0引言

目前,大容量火電機(jī)組已成為區(qū)域電網(wǎng)的主要電源^[1]。在滿(mǎn)載運(yùn)行狀態(tài)下,這些大容量機(jī)組若因輸電線路故障等外部因素導(dǎo)致有功功率突降至零,將觸發(fā)一系列聯(lián)鎖反應(yīng):如發(fā)電機(jī)端電壓急劇上升(可達(dá)到額定值的1.2倍)、轉(zhuǎn)子超速(頻率波動(dòng)范圍超過(guò)±0.5 Hz)、鍋爐水位劇烈震蕩,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致汽輪機(jī)葉片斷裂等。盡管現(xiàn)有的保護(hù)系統(tǒng)(如逆功率保護(hù)、失步保護(hù)等)能夠應(yīng)對(duì)部分電氣故障,但其單一的判據(jù)和較長(zhǎng)的動(dòng)作延時(shí)(通?！? S)難以有效隔離功率突降工況,導(dǎo)致機(jī)組易遭受沖擊,對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性構(gòu)成威脅^[2]。目前的研究主要集中在零功率切機(jī)保護(hù)的判據(jù)設(shè)計(jì)與動(dòng)作邏輯優(yōu)化上。例如,文獻(xiàn)[3]提出了基于功率突降閾值與電壓升高的復(fù)合判據(jù),但在系統(tǒng)振蕩或區(qū)外故障恢復(fù)等暫態(tài)過(guò)程中仍存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),誤動(dòng)作率高達(dá)5%。此外,現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)與發(fā)變組保護(hù)的協(xié)同機(jī)制尚未完善,故障隔離時(shí)間普遍超過(guò)DL/T 671標(biāo)準(zhǔn)要求的0.5 S,且缺乏針對(duì)熱力設(shè)備損傷的聯(lián)動(dòng)控制策略^[4-5]。對(duì)于350 MW級(jí)機(jī)組,由于其慣性時(shí)間常數(shù)小,功率突降后的動(dòng)態(tài)過(guò)程劇烈,以往的保護(hù)方案難以滿(mǎn)足快速性與可靠性的雙重需求。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出增設(shè)零功率切機(jī)保護(hù)裝置,并與發(fā)變組保護(hù)深度配合運(yùn)行的方案。

1概述

1.1 故障概述

某2×350 MW燃煤發(fā)電機(jī)組,通過(guò)220 kV同桿雙回線路接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)。2023年9月定檢期間,#1發(fā)電機(jī)組于20:33發(fā)生連續(xù)線路跳閘事件。事故導(dǎo)致#2機(jī)組突發(fā)負(fù)荷驟降,引發(fā)汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)(OPC)多次重復(fù)動(dòng)作。記錄數(shù)據(jù)顯示,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速峰值達(dá)到3133 r/min(超過(guò)額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的4.43%)。當(dāng) OPC保護(hù)動(dòng)作時(shí),EH油壓系統(tǒng)參數(shù)與汽輪機(jī)跳閘保護(hù)(ETS)的預(yù)設(shè)閾值產(chǎn)生耦合效應(yīng),最終觸發(fā)機(jī)組聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作,造成汽輪機(jī)跳閘及鍋爐主燃料跳閘(MFT) 聯(lián)鎖響應(yīng)。

1.2保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

1.2.1保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)特性

該電廠配置的DGT801U-B型發(fā)電機(jī)組保護(hù)裝置采用32位MCU+DSP雙核架構(gòu),同時(shí)裝置通過(guò)同步相位比較、諧波分析和磁飽和補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)了保護(hù)靈敏度和抗干擾能力的優(yōu)化。該裝置具有以下技術(shù)特征:一是一體化數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng),支持多繞組變壓器保護(hù)模式;二是采用改進(jìn)型比率差動(dòng)保護(hù)算法,其制動(dòng)特性如式(1)所示:

Idz=K×(Imax-Izd) (1)

式中:Idz為差動(dòng)動(dòng)作電流;Imax為最大不平衡電流;Izd為制動(dòng)電流;K為比例系數(shù)。

1.2.2頻率保護(hù)機(jī)制分析

系統(tǒng)配置51.5 Hz高頻保護(hù)(對(duì)應(yīng)超速保護(hù)閾值)和47.5 Hz低頻保護(hù)。事故過(guò)程中,OPC動(dòng)作后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性導(dǎo)致系統(tǒng)頻率未能觸及高頻保護(hù)閾值,而低頻保護(hù)在轉(zhuǎn)速降至47.5 Hz時(shí)觸發(fā)滅磁保護(hù)。這種現(xiàn)象暴露出傳統(tǒng)頻率保護(hù)策略在瞬態(tài)工況下的響應(yīng)遲滯問(wèn)題。

基于上述保護(hù)特征,該電廠進(jìn)行了三次全工況模擬實(shí)驗(yàn)(包括單相接地、三相短路等故障模式),驗(yàn)證了保護(hù)裝置的制動(dòng)特性曲線符合IEC60255標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)果表明:1)區(qū)內(nèi)故障動(dòng)作時(shí)間≤25 ms;2)區(qū)外故障制動(dòng)系數(shù)≥0.35;3)二次諧波制動(dòng)比≥15%。基于保護(hù)裝置的性能驗(yàn)證結(jié)果,可排除設(shè)備本體故障因素。結(jié)合事故錄波數(shù)據(jù)分析,初步判斷此次故障源于電網(wǎng)側(cè)瞬態(tài)擾動(dòng)與機(jī)組控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)失配。

2保護(hù)邏輯缺陷分析

2.1 故障機(jī)理

事故過(guò)程分析表明,在雙回出線同時(shí)跳閘引發(fā)的機(jī)組孤島運(yùn)行工況下,保護(hù)系統(tǒng)存在多重失效模式:

1)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)盲區(qū)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘時(shí)未能激活聯(lián)鎖保護(hù)機(jī)制,違反IEC61850-7-410規(guī)定的狀態(tài)關(guān)聯(lián)邏輯;2)信號(hào)傳輸架構(gòu)缺陷致使勵(lì)磁系統(tǒng)缺失停機(jī)指令,僅依賴(lài)快速勵(lì)磁衰減(FFF)將機(jī)端電壓降至76.3%±0.5%額定值(vn=20 kv),超出 IEEE 421.2標(biāo)準(zhǔn)允許的最大衰減范圍;3)控制邏輯沖突引發(fā)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)持續(xù)誤判機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài),通過(guò)超速保護(hù)控制器(OPC)執(zhí)行非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),造成功率—頻率動(dòng)態(tài)特性失配(dp/df=1.28MW/Hz)。這些交互性故障模式導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)(TSI)降低至臨界閾值以下,形成級(jí)聯(lián)故障傳播路徑。

2.2保護(hù)缺陷定量分析

基于IEC61850-7-420標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的故障樹(shù)分析(FTA)表明,該保護(hù)系統(tǒng)存在三項(xiàng)關(guān)鍵量化缺陷:

1)零功率工況識(shí)別機(jī)制缺失,當(dāng)系統(tǒng)功率|p| <2.00%pe(pe為額定有功功率)且持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 s時(shí)未能觸發(fā)切機(jī)保護(hù);2)狀態(tài)量關(guān)聯(lián)失效,發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)位置信號(hào)與勵(lì)磁系統(tǒng)間缺乏基于GOOSE協(xié)議的通信鏈路,導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)誤判率提升83.6%;3)動(dòng)態(tài)特性失配,在超速保護(hù)控制器(OPC)動(dòng)作次數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)閾值(n=3次)時(shí),未激活預(yù)設(shè)的加速度后備保護(hù)[dn/dt>50 r/(min.s-1)],致使系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度降低至臨界值的67.2%。這些缺陷共同導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)下降至IEC 61508 SIL-2標(biāo)準(zhǔn)要求以下。

針對(duì)該電廠內(nèi)發(fā)變組保護(hù)現(xiàn)狀,提出并實(shí)施了一種分層式保護(hù)架構(gòu)的改進(jìn)策略。具體是通過(guò)在主保護(hù)裝置DGT801U-B中嵌入零功率保護(hù)模塊,如圖1所示,并在后備保護(hù)系統(tǒng)中增設(shè)功率—頻率協(xié)調(diào)控制器 (PFCC),實(shí)現(xiàn)對(duì)低周減載曲線的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。同時(shí),建立發(fā)電機(jī)斷路器狀態(tài)與勵(lì)磁系統(tǒng)的硬接線閉鎖機(jī)制,以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。此外,在緊急控制中配置加速度保護(hù)作為過(guò)頻保護(hù)(OPC)的后備措施。

3零功率保護(hù)

3.1保護(hù)設(shè)計(jì)與閉鎖機(jī)制

零功率保護(hù)邏輯框圖如圖1所示,該保護(hù)通過(guò)多維度判據(jù)綜合判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài),主要包括:1)過(guò)功率判據(jù)(p>pset.1)結(jié)合延時(shí)記憶功能,識(shí)別功率突降前的異常過(guò)載;2)正序電壓突增(Δu>Δuset)和頻率突增(ΔF>ΔFset)判據(jù),捕捉功率突降時(shí)電壓與頻率的異常升高;3)設(shè)置功率區(qū)間鎖定(0<P<Pset.2)判據(jù),兼顧二次功率不完全歸零特性;4)正序電流突變量(ΔI1 >ΔI1set)判據(jù),通過(guò)高壓側(cè)電流靈敏反映一次電流突降為0的情況;5)相電流小于定值判據(jù)(Ifa<Iφset& Ifb<Iφset&Ifc<Iφset),通過(guò)高壓側(cè)電流特征靈敏檢測(cè)一次電流驟降;6)閉鎖邏輯采用電壓對(duì)稱(chēng)性檢測(cè)(u1<u1set,u2>u2set)與主汽門(mén)狀態(tài)聯(lián)鎖,有效規(guī)避TV斷線、系統(tǒng)振蕩及短路故障導(dǎo)致的誤動(dòng)作。該設(shè)計(jì)以發(fā)電機(jī)/主變高壓側(cè)TA/TV的二次三相電流、電壓為輸入量,通過(guò)多判據(jù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)功率突降時(shí)的精準(zhǔn)保護(hù)。

3.2 定值整定

1)過(guò)功率定值Pset.1:

大型發(fā)電機(jī)在正常且穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,其功率通常不低于額定有功功率Pe的40%。基于此,過(guò)功率設(shè)定值Pset.1可按公式(2)計(jì)算得出。

式中:Pe為額定有功功率;na為電流變比;nv為電壓變比。

2)正序電壓突變量定值Δuset:

根據(jù)公式 (3)計(jì)算得出,一般設(shè)定值范圍在(0.01~0.05)ue之間。

Δuset=0.05ue=0.05×100=5.0 V(3)

式中:ue為機(jī)端額定電壓二次值。

3)頻率突變量定值ΔFset:ΔFset=0.5 Hz。

4)功率突降后低功率定值Pset.2:

Pset.2必須低于發(fā)電機(jī)的最小輸出功率。同時(shí),考慮到功率正向突降時(shí),電流互感器的二次電流會(huì)經(jīng)歷一個(gè)衰減階段,導(dǎo)致輸出功率出現(xiàn)不平衡。因此,Pset.2定值應(yīng)高于可能出現(xiàn)的最大不平衡輸出功率。定值可參照公式(4)計(jì)算。

5)電流突變量ΔI1/t:

當(dāng)發(fā)電機(jī)功率驟降至0,其運(yùn)行電流通常也會(huì)突降至0,其定值參照公式(5)計(jì)算。

ΔI1/t=(0.2~0.3)Ie=0.3×3.96≈1.19 A (5)

式中:Ie為發(fā)電機(jī)額定電流二次值,[(412× 1 000 000/1.732)/20 000]/(15 000/5)≈3.96 A。

6)低電流定值Iφset:

Iφset需低于正常運(yùn)行中的最小負(fù)載電流,可整定在(0.15~0.3)Ie范圍內(nèi),定值參照公式(6)確定。

Iφset=0.2Ie=0.2×3.96≈0.79 A (6)

7)正序低壓定值u1set:

在正向功率急劇減小的情況下,電壓會(huì)上升。為了確保判據(jù)能夠可靠地執(zhí)行,需要考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用,取值應(yīng)遵循公式(7)。

U1set=(0.85~0.9)ue=0.85× 100=85 V(7)

8)啟動(dòng)判據(jù)返回延時(shí)t1:

為了確保保護(hù)動(dòng)作的可靠性,啟動(dòng)判據(jù)需要具備延時(shí)返回的特性,時(shí)間范圍可取3~5 s,本項(xiàng)目取4 s。

9)主汽門(mén)關(guān)閉延時(shí)t2:

在主汽門(mén)關(guān)閉過(guò)程中,為確保零功率保護(hù)的可靠閉鎖,特別設(shè)置了主汽門(mén)關(guān)閉閉鎖接點(diǎn)。若主變高壓側(cè)斷路器誤跳閘,可能會(huì)引起主汽門(mén)關(guān)閉,為了避免零功率保護(hù)被誤閉鎖,引入了t2延時(shí)機(jī)制,其時(shí)間范圍設(shè)定可取0.1~0.2s。在本項(xiàng)目中取0.1s作為延時(shí)設(shè)定。

10)過(guò)功率投入返回延時(shí)t3:

為確保保護(hù)動(dòng)作的可靠性,過(guò)功率投入元件需具備延時(shí)返回功能,需與程序跳閘延時(shí)相協(xié)調(diào),建議可取0.5~1 s,本項(xiàng)目選定為1 s。

11)過(guò)功率投入延時(shí)t4:

為了避免短時(shí)功率波動(dòng)的影響,過(guò)功率啟動(dòng)裝置應(yīng)配置啟動(dòng)延時(shí)功能,建議可取0.5~1s,本項(xiàng) 目中選定為1s。

12)出口延時(shí)t11、t12:

對(duì)于零功率切機(jī)保護(hù)動(dòng)作的延遲時(shí)間,不應(yīng)設(shè)置得過(guò)短。建議與高頻切機(jī)、OPC動(dòng)作的延遲時(shí)間相協(xié)調(diào),建議一般可取1~3 s。出口Ⅱ段可作為備選方案。在本項(xiàng)目中,經(jīng)綜合考慮,t11和t12的延遲時(shí)間被設(shè)定為0.5 s。

13)出口方式:全停、啟動(dòng)失靈。

4結(jié)論

該電廠2×350 MW發(fā)電機(jī)組增設(shè)零功率切機(jī)保護(hù)裝置與發(fā)變組配合運(yùn)行方案,顯著縮短了故障隔離時(shí)間,降低了熱力設(shè)備受損風(fēng)險(xiǎn),還提高了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。具體而言,增設(shè)的零功率切機(jī)保護(hù)裝置能夠迅速響應(yīng)功率突降工況,其基于多維度判據(jù)的保護(hù)邏輯有效避免了誤動(dòng)作,確保了保護(hù)的可靠性。同時(shí),與發(fā)變組保護(hù)的深度配合,實(shí)現(xiàn)了故障的快速、精準(zhǔn)隔離,避免了機(jī)組熱力設(shè)備遭受進(jìn)一步?jīng)_擊。

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《機(jī)電信息》2025年第11期第4篇