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：杨文超，李莉.断面零功率情况下大