童 凱，張雪松，駱 麗

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

0 引言

發(fā)電機甩負荷試驗是考核汽輪機調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性最直接、最常用的方法，試驗涉及機、爐、電各個專業(yè)。甩負荷試驗還可以檢驗配套輔機及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計對甩負荷工況的適應(yīng)性，因此，新建機組都會在投產(chǎn)時進行甩負荷試驗，并已納入新機組啟動驗收的技術(shù)規(guī)范。隨著機組容量的增大和新型設(shè)備的采用，甩負荷試驗的風險性也隨之加大，因此必須做好精心的技術(shù)準備、充分的事故預(yù)想、完善的反事故措施，確保甩負荷后鍋爐不滅火、汽輪機維持空轉(zhuǎn)，試驗結(jié)束后能迅速并網(wǎng)帶負荷[1-2]。

發(fā)電機頻率異常保護分低頻率和過頻率兩方面，用于保護汽輪機和葉片免受損傷。本文結(jié)合某電廠發(fā)電機甩負荷試驗中頻率異常保護動作的實例，對發(fā)電機頻率異常的原因及影響進行了詳細分析，并對發(fā)電機頻率異常保護整定配置提出了改進措施，供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 頻率異常保護動作概況

某發(fā)電工程3號機組為西門子公司制造的SGen 5-100A-2P汽輪發(fā)電機組，額定容量97.18 MVA，額定功率77.8 MW，額定電壓10.5 kV，額定電流5 344 A。發(fā)變組采用單元制接線方式，發(fā)電機直連主變壓器，中間無高壓廠用電變壓器與發(fā)電機出口開關(guān)。發(fā)變組保護采用AREVA公司的微機型保護裝置P343。勵磁系統(tǒng)采用3機無刷勵磁方式，勵磁機勵磁電壓來自副勵磁機，一次電氣接線如圖1所示。

圖1 發(fā)電機一次系統(tǒng)接線

2010年3月3 日，3號發(fā)電機組進行甩負荷試驗，試驗前發(fā)變組出口斷路器DL32和隔離開關(guān)ZD34在合閘位置，隔離開關(guān)ZD35和接地閘刀DD35在分位，3號機通過132 kVⅠ母母線向電網(wǎng)輸送功率。發(fā)電機有功功率為70 MW，無功功率9.11 Mvar，發(fā)電機機端電壓10.25 kV。試驗時，試驗人員通過后臺控制系統(tǒng)的手動模式拉開DL32，發(fā)電機隨即甩掉系統(tǒng)負荷，但此時運行人員發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)顯示發(fā)電機保護動作，汽輪機已跳機?，F(xiàn)場保護試驗人員隨即查看3號發(fā)變組保護屏，發(fā)現(xiàn)2套發(fā)變組保護P343的Trip跳閘燈和Alarm告警燈均已點亮，裝置液晶屏的故障報告顯示：發(fā)電機頻率異常保護動作，發(fā)電機過激磁保護告警。

2 頻率異常保護動作的原因分析

在此次甩負荷試驗中，當試驗人員拉開主變壓器出口斷路器DL32、發(fā)電機甩負荷后，由于汽輪機控制系統(tǒng)的自動調(diào)速裝置還來不及減小導葉開度，因此發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升，頻率也隨之上升。分析發(fā)電機機端A，B相間電壓及頻率的故障波形，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機機端電壓最高上升到11.07 kV，頻率上升至51.6 Hz。該電廠發(fā)電機頻率異常保護的配置為：過頻率保護定值整定為頻率大于50.5 Hz時延時1 s告警，大于51.5 Hz時延時0.1 s跳機。低頻率保護定值整定為頻率小于48.5 Hz時延時1 s告警，小于47.5 Hz時延時0.1 s跳機，保護邏輯如圖2所示。甩負荷試驗過程中，由于頻率已上升至51.6 Hz，大于跳機定值，故障時間滿足保護動作延時時間，因此保護動作，發(fā)電機全停。

在汽輪機甩負荷試驗導則中，要求手動分閘斷路器后發(fā)電機組應(yīng)解列，不應(yīng)聯(lián)鎖跳機，機組在汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的作用下能夠穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。而本次試驗中，發(fā)電機甩負荷后在沒有發(fā)生超速等汽輪機故障的情況下，由頻率異常保護動作跳開發(fā)電機，汽輪機自動調(diào)速裝置動作過程未完整展現(xiàn)，達不到檢驗機組調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能的目的。因此，認為該發(fā)電機頻率異常保護的整定配置存在問題，需要適當改進。

圖2 頻率保護邏輯

3 頻率異常保護的改進措施

發(fā)電機頻率異常保護的目的是保護汽輪機，防止汽輪機葉片及其拉金因頻率異常而斷裂。大機組頻率異常運行允許時間如表1所示，表中所列時間是電機制造廠給出的最小值[3]。

表1 大機組頻率異常允許運行時間建議值

當發(fā)電機運行頻率升高或降低時，若 fv-kf≥7.5 Hz，葉片將發(fā)生諧振，其中fv為汽輪機葉片自振頻率，k為諧振倍率，k=1，2，3…，f為按轉(zhuǎn)速換算的頻率（Hz）。此時葉片承受很大的諧振應(yīng)力，導致材料過度疲勞。當超出材料所允許的限額時，葉片或拉金就要斷裂，造成嚴重事故。材料疲勞是一個不可逆的積累過程，所以必須規(guī)定汽輪機在不同頻率下的允許累計運行時間[4]。

對于低頻保護，GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：300 MW及以上汽輪發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)低頻保護。保護動作于信號，并有累計時間顯示。低頻保護動作，說明系統(tǒng)中缺少有功功率，如果動作于切除發(fā)電機，將會進一步減少發(fā)出的有功功率，導致頻率進一步下降，造成惡性循環(huán)，所以大部分發(fā)電廠一般都只設(shè)發(fā)信。

過頻率和低頻率對發(fā)電機的影響有所不同，下面從不同角度給出可行的保護策略。

（1）過頻率保護采用全停跳閘的出口方式。

在本次試驗中，發(fā)電機甩負荷后在沒有發(fā)生超速等汽輪機故障的情況下，頻率異常保護動作跳開發(fā)電機，影響了甩負荷試驗的順利進行。因此，本文認為過頻保護告警邏輯可以采用電廠原有的配置方式，而跳閘邏輯應(yīng)考慮發(fā)電機是否甩負荷，并適當延長過頻保護的跳閘延時，延時時間可以根據(jù)表1提供的機組頻率異常允許運行時間的最小值來整定。在甩負荷試驗時，只有在汽輪機調(diào)速系統(tǒng)未起作用，且轉(zhuǎn)速長時間過高存在超速飛車危險時，才動作于全停跳閘；若在正常運行時出現(xiàn)頻率升高，則跳閘的延時較短。保護跳閘的邏輯如圖3所示。

圖3 過頻率保護跳閘邏輯

即：保護收到發(fā)電機甩負荷動作信號，且頻率高于過頻率定值時，延時30 s出口跳閘。當高頻率條件滿足而未收到發(fā)電機甩負荷動作信號時，延時3 s跳閘。

采用這種保護出口方式時，既能保證在機組出現(xiàn)頻率異常、存在造成嚴重事故可能性時可靠跳閘，又能在甩負荷過程中避免在機組調(diào)速系統(tǒng)動作前即跳開發(fā)電機，造成不必要的損失。

（2）過頻率保護采用解列滅磁的出口方式。

根據(jù)GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，過頻率保護可以動作于解列滅磁或程序跳閘。但是從機組運行的經(jīng)濟性考慮，過頻率保護配置解列滅磁的出口方式較好。因為如果選擇程序跳閘，一旦主汽門關(guān)閉，按《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》，汽輪機熱態(tài)啟動前應(yīng)連續(xù)盤車4 h以上才能重新沖轉(zhuǎn)，從而失去了快速恢復(fù)運行的可能性，機組至少在4 h內(nèi)不能投入運行，盤車時還將消耗大量燃料和廠用電[5]。而如果選擇解列滅磁，汽輪機甩負荷后，機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在幾秒鐘內(nèi)使發(fā)電機恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，也就能在很短的時間內(nèi)并網(wǎng)投入運行，從而減少經(jīng)濟損失。

（3）過頻率保護采用發(fā)信的出口方式。

考慮到對汽輪機葉片及拉金影響的積累效應(yīng)，頻率升高對汽輪機的安全是有危脅的，從這點出發(fā)，頻率異常保護應(yīng)該包括頻率升高的情況。然而，一般汽輪機都配置了超速保護，允許的超速范圍比較小，頻率升高又大多是在輕負荷或空載時發(fā)生，例如文中的甩負荷試驗，此時汽輪機葉片和拉金所承受的應(yīng)力要比低頻率滿載時小得多。因此過頻率保護可以只發(fā)告警信號而不跳閘，通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)通知運行人員。運行人員根據(jù)發(fā)電機的工況，通過機組的調(diào)速系統(tǒng)或功頻調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)作用，以及在必要時切除部分機組，使頻率迅速恢復(fù)到正常范圍。采用這種保護出口方式時，對電廠運行人員的運行操作水平和電氣相關(guān)知識的要求較高。

4 結(jié)語

該電廠在發(fā)電機重新并網(wǎng)運行后，將發(fā)電機過頻率保護的出口方式改為發(fā)信，順利完成了甩負荷試驗。發(fā)電機過頻率作為一種異常運行狀態(tài)，并不會產(chǎn)生即時危害，當異?，F(xiàn)象消失后，存在著快速恢復(fù)運行的可能性。因此建議采用告警發(fā)信或解列滅磁的保護出口方式，以減少經(jīng)濟損失。

[1]韋東良，樊應(yīng)龍，吳剛.北侖電廠二期汽輪發(fā)電機組甩負荷試驗分析[J].浙江電力，2002（1）:36-39.

[2]田豐.國產(chǎn)600 MW超臨界機組甩負荷試驗分析[J].汽輪機技術(shù)，2009，51（3）:217-219.

[3]袁季修，李文毅.大型汽輪發(fā)電機組頻率異常運行允許時間的調(diào)查及建議[J].電力技術(shù)，1991（6）:67-72.

[4]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2001.

[5]國家電力公司.國電發(fā)[2000]589號防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求[M].北京：中國電力出版社，2005.