1号线路B相故障引起电厂#3、#4机组零功率切机动作分析及处理

摘要：1号线路B相故障引起负荷瞬时突变，#3、#4机组DEH中KU（功率负荷不平衡保护）回路触发，导致机组功率下降，致使发电机零功率切机保护动作，机组解列，由此分析并处理功率变送器故障情况下畸变问题以及功率负荷不平衡保护和零功率切机保护配合的不合理问题，以期能对有类似保护的机组的安全稳定运行有借鉴意义。

关键词：KU回路；功率负荷；不平衡保护；DEH功率变送器；零功率切机；电力故障 文献标识码：A

中图分类号：TM86 文章编号：1009-2374（2016）12-0122-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.12.057

1 事件经过

2013年6月1日，当地强雷雨天气。21∶35∶48，某电厂1号线路P546差动保护动作，查为线路B相故障，故障电流为1.4A（一次电流5600A），5012及5013开关B相跳闸，766ms后#3、#4机组零功率保护动作，#3、#4机组跳闸，1049.6ms后5012、5013两个开关B相重合成功，保护故障测距为41km。B相跳开后1号线路及2号线路电流在766ms内均下降到约0.05A（一次值为200A）。

2 系统配置

第一，该电厂当时有4台机组，Ⅰ期为2台600MW超临界机组，Ⅱ期为2台660MW超超临界机组。

第二，电气一次系统接线方式：该电厂500kV系统采用3/2接线方式，采用三菱GIS，共有三个完整串（5011、5012、5013；5021、5022、5023；5031、5032、5033）和一个不完整串（500kV高压备变5001开关）。发电机出口装设GCB。

第三，主要设备参数：#3、#4发电机，型号QFSN-660-2，为上海汽轮发电机有限公司产品，额定功率为660MW，额定电压为20kV；#3、#4主变为800MVA/530kV±2×2.5%/20kV的三相变压器；高压厂变每台机组2台，均为40MVA/20kV+8（-10）×1.25%/6.3kV三相双绕组变压器。

第四，保护配置情况：500kV开关保护采用AREVA的P442失灵/重合闸保护，500kV线路保护采用AREVA的P443距离阻抗保护和P546差动保护。#3发变组保护为南瑞公司RCS985系列产品，#4发变组保护为南瑞公司PCS985系列产品。#3、#4机零功率切机保护均为四方公司的CSS-100BE保护装置（软件版本：V1.00），保护均采用双重化配置。

第五，#3、#4机组DEH系统采用Simens公司T3000控制系统，汽轮机主汽门、调节汽门和补汽阀的开度主要通过电液转换机构、数字式计算机、高压抗燃油系统和油动机控制，实现对汽轮发电机组的负荷与转速的实时控制。DEH配有KU（功率负荷不平衡）保护，当KU动作快速关闭高中压调阀，减少汽轮机的输入能量，快速平衡电网负荷，降低汽轮机转速飞升量。

3 跳闸分析

#3、#4机组跳闸后，运行值班人员和继电保护人员对线路保护、发变组保护装置、零功率切机保护装置、机组故障录波器和线路故障录波器进行了检查，热控人员对DEH功率负荷不平衡保护动作情况进行了检查。依据波形及保护动作时间判断：1号线路B相故障引起负荷瞬时突变，DEH侧检测到功率突变，达到限值时触发KU动作。#3、#4机组DEH中KU（功率负荷不平衡保护）回路触发后，快速关闭调门，减少汽轮机的输入能量，快速平衡电网负荷，降低汽轮机转速飞升量。然后引起机组汽轮机功率和电功率都下降，导致#3、#4发电机组零功率切机保护动作并解列。

3.1 KU回路说明及动作情况

#3、#4机组DEH系统采用Simens公司T3000控制系统，具有负荷干扰控制功能。负荷干扰能被控制系统中的负荷干扰识别模块组件快速检测出，从而发出相应的信号到转速设定值形成回路，通过转速负荷调节模块，以使其发生相应的动作。机组实际的负荷测量值在负荷干扰识别模块中进行进一步处理，主要有两个目的：其一是求该信号的微分，以检测负荷的变化速率；其二是补偿变送器的延迟时间，使得测量到的负荷值有负荷的原始时间特性。以下两种情况，系统将会发出负荷中断信号（KU）：

第一，若出现负荷变化速率大于负荷跳变限值（480MW/s）。

第二，以下条件都同时满足：实际的负荷小于104MW；实际的负荷大于-26MW；机组处于并网状态；负荷控制偏差大于104MW。

#3机KU动作情况：线路故障时60ms内机组负荷在340～512MW之间波动，线路故障前机组负荷为384MW，该条件满足。

#4机KU动作情况：线路故障时60ms内机组负荷在349～553MW之间波动，故障前机组负荷为380MW，该条件满足。

#3、#4机组满足“负荷变化速率大于负荷跳变限值（480MW/s）”条件，触发KU回路，期间#3、#4机组汽轮机转速最高为3006r/min，最低为2988r/min。

3.2 DEH功率变送器输出畸变

电科院对该类DEH功率变送器检测结果已出，在外部发生不同故障情况下存在输出失真现象，可认为是导致KU回路动作的诱因。

3.3 零功率切机保护动作情况

在系统B相短路时刻，机组KU触发，引起高中压调门关闭，零功率切机保护条件如下（以下5项条件均满足时保护动作）：

第一，正常运行时实际电流大于“投运电流设定值（73A）”。实际（#3：437A，#4：439A），该条件

满足。

第二，正常运行时实际有功功率大于“投运功率设定值（60MW）”，实际情况（#3：383MW；#4：379MW），该条件满足。

第三，突变量启动。满足以下任何一个条件：突变量电流启动；突变量功率启动。此次线路故障时突变量电流启动条件满足：|I|=|Ik-Ik-20ms|≥IQD（任两相电流有效值在20ms前后之差若大于突变量启动定值便启动），故障后60～80ms，B相电流I约为-1230A，C相电流I约为-153A（IQD为150A），满足该启动条件。

第四，启动前（-200ms）功率大于“事故前功率设定值（300MW）”，该条件满足。

第五，故障后实时功率小于“事故后功率设定值（50MW）”，实际为17MW，该条件满足。该项为零功率的主要判据。故障后电流有两相均小于“投运电流设定值（73A）”，实际35A，该条件满足。

故障且KU动作后的运行工况满足零功率保护动作条件，#3、#4零功率切机保护动作。

4 采取的措施

4.1 采用新型的DEH功率变送器

向南瑞继保定制的新型的功率变送器具有如下特点：数量三只，供热控三取二；原变送器为单电源。新变送器采用双路电源冗余，辅助电源额定电压为AC220V（现场采用机组UPS电源）；具有滤波功能，在各种故障下输出无畸变；在电流额定值超过定值或者电流突变量超过定值的情况下，将由测量级CT无缝切换为保护级CT；响应时间≤100ms；可无需屏幕，但具有录波功能，可调出录波波形；新变送器输出四路有功为4～20mA，三路无功为4～20mA，负载能力不小于500Ω；原采用三相三线，新变送器拟采用三相四线制，输入100V、5A，量程为0～2000W，精度0.2级。

新型功率变送器模拟发电机PTB相断线模拟试验的波形如下图2所示：

B相PT断线的情况下，发电机出口有功功率波形未发生失真和畸变，在60ms内有功功率由407MW缓慢下降到280MW。

4.2 KU逻辑改动

增加3018转速闭锁信号，转速低于3018转/分钟闭锁KU回路。

4.3 零功率切机保护逻辑升级

发电机零功率保护又称发电机低功率保护或主变正功率突降保护。当大容量火电机组在重载情况下突然失去负荷时，如不及时采取关闭主汽门、锅炉熄火、灭磁等一系列措施，必将严重威胁机组安全运行，甚至损坏热力设备，因此发电机零功率切机保护在大容量机组上大都有装设。

零功率切机保护需确认发电机功率大于故障前功率定值后才自动投入发电机零功率判别，因为即使在机组输出功率较小时发生了正功率突降，对热力设备并不会构成安全威胁。

由于KU回路和零功率切机保护在保护目的上有重叠，且动作结果有所冲突，在继电保护人员与零功率切机装置生产厂家北京四方对此次动作事件进行研讨之后，决定对动作判据进行进一步完善。

4.3.1 原判据。

第一，启动判别。在正常运行情况下需保证装置不会进行频繁的启动，当电网发生可能影响电厂送出功率的事故时，装置能够可靠启动，进入事故判别状态。装置采用以下两种启动判据：

以上任一个判据满足都能使装置进入启动状态。

第二，零功率切机保护的故障判据。突变量启动；事故前0.2s时的功率方向为负（即电厂送出）且事故前0.2s时的功率值≥事故前功率定值；事故时刻的功率小于事故后功率定值；任两相电流I

4.3.2 优化后判据。

第一，启动条件。启动条件采用电流突变量和功率突变量为判据，两者之间为“或”逻辑关系。

第二，开放条件。

新增关于U1、f、f的3个条件，组成或门作为防误条件，主要考虑发电机突然甩负荷后引起电压和频率升高，故可以采用电压升高或频率升高元件作为保护出口辅助条件以确保在机组功率正常调节情况下装置不会动作；相关的3项定值可以整定得灵敏一些，确保不会拒动；fset整定为0.2Hz，fset整定为50.3～50.5Hz（上述定值整定时，可根据电厂甩负荷试验数据进行整定）。

P>Pset1，如果当时机组负荷小于这个定值，即使送出线路跳闸，也不会对发电机造成损害，则无需切除机组，该判据主要用于判断机组正处在正常发电状态。Pset1可以按照机组正常出力整定，一般整定为30%～50%Pn。

新增U2

4.3.3 故障判据。

第一，I-I-20ms>Iset的判据用来主要用来区分系统振荡、线路跳闸与其他AGC发出指令使功率缓慢下降的情况，此条件仅展宽150ms。

第二，P

第三，新增U1>Uset判据，主要考虑机组突然甩负荷时引起电压升高，以此作为另一个主要判据。

4.3.4 Tset-故障延时。Tset（一般为50～200ms）为对所有判据的延时确认，取50ms。

5 结语

在此次事件中，不仅暴露出原先传统型的DEH功率变送器在线路单相故障等情况下容易发生失真和畸变的问题，而且反映出KU回路（即功率负荷不平衡保护）和零功率切机保护在保护目的上有重叠，且动作结果冲突和保护配合不够完善的问题。希望本文对具有类似保护的大功率机组具有一定的借鉴意义，保障机组和电网安全稳定地运行。

参考文献

[1] 南瑞继保PCS-988P发电机功率变送装置说明书[S].南京南瑞继保电气有限公司，2014.

[2] 赵民政，李闯.功率不平衡保护分析与优化[J].电工技术，2014，（7）.

[3] 王可山.零功率切机保护在大型火电厂的应用[J].能源与节能，2011，（4）.

作者简介：陈锋云（1988-），男，浙江温州人，浙江浙能乐清发电有限责任公司工程师，研究方向：火电厂设备管理。