发电机零功率切机保护原理及逻辑优化方案

发电机零功率切机保护原理及逻辑优化方案

连侠

(福建大唐国际宁德发电有限责任公司福建福安352100)

摘要：大型火力发电机组由于输电线路故障导致机组无法输出有功功率，汽轮机甩负荷过程中，由于发电机未跳闸，汽轮机判断机组仍处于并网发电状态，此时电气量保护无法动作于发电机解列灭磁，发电机组的功率突降可能造成系统有功功率突然不足，引起电网系统频率的不稳定变化，大大增加了电网系统的运行风险。通过零功率切机保护判别系统功率缺失并快速动作于机组解列灭磁，可防止机组过电压并降低火力发电机组热力设备损坏风险。因此配置逻辑合理、动作可靠的零功率切机保护有着重要意义。

关键词：零功率；保护；逻辑优化

1引言

火力发电厂由于输电线路故障使功率无法送出，发电机发生功率突降为零，此时汽轮机剩余的能量使发电机组转子加速，对发电机组热力系统及电气系统产生较大的危害和影响。此时，如果机组保护不能快速、可靠动作，会产生严重后果[1]。配置零功率切机保护不仅能够解决输电线路故障，发电机组无法正常输出有功功率状态下的安全停机问题，更重要的是可以解决输电线路事故后过载的热稳定问题[2-3]。

2零功率切机保护原理及逻辑构架

2.1零功率切机保护原理

发电机正常运行过程中发生甩负荷故障时，发电机有功功率由某一高值突降到某一低值，发电机电压突增、电流突降。因此可以采用发电机的机端电压、电流及有功功率等电气元件作为故障特征元件，发电机零功率切机保护通过判别发电机电气量变化情况，快速判别发电机组处于有功功率无法正常送出的故障运行工况。

2.2零功率切机保护逻辑框架

2.2.1零功率切机保护逻辑原理图

图1零功率切机保护逻辑框图

2.2.2零功率切机保护逻辑起动元件

（1）起动元件：发电机功率突降为零时，发电机电压突增、机组频率突增。起动元件：发电机功率突降为零时，因发电机主汽门未关闭，发电机转速迅速上升。

2.2.3零功率切机保护逻辑判据

（1）机组输出功率小于设定值，发电机功率突降为零时，主变高压侧一次功率突降为零，其中有功功率大于零判据可防止系统震荡时误动作，低功率定值应小于发电机的最低出力。

（2）高压侧电流至少两相小于判据。发电机功率突降至零时，高压侧A、B、C三相电流也突降至零，可通过任意两相电流值均小于判据来作为判据。

（3）发电机三相正序电压大于U1判别元件。发电机功率突降为零时，发电机正序电压升高。

2.2.4零功率切机保护逻辑闭锁元件

发电机有功功率突降为零时，机端三相电压处于对称状态，故可采用发电机负序电压U2作为闭锁判别元件。

3零功率切机保护逻辑优化

3.1目前零功率切机保护逻辑存在的问题

现有逻辑存在无法区分功率突降事故与系统振荡衰减事故的问题，特别是发电机发生区外严重故障，保护切除故障时限较长将引起有功功率快速振荡时，零功率切机保护可能误动作。区外严重故障，保护长延时切除时零功率切机保护判据动作情况分析如下：

（1）区外故障前，发电机正常运行，有功功率大于高有功功率辅助判据，保护处于投入准备状态；

（2）区外故障切除时，发电机和主变正序电压突增，启动元件动作条件满足，保护启动；

（3）区外故障发生后至故障切除前，发电机有功功率处于周期性摆动状态，若此时区外发生严重故障且切除时间长，发电机有功功率发生摆动范围较大且持续时间长，发电机低有功功率主判据可能动作；

（4）区外故障切除时，发电机和主变正序电压突增，正序电压主判据满足动作条件；

（5）区外故障切除时，发电机功率和电流短时稳定后迅速降低，满足正序电流主判据动作条件；

（6）区外故障切除后，发电机三相电压恢复正常运行，发电机负序电压为零，负序电压闭锁条件不动作，无法闭锁保护。

综合以上条件，在发电机区外严重故障长延时切除引起发电机各电气量快速振荡时，发电机电气特征量满足保护判据动作条件，即零功率切机保护存在误动的风险。

3.2零功率切机保护逻辑优化方案

为防止区外严重故障，保护长延时切除引起有功功率快速振荡衰减时零功率切机装置误动，可对目前零功率切机保护逻辑做以下优化：

（1）在动作判据中增加判别电流变化率，区分系统振荡事故与功率突降事故，防止区外严重故障零功率切机装置误动；电流变化率，即发电机正序电流突降判据。发电机有功功率突降为零时，发电机一次三相电流突降为零。

（2）适当提高有功功率辅助判据定值，可参考PSS功率投入设定值，将高有功功率辅助判据定值整定为35%Pn左右，理由主要有两个方面，一是机组在低负荷运行时即使发生突然甩负荷事故，所受

危害也较小；另一方面是PSS未投入时，机组抑制系统暂态过程或振荡过程的性能下降，可能容易受系统大扰动影响。

3.3零功率切机保护逻辑优化后在不同工况下的动作行为分析

（1）发电机程序跳闸。在发电机主汽门关闭、主变高压侧断路器跳开前，发电机仍处于并网运行状态，主变高压侧电压、频率大小与系统电压、频率大小保持稳定一致，因此启动元件不会动作。另外，发电机程序跳闸时，有功功率反向，判据也不动作。故发电机程序跳闸保护启动判据及动作主判据均不动作，保护不会误动作。

（2）发电机正常停机。发电机正常停机时，主变高压侧电流缓慢下降，主变高压侧电压不会变大，保护不起动。另外，此时电流突减判据因电流缓慢下降也不动作，故保护启动判据及动作主判据均不动作，保护不会误动作。

（3）发电机振荡。发电机振荡时功角在0o至360o之间周期变化。0o至180o变化过程中电流突减判据不动作，保护不动作。180o至360o变化过程发电机有功功率反向，即P小于零，保护不会误动作。

4总结

发电机零功率切机保护通过判别发电机电气量变化情况，快速判别发电机组处于有功功率无法正常送出的故障运行工况，通过零功率切机保护电气量判据识别电网有功功率“突降”并使机组快速停机，防止发电机定子过电压和降低火力发电机组热力设备损坏的风险，由于目前发电机组零功率切机保护投入运行时间不长，对于保护装置运行的可靠性、内部逻辑的正确性、回路的设计以及定值的计算都有较大改进空间。随着零功率切机保护装置各方面技术的不断完善、大型机组送出负荷问题的不断暴露，零功率切机装置将会普及到大部分大型火电厂。

参考文献:

[1]杨文超，李莉.断面零功率情况下大型发电机组安全控制方法.电力安全技，第11卷.2009.

[2]陈又申，余正环．电网故障与火电厂机组控制应对［J］．中国电力，2005，38(3):70－73．

[3]吴跃明．发电机组对电网稳定的适应能力分析［J］．华东电力，2004，32(10):15－18．