一例汽輪發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的缺陷分析及改進(jìn)

周成霖，湯夫媛

（萍鄉(xiāng)方大鋼鐵有限公司動(dòng)力二廠，江西萍鄉(xiāng) 337000）

1 引言

方大萍鋼動(dòng)力二廠蒸汽發(fā)電站現(xiàn)擁有3套汽輪發(fā)電機(jī)組，其中2#15M W機(jī)組于2007年9月投運(yùn)，是萍鋼公司建成的第一套汽輪發(fā)電機(jī)組。由于發(fā)電機(jī)組直接與公司10k V供電系統(tǒng)并網(wǎng)，與系統(tǒng)電網(wǎng)沒(méi)有變壓器隔離，同時(shí)設(shè)計(jì)上又依照小火電廠“刪繁就簡(jiǎn)”的配置思路，省略了一些保護(hù)功能，由此造成運(yùn)行以來(lái)事故頻發(fā)。發(fā)電機(jī)組抵御電力系統(tǒng)事故干擾能力差，繼電保護(hù)配合上出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)，尤其是在電力系統(tǒng)事故狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)組不能與電力系統(tǒng)解列，使發(fā)電機(jī)組處于危險(xiǎn)運(yùn)行工況，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)組安全，甚至發(fā)生可能導(dǎo)致整套機(jī)組損毀的險(xiǎn)情。汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境隱患叢生，完善發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)功能，提高機(jī)組安全運(yùn)行水平已勢(shì)在必行。

2 汽輪發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)行

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)行事故

2009年9月16日，由于110k V變電站倒閘操作失誤，導(dǎo)致外部供電系統(tǒng)與變電站2#主變解列，2#主變所帶10k VⅡ段24M W負(fù)荷全部甩給蒸汽發(fā)電站2#15M W汽輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷。因過(guò)負(fù)荷電流未達(dá)到過(guò)流保護(hù)跳閘整定值，發(fā)電機(jī)組“小馬拉大車(chē)”這種運(yùn)行狀況前后持續(xù)達(dá)9m i n，直到電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組又發(fā)生非同期合閘，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)組才跳閘。其間發(fā)生機(jī)組長(zhǎng)時(shí)低頻運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組低頻運(yùn)行參數(shù)表

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)行的危害

低頻運(yùn)行對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的危害是多方面的，其中主要有：

（1）引起汽輪機(jī)末級(jí)葉片出現(xiàn)低頻共振疲勞而損傷，長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行可能導(dǎo)致葉片斷裂。

（2）使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇出力降低，風(fēng)量下降，從而使發(fā)電機(jī)的冷卻條件變壞，各部溫度升高。

（3）使發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)下降，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出力降低。若要保持發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)不變，勢(shì)必增加勵(lì)磁電流，以增加磁通，從而使轉(zhuǎn)子繞組的溫度升高。

（4）當(dāng)頻率下降時(shí)，如仍要保持發(fā)電機(jī)出力，就要增加勵(lì)磁電流，導(dǎo)致定子鐵芯出現(xiàn)磁飽和，從而引起發(fā)電機(jī)部件溫升過(guò)高。

（5）使廠用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之下降，廠用機(jī)械出力相應(yīng)降低，進(jìn)而造成汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率繼續(xù)減少，導(dǎo)致運(yùn)行頻率再度降低，惡性循環(huán)。

（6）低頻運(yùn)行還容易造成機(jī)組推力軸承過(guò)負(fù)荷，同時(shí)主油泵出口油壓下降，有可能造成因油壓低而關(guān)閉主汽門(mén)。

3 汽輪發(fā)電機(jī)過(guò)頻運(yùn)行

3.1 汽輪發(fā)電機(jī)過(guò)頻運(yùn)行事故

蒸氣發(fā)電站電氣保護(hù)遵循發(fā)電廠單元機(jī)組繼電保護(hù)的一般原則，即發(fā)電機(jī)在失去外部系統(tǒng)大負(fù)荷時(shí)，應(yīng)能帶廠用電負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行。這一保護(hù)原則，給蒸汽發(fā)電站在特殊運(yùn)行環(huán)境下出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組超速運(yùn)行埋下伏筆。

2009年5月11日，因蒸汽發(fā)電站供電系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線光纖縱差保護(hù)動(dòng)作，造成110k V變電站9206熱電二線和蒸汽發(fā)電站9206熱電二線同時(shí)跳閘，運(yùn)行中的2#15M W發(fā)電機(jī)組被甩掉外部系統(tǒng)負(fù)荷，機(jī)組負(fù)荷從7M W降到最低限0.5M W，但此時(shí)掛接在發(fā)電機(jī)母線上的廠用電負(fù)荷只有0.26M W,發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的運(yùn)行現(xiàn)象。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)功率因不能完全轉(zhuǎn)化為電功率，過(guò)剩功率導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組超速運(yùn)行，最高轉(zhuǎn)速飛升到3220轉(zhuǎn)，其后因廠用電負(fù)荷過(guò)小，又造成轉(zhuǎn)速較長(zhǎng)時(shí)間滯留在3100r/m i n左右。因汽輪機(jī)保護(hù)設(shè)定轉(zhuǎn)速3280轉(zhuǎn)為停機(jī)值，危急保安器動(dòng)作值為3300轉(zhuǎn)。因此，汽輪發(fā)電機(jī)組過(guò)頻運(yùn)行前后維持了10多分鐘后才手動(dòng)停機(jī)解列。

3.2 汽輪發(fā)電機(jī)組過(guò)頻運(yùn)行的危害

（1）使轉(zhuǎn)子的部件損壞。當(dāng)頻率升高時(shí)，會(huì)使發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加速，離心力增加，易造成轉(zhuǎn)子的部件損壞。嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致機(jī)組飛車(chē)，引起機(jī)組軸承及葉片斷裂，甚至使整臺(tái)機(jī)組報(bào)廢，這是汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備破壞最大的事故之一。

（2）引起發(fā)電機(jī)定子鐵芯溫度上升。頻率升高時(shí)，會(huì)使發(fā)電機(jī)定子鐵芯的磁滯、渦流損耗增加，從而引起鐵芯的溫度上升。

（3）汽輪發(fā)電機(jī)組過(guò)頻運(yùn)行一般發(fā)生在甩大負(fù)荷的情況下。帶廠用電運(yùn)行，此時(shí)會(huì)因?yàn)闄C(jī)內(nèi)蒸汽流量過(guò)少，與汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片摩擦，形成鼓風(fēng)損失，加熱排汽，使汽缸溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片過(guò)熱而損壞。

4 汽輪發(fā)電機(jī)組頻率保護(hù)的設(shè)置

從以上兩起電氣事故引發(fā)的汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行險(xiǎn)情中看到，完善汽輪發(fā)電機(jī)保護(hù)的緊迫性，為防范機(jī)組出現(xiàn)重大設(shè)備損壞事故，頻率保護(hù)不可或缺。4.1 汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)置頻率保護(hù)的依據(jù)（見(jiàn)表2）

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組頻率異常運(yùn)行時(shí)間限制表

4.2 汽輪發(fā)電機(jī)且設(shè)置頻率保護(hù)的改造

蒸汽發(fā)電站3套汽輪發(fā)電機(jī)組新增頻率保護(hù)已具備良好的硬件基礎(chǔ)，無(wú)須更多的投入和技改?，F(xiàn)有繼電保護(hù)裝置選用多功能發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置S E L-300G，其內(nèi)部已預(yù)留頻率保護(hù)的功能。因此只須將保護(hù)整定值輸入S E L-300G，即可擁有頻率保護(hù)功能。再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單接線，便可將頻率保護(hù)作用于信號(hào)、跳閘和上傳D C S報(bào)警。經(jīng)計(jì)算，蒸汽發(fā)電站汽輪發(fā)電機(jī)頻率保護(hù)（S E L－300G）的定值確定如下：

27 B 81 P：20V（無(wú)壓閉鎖低頻）

81 D 1 P：48H z（低頻啟動(dòng)值）

81 D 1 D：3s（延時(shí)時(shí)間）

81 D 2 P：52H z（過(guò)頻啟動(dòng)值）

81 D 2 D：1s（延時(shí)時(shí)間）

5 汽輪發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)

5.1 汽輪發(fā)電機(jī)組定子單相接地的危害

根據(jù)安全運(yùn)行的要求，發(fā)電機(jī)的外殼都是接地的，因此，定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。當(dāng)接地電流較大時(shí)，在故障點(diǎn)引起電弧，弧光接地很容易發(fā)展為相間短路，造成更大危害。我國(guó)規(guī)定，當(dāng)接地電容電流等于或大于5A時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)應(yīng)設(shè)動(dòng)作于跳閘的接地保護(hù)。為防范定子接地造成發(fā)電機(jī)損毀，蒸汽發(fā)電站機(jī)組據(jù)此設(shè)置了定子接地跳閘這一常規(guī)保護(hù)。

5.2 汽輪發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的缺陷

因蒸氣發(fā)電站發(fā)電機(jī)與110k V變電站10k VⅡ段系統(tǒng)直接連接，中間沒(méi)有變壓器作電磁隔離。因此，當(dāng)變電站10k VⅡ段系統(tǒng)中任何一點(diǎn)出現(xiàn)接地，均會(huì)波及到發(fā)電機(jī)。15M W發(fā)電機(jī)組運(yùn)行以來(lái)，從幾次定子接地保護(hù)跳閘的情況分析，均是發(fā)電機(jī)外部電力系統(tǒng)接地造成的。由于110k V變電站10k V系統(tǒng)的龐大，每年均會(huì)發(fā)生多次單相接地故障，而由此殃及發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作的事故亦有多起。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2011年就發(fā)生3次因外部電網(wǎng)接地而引發(fā)機(jī)組定子接地保護(hù)動(dòng)作的停機(jī)事故，給發(fā)電生產(chǎn)帶來(lái)不穩(wěn)定性。

5.3 汽輪發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值的改進(jìn)

從定子接地保護(hù)原理上講，只有當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，流經(jīng)發(fā)電機(jī)零序電流互感器的零序電流，為發(fā)電機(jī)以外電壓網(wǎng)絡(luò)的對(duì)地總電容電流，這一電流較大，必須作用于保護(hù)跳閘。而當(dāng)發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)單相接地時(shí)，流過(guò)零序互感器的零序電流，只為發(fā)電機(jī)本身的對(duì)地電容電流，而發(fā)電機(jī)本身電容電流一般不超過(guò)2A。因此，外部電力系統(tǒng)接地，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作是不正常的。

蒸汽發(fā)電站發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，是采用高導(dǎo)磁率硅鋼片零序電流互感器構(gòu)成的，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，繼電保護(hù)整定值為：動(dòng)作電流4 A，時(shí)限 0.5s。

依據(jù)我國(guó)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)相關(guān)規(guī)定要求，接于零序電流互感器上的發(fā)電機(jī)零序電流保護(hù)，其整定的選擇原則是：

（1）應(yīng)能躲過(guò)外部單相接地時(shí)，發(fā)電機(jī)本身的電容電流，以及由于零序電流互感器一次側(cè)三相導(dǎo)線排列不對(duì)稱，而在二次側(cè)引起的不平衡電流。

（2）保護(hù)裝置應(yīng)帶有1～2s的時(shí)限，以躲開(kāi)外部單相接地瞬間，發(fā)電機(jī)暫態(tài)電容電流（其數(shù)值遠(yuǎn)較穩(wěn)態(tài)時(shí)為大）。如果不帶時(shí)限，則保護(hù)裝置的起動(dòng)電流就必須按照大于發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電容電流來(lái)整定。而我們從消弧監(jiān)控測(cè)量柜查詢到的接地故障時(shí)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 外部接地故障時(shí)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

從以上數(shù)據(jù)及定子接地保護(hù)整定選擇原則分析，110k V變電站高壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地而引發(fā)蒸汽發(fā)電站發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作，原因有二：一是發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)限在設(shè)定上過(guò)于小心謹(jǐn)慎，在系統(tǒng)接地瞬間因存在暫態(tài)過(guò)程，其時(shí)發(fā)電機(jī)本身電容電流遠(yuǎn)大于4A的動(dòng)作電流，而在0.5s內(nèi)未衰減到穩(wěn)態(tài)值，保護(hù)動(dòng)作于跳閘；其二，由于系統(tǒng)接地電容電流過(guò)大，本站消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)償電感電流，而且過(guò)補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鞔笥谙到y(tǒng)電容電流，其差值大于4A，而接地時(shí)間又大于0.5s，導(dǎo)致定子接地保護(hù)動(dòng)作。

因此，只要我們把接地保護(hù)時(shí)間從0.5s延長(zhǎng)到2s。這樣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地，尤其是瞬時(shí)接地時(shí)，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)將可以躲過(guò)形成的暫態(tài)電流，避免停機(jī)事故的發(fā)生。此外，定子接地保護(hù)延時(shí)到2s后，一旦發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地，因保護(hù)動(dòng)作電流維持4A不變，仍可確保發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)是維系汽輪發(fā)電機(jī)組安全的最后一道屏障，合理設(shè)置保護(hù)和配置保護(hù)參數(shù)又是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。方大萍鋼動(dòng)力二廠3套汽輪發(fā)電機(jī)組通過(guò)增加低頻和過(guò)頻保護(hù)，優(yōu)化定子接地保護(hù)定值，增強(qiáng)了抗御外部故障干擾的能力，為汽輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支持。