， 机组甩负荷后汽轮机工作 正常 ， 发电机 自带厂用电运行。在此期间 ， 如果机炉 发生故障， 主汽门关闭 ， 发 电机不会逆功率而出现本 文上段所述的情况， 程序跳闸逆功率保护不会动作， 正向低功率保护动作， 跳开发电机开关和灭磁开关。 4 正向低功率保护定值配置原则 目前 ， 厂家资料及现行大机组整定导则均未提 及正 向功率保护如何整定 。零功率保护的整定情况 如图 7所示 ， 在图 7中 P 为最低稳燃负荷 ； JP 为最 小厂用电负荷； P 。 为正常运行最小功率。 Pu P 升负荷 阶段 满 负荷运行 甩负荷后t 图7 零功率保护的整定 正向低功率保护在 3 ． 1 ， 3 ． 2工况时， 功率元件 的作用在于判断因主汽门关闭而造成发 电机功率下 降 ， 从功率方面再次确认主汽门处于分位 ， 转矩已处 于不造成“ 飞车” 的幅值。因此 ， 保护功率定值应小 于机炉正常运行时的最小功率 P 。 ， 以保证机组正常 运行时功率元件不满足条件而闭锁。考虑灵敏度的 因素 ， 保护功率定值 P 。 可取 5 0 ％ 一 7 0 ％ P ， 延时 可以整定为 1 ～ 3 s 。 正向低功率保护在 3 ． 3的F C B工况时， 发电机 自带厂用电运行 ， 因此 ， P 应小于机炉 F C B时的最 小厂用 电负荷 P ， P 。 可取 5 0 ％ 一 7 0 ％ P ， 延时可 以整定 l 一 3 s 。 综上所述 ， 正 向低功率保 护定值可取 5 0 ％ ～ 7 0 ％ P 和 5 0 ％ ～ 7 0 ％ P 。中的较小值 。 5 工程实例 越南某火电工程项 目建设规模为 2 6 2 2 M W 亚临界燃煤发电机组， 发电机机端设出口断路器通 过出 口断路器与主变压器、 高压厂用变压器相连接 ， 采用南瑞继保 R C S一 9 8 5 G发变组保护装置， 配置正 向低功率保护。 试运行期间 ， 机组满负荷 6 2 2 M W， 系统发生远 端故 障， 机组 和系统解列 ， 机组甩 负荷至厂用 电约 3 0 MW， 汽轮机超速 ， 主汽门关闭， 汽轮机惰走 ， 由于 转速不断下降， 发电机带 的厂用电不断下降 ， 约 6 0 s 后 ， 发电机功率降至正功率定值 ， 正向低功率保护可 靠 ， 跳开发电机出 口开关和励磁开关。机组与系统 断开并灭磁 ， 避免系统恢复冲击发 电机的危险。同 时， 汽轮机惰走时间是判断汽轮机停机时是否正 常 的重要依据之一， 汽轮机在发电机励磁的状态惰走， 惰走时间会缩短 ， 发电机在正 向低功率保护动作 时 灭磁 ， 给汽轮机专业作出正确判断提供了方便。事 故期间， 发电机功率、 频率、 转速、 发电机出口断路器 位置等参数变化如图 8所示。 下转第 2 7页 第 1 1期 王旅 ， 等 应用等效电压源法计算 6 k V厂用母线短路 电流 ‘ 2 7 表 4 等效电压源法与传统方法计算结果对比 k A 5 按传统方法计算上述短路电流初始值 7 结论 取基准容量 S 。S 删 5 0 MV A， 基 准 电压 6 ． 3 k V， 详细计算过程可参照文献[ 1 ] 。厂用 电源支路提供 的短路电流 ， M侧为 2 3 ． 1 3 0 5 k A， L 侧为 2 3 ． 0 9 5 5 k A。异步 电动机反馈 电流 ， ” B ， M 侧 l D 为 1 0 ． 5 7 11 1 ． 5 3 2 k A， L镪 r f B为 1 4 ． 5 6 8 1 5． 8 9 3 k A。 6 计算结果简要分析 从表4中2种方法计算结果对比可以看出， 采 用传统方法计算结果相当于等效电压源法计算结果 C1 ． 0 5 ， 计算 结果 是偏 中性 的， 本 例相 对误差 在 6 ％范围内。 异步电动机反馈 电流取决于 c L R 取值 。已有部 分 电动机 C L R 出厂数据 如下 送 风机 8 0 0 k W， 2级 对 C R 5 ． 3 ， 引风机 2 0 0 0 k W， 3级对 C R6 ． 5 。 本例取 c L R 6 ． 0 ， 其计算结果应该是比较符合实际 的， 它比传统计算结果高 1 0 ％。 应用等效电压源法计算 6 k V厂用母线三相短 路电流初始值， 作为一种全新的计算方法， 在工程实 际中值得推广。 参考文献 [ 1 ] 水利电力部西北 电力设计院． 电力工程 电气设计手册 电气一次部分[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 2 ] G B ／ T 1 5 5 4 4 ． 1 2 0 1 3三相交流系统短路电流计算 第 1 部分 电流计算[ S ] ． [ 3 ] G B ／ T 1 5 6 --2 0 0 7标准电压[ s ] ． [ 4 ] G B ／ T 1 3 9 5 7 --2 0 0 8大型三相异步电动机基本系列技术 条件[ s ] ． [ 5 ] 谢文， 朱永强， 崔文进． I E C 6 0 9 0 9短路电流计算标准分析 [ J ] ． 电力建设 ， 2 0 0 5 ， 2 6 2 2 3 2 5 ． 本文责编 白银雷 作者简介 王旅 1 9 7 O 一 ， 男 ， 湖北松滋人， 工程师， 从事电气二次 专业技术管理方面的工作 E m a i l w a n g l x ff d ． c o m 。 o●o●o●o●0●o●o●o●o●0●o●o●0●o●0●o●0●0● 0● ●o●0●o●o● ●0●-oo●◇● c ●o●o●◇●0●o● ●0●o●o●●o●●o●●o● 上接 第2 4页 l Z j 4 5 b 7 时间／ ra i n 图8 某机组 1 0 0 ％甩负荷正向低功率保护动作实例 6 结论 正 向低功率保护使能够机组正常停机、 发 电机 在非短路性故障跳 闸及机炉事故停机时动作正确 ， 可有效地防止“ 飞车” ， 可以完全替代程序跳闸逆功 率保护 。同时， 正 向低功率保护在甩负荷 、 F C B工况 时能够在机炉故障时动作， 避免发电机组处于异常 状态。两种保护相比， 正向低功率保护的优势明显， 值得推广。 参考文献 [ 1 ] 王维俭． 发电机变压器继电保护应用[ M] ． 2版． 北京 中 国电力出版社， 2 0 0 5 1 5 81 7 3 ． [ 2 ] G B ／ T 1 4 2 8 5 M200 6 继电保护和安全自动装置技术规程[ s ] ． [ 3 ] 南京南瑞继保电气有限公司． R C S一 9 8 5 G系列发电机变 压器成套保护装置技术和使用说 明书[ z ] ．南京 南京 南瑞继保电气有限公司， 2 0 0 6 6 8 6 9 ． [ 4 ] 王正茂． 电机学[ M] ． 北京 西安交通大学出版社， 2 0 0 0 1 5 6 一l 6 9 ． [ 5 ] 管春雨， 沙友平 ， 王祥． 3 2 0M W 超临界机组突然甩负荷事 件分析与处理[ J ] ． 江苏电机工程， 2 0 0 5 ， 2 4 6 7 7 7 9 ． 本文责编 白银雷 作者简 介 李毅 1 9 7 1 一 ， 男 ， 陕西西安人， 工程师， 从事发电厂电 气启动调试方面的工作 E m a i l _- x a l i y i 1 6 3 ． c o rn 。