功率负荷平衡保护和零功率切机保护优化的探讨

朱青国，孙淑莲

（1.浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；2.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

功率负荷平衡保护和零功率切机保护优化的探讨

朱青国1，孙淑莲2

（1.浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；2.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

针对几起发电机功率负荷平衡保护和零功率切机保护的误动事件，分析零功率切机保护和功率负荷平衡保护在应用中存在的问题，提出选用智能型功率变送器及零功率切机保护定值整定原则，并探讨零功率切机保护和功率负荷平衡保护优化应用的新思路，提高保护运行可靠性。

零功率切机；功率负荷平衡保护；智能变送器；整定

为防止电力输送通道突然中断故障，发电机KU（零功率切机装置），已被广泛应用于发电厂。另外，目前大型汽轮机组DEH（电液调节）控制系统一般配有PLU（功率负荷平衡保护），在检测到发电机功率快速下降、突变到一定程度时，触发保护性调节功能。零功率切机保护近几年的运行情况不甚理想，功率负荷平衡保护在区外系统故障的冲击下也屡屡出现误动。

1 功率负荷平衡保护和零功率切机保护

功率负荷平衡保护在检测到发电机甩负荷量大于等于40%额定负荷，进入汽轮机的热负荷和发电机负荷之间的不平衡值大于等于40%额定负荷，并且发电机电流的减少值大于等于每10 ms 40%额定电流时，保护动作快速关闭调阀，以便尽早抑制汽轮机转速飞升，通过该保护触发DEH系统的调节功能，使汽轮机不跳闸。

零功率切机装置是针对大型机组在双回线线间故障或杆塔故障、输出线路全部跳闸、对侧变电站母线故障或全站停电等原因，造成发电厂输电通道断开时，防止汽轮机超速进行快速停机的保护装置，利用纯电气量的变化特征构成逻辑判据，动作后，迅速切换厂用电并发电机灭磁，同时关闭汽轮机主汽门。

可以看出功率负荷平衡保护和零功率切机保护都属于预超速保护，前者主要是用来提高电力系统暂态稳定性能，快速关闭调阀，后者为保护热力设备不受损坏而快速出口停机，功率负荷平衡保护应先于零功率切机动作。

2 功率负荷平衡保护和零功率切机保护异常运行情况

例1：某发电厂受电侧变电站一条线路发生瞬时单相接地故障跳闸，在单跳重合后，9号、10号机组PLU保护同时动作，最后导致2台机组的程序逆功率动作，分别跳开220 kV开关。检查分析发现：电网系统故障的冲击造成电气功率突降并未达到PLU的动作条件，只是功率变送器在系统故障状态下输入量存在非周期分量，变送器输出发生突变而导致PLU误动的。

例2：某发电厂500 kV线路B相瞬时故障时，线路保护动作后766 ms，3号、4号机组零功率保护动作，导致3号、4号机组跳闸停机事故。分析原因是：汽轮机KU保护功率变送器测量失真，KU保护误关汽机调门，造成发电机输出功率下降，数百毫秒后，零功率切机误判断跳开2台660 MW机组。

例3：某发电厂3号发电机正处并网升负荷阶段，有功功率未到达零功率切机投入功率设定值工况下，系统发生B相接地故障，零功率切机保护误动切机。分析原因是：当时系统发生故障时发电机出力出现大幅度波动，零功率切机保护误动出口。

3 功率负荷平衡保护与零功率切机保护运行中存在问题

（1）功率负荷平衡保护的功率测量环节可靠性差。在系统故障等暂态工况下，用于测量发电机功率的测量级TA饱和、常规功率变送器输出突变，导致功率负荷平衡保护误动。

（2）零功率切机逻辑判据存在漏洞，在系统故障时会误动出口，无法识别功率突降原因是汽轮机关闭调门还是输电通道中断。

（3）定值设定困难。零功率切机保护中电气量变化受系统动态影响较大，而且现行的继电保护整定计算导则中也没有这方面的内容。

可以看出逻辑判据不完善、定值不合适，是造成零功率切机动作正确率低的主要原因；功率负荷平衡保护逻辑设置过于简单，当功率测量环节出问题，保护立即误动出口。功率测量回路除了测量TA和功率变送器本身在区外故障大电流下无法正常工作外，常规功率变送器还存在响应时间长、抗干扰能力差、自检功能和TA/TV断线报警闭锁功能不具备等问题。

因此，有主张取消该保护，理由是该保护提高大电网稳定的作用会越来越小。但随着特高压交直流线路的不断投运，特高压线路故障引起功率潮流突变，系统短路故障引起的甩负荷，对作为特高压网架中主要电源的大型汽轮发电机组提出了更高的承担系统稳定的要求。

4 功率负荷平衡保护优化措施

目前较为常见方法是增加转速大于3 018 r/min的闭锁条件作为防误动措施，这样实际上功率平衡保护功能基本上被屏蔽了。因此应该从改善功率信号采集系统，增加功率测量环节故障闭锁功能入手，将常规功率变送器更换为一种智能功率变送器。

南瑞继保PCS988P智能功率变送器可以同时采集TA的保护和测量电流，采用功率计算电流无缝切换技术，32微处理器和双DSP的硬件结构，多个处理器并行工作，将发电机功率实现数模转换直流输出。同时装置具有自检功能和TA/TV断线报警功能，这大大提高了功率信号采集的正确性，能有效克服采用时分割乘法器的原理将交流电压电流量转换为4～20 mA输出的常规功率变送器存在的缺陷。

某电科院对例2中B相瞬时性接地故障的波形数据进行回放，观察PCS988P功率变送器装置的暂态输出特性。测试结论是：功率变送器装置暂态输出功率变化趋势与实际功率变化相同，实际功率变化时间为70 ms，功率变送器为80 ms，两者基本接近，从现有的试验数据分析，功率变送器能够实现保护采集数据及测量级数据的无缝切换，且响应时间为70 ms，相比于常规变送器200 ms响应时间，大大改善了采集的实时性。

PCS988P功率变送器已应用于多个发电厂中，第一台投运为2014年5月，到目前为止无不良动作行为记录。因此在功率测量环节可靠性提高的情况下，可以考虑取消转速大于3 018 r/min的闭锁条件或者适当降低转速的闭锁条件，转速整定值可取大于正常运行时最大转速、不大于零功率切机保护中的转速判据。

5 零功率切机装置优化措施

5.1 优化逻辑判据

从上述误动案例可以看出，保护装置存在的共性问题是忽略了发生输出通道中断时机组转速会迅速上升的特点，没有利用发电机频率突增这个电气特征，动作判据中没有频率判据，启动判据中频率判据与电压、电流判据是或门关系，以南瑞继保RCS985UP装置为例，改进前逻辑如图1，当满足电压突增条件时，启动元件就能出口。

图1 改进前启动判据

因此为防止误动，改进后逻辑在启动判据中增加1条发电机频率大于50.2 Hz的判据，在电压突增或电流突降的同时要满足发电机频率大于50.2 Hz，这样可以有效防止功率输送通道未中断时,区外故障保护频繁启动而误动出口，改进后逻辑如图2。

图2 改进后启动判据

对于启动判据中的电压突增判据，定值较难设定，因为电压变化的大小不仅与当时运行机组的负荷有关，还取决于励磁调节器的性能，如果励磁调节过快或零功率切机出口时间过长，都可能会造成零功率切机拒动，因此改进措施之二是在启动判据中增加了电流突降判据，可有效防止电压突增不能正常启动时保护拒动情况。

5.2 优化零功率切机保护设定值

零功率切机保护装置是由启动判据、动作判据、闭锁判据3部分组成。启动判据由电压突增、电流突降、频率突增、过频和功率投入等元件组成；动作判据由低功率、电流突降和低电流等元件构成；闭锁判据由正序电压、负序电压等元件构成。下面以某发电厂2台1 000 MW机组配置的南瑞继保RCS985UP装置为例介绍整定原则。

5.2.1 起动判据的整定

（1）零功率切机保护投入功率Psef1整定依据。在机组输出功率小于整定值时，机组即使发生功率突降，对热力设备不构成安全威胁，故该设定值应小于调度低出力，可根据机组最小运行出力，取30%～40%额定功率。

（2）电压突增定值的整定依据。按机组带最小功率时发生突降后，无功功率在发电机电抗和主变压器（以下简称主变）电抗上的电压消失，引起主变高压侧和发电机机端正序电压的突升，考虑短时间发电机励磁调节器来不及反应，设定值ΔUset可按电压突增量有1.2～2.0倍灵敏度整定，建议发电机突增设定值按1.2倍灵敏度计算，主变突增量设定按1.5倍灵敏度计算。

（3）频率突增定值的整定依据。频率突增的大小与机组当时运行的负荷大小和机组的惯性常数有关。首先需要计算机组惯性常数M，再根据M计算机组在功率突降过程中频率的突增值df/dt，考虑频率在上升过程中调速系统的作用，频率突增元件应有较高的灵敏系数，则设定值（Δf/Δt）set可取3～4倍的灵敏系数。

（4）过频定值。避开电网周波波动的影响，可取50.3 Hz。

5.2.2 动作判据

（1）发电机正向低功率定值整定。应大于发电机仅带厂用电时最大功率，小于发电机最低出力。

（2）主变和发电机正序电流突降定值整定。电流的突变量是功率突降前的负荷电流Ifh在特定时间窗内的变化量，按：计算，其中负荷电流按保护投入功率时对应的主变高压侧和发电机机端电流计算，时间常数τ，与二次电缆长度、截面、电流互感器剩磁有关，根据相关资料可取0.2，特定时间窗保护装置固定为0.2 s。

（3）主变、发电机低电流定值：设定值按小于投入功率电流，大于高压厂变最大负荷电流整定。

5.2.3 闭锁判据

（1）正序电压定值。当系统发生三相短路故障时，零功率切机保护被闭锁，按躲开正常运行时最低电压整定，取80%～85%额定电压。

（2）负序电压闭锁定值。当系统发生不对称故障时，零功率切机保护被闭锁，按躲开正常运行最大负序电压整定，一般取0.06～0.08Un。

5.2.4 出口时间和出口方式

出口时间可取0.05～0.1 s，出口方式为跳开主变高中压侧断路器并闭锁合闸，灭磁、关主气门、启动快切装置。

6 零功率切机保护与功率负荷平衡保护的进一步优化

南瑞继保PCS988P发电机功率变送器装置的开发平台UAPC与微机保护装置通用，采用的硬件结构、采集的电气量与微机型零功率切机保护完全相同，目前微机保护的软/硬件均采用模块化设计，具有灵活配置、易于扩展的特点，因此设想在零功率切机保护装置上稍加改动，增加功率直流输出功能，功率负荷平衡保护的功率采集任务由零功率切机保护装置来完成，这样可以取消功率变送器，减少现场电气设备，又可以降低TA和TV的二次负载，而且简化了二次回路。

进一步设想，如果DEH系统可以实现表征汽轮机热负荷的模拟量输出，将该模拟量送入零功率切机保护装置中，那么零功率切机保护可以替代功率负荷平衡保护，微机型零功率切机保护装置的采样周期、计算速度、抗干扰性等都大大优于原功率负荷平衡保护，特别是对于装置故障自检、断线闭锁、系统振荡判别保护装置都已有非常成熟的判据，相对于原功率变送器和功率负荷平衡保护要完善得多，大大降低误动几率。对于允许孤岛运行的机组在发电机甩负荷后可以实现调节汽轮机调门功能与关闭主汽门功能的配合，保护装置一时限出口调节汽轮机的调门，二时限出口关闭主汽门。

7 结语

功率负荷平衡保护和零功率切机保护的误动，往往造成几台机组同时切除，因此提高其运行可靠性显得尤为重要。目前，各制造厂根据现场运行工况，在不断完善零功率切机保护的判据，智能变送器也在近几年陆续有制造厂研发并应用于现场。按本文提出的零功率切机保护的整定原则整定的保护装置，在某发电厂 1号、2号机组50%和100%4次甩负荷试验中进行考验，均能正确动作，但还需在运行中经受进一步的考验。

[1]邵梦桥，张建侠.发电机零功率保护切机逻辑研究[J].贵州电力技术，2015（1）∶62-64.

[2]周傅峻，林彤.500 kV系统单相瞬时故障引起2台机组跳闸的原因分析[J].浙江电力，2014（10）∶28-31.

[3]兀鹏越，安欣，伍刚，等.电气零功率保护改善汽机超速保护性能探讨[C]//中国电机工程学会年会，2013.

（本文编辑：杨 勇）

Discussion on Optimization of Power Load Unbalance Protection and Zero-power Tripping Protection

ZHU Qingguo1，SUN Shulian2

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou Second Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Zhejiang 317109，China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Aiming at several misoperation incidents of power load unbalance protection and zero-power tripping protection of generator，the paper analyzes the problems in their application and puts selection of intelligent power transmitter and setting principle of zero-power tripping protection；besides，it discusses a new idea for application optimization of zero-power tripping protection and power load unbalance protection.

zero-power tripping；power load unbalance protection；intelligent transmitter；setting

TM773

B

1007-1881（2016）08-0056-04

2016-07-08

朱青国（1968），男，高级工程师，从事发电厂管理及技术工作。