论文部分内容阅读
摘要：随着特高压、大电网的发展，电厂输电系统显著变弱，线路故障跳闸，机组发生输出功率突然缺失。本文针对张家口电厂主接线方式，分析了机组发生输出功率突然缺失事故的可能性及其对汽轮机调节系统、锅炉水位、厂用电系统等安全影响进行了总结，张家口发电厂通过应用“机组零功率切机装置”，实现了事故时能够快速安全停机，取得良好应用效果的经验。
关键词：输电线路故障；汽轮机组；机组功率突然缺失；零功率切机；安全停机
Abstract: With the special high-voltage, large power development, power transmission system significantly weaker, line fault trip, a sudden loss of unit output power occurs. In this paper, the main wiring plant in Zhangjiakou, analysis of the unit output power occurs suddenly missing the likelihood of accidents and of the turbine control system, boiler water, auxiliary power systems and other security implications were summarized, Zhangjiakou Power Plant through the application of "zero unit power cutting machine device ", can achieve a quick and safe stop when the accident, the effect is applied to obtain a good experience.Keywords: transmission line fault, steam turbine, a sudden loss of power unit, zero-power cutting machines, safety shutdown
中图分类号：U223文献标识码： 文章编号：
1 引言
随着特高压、大电网的发展及应用，我国在电力输送线路建设中大量采用了超高电压等级、紧凑型线路、同杆架设、远距离输电、串联补偿以及中间开关站等多种新的方法和技术，极大地提高了线路的输电容量，相对减少了输电线路的数量，节约了线路的投资。这些新技术的应用虽然为功率的稳定输出，系统的经济运行提供了有效的保证，但由于电厂输电线路的相对减少，大大增加了输电线路同时故障概率，很容易造成发电厂输出功率突然缺失。
时下大容量机组已成为我国火电建设发展的主流。当由于输电线路故障发生功率突然缺失事故时，比以往小容量机组转速飞升的更快、电压迅速升高，汽轮机调节汽门、锅炉水位以及厂用电系统将剧烈振荡，此时发变组保护装置不能反应此类事故，不能迅速动作，无法触发机炉电大联锁，机组仍处于自动调节状态。大型火电机组具有蒸汽参数高、蒸发量大、转子惯性时间常数小，必将破坏热力系统的水与蒸汽的工质平衡、严重威胁着汽轮发电机的安全运行，甚至可能导致锅炉局部超温爆管和炉膛灭火、厂用电设备损害、汽轮机叶片和大轴损害等严重后果，造成不可挽回的损失。
所以，对于大容量火电机组的发电厂若输电线路相对薄弱的情况下必须另行采取对策，确保机组能够在系统输电线路故障、机组功率突然缺失的情况下快速安全停机是迫在眉睫需要解决的问题。
2 张家口电厂主接线分析
1.1 张家口电厂主接线方式
张家口发电厂隶属于大唐国际发电股份有限公司，在一、二期工程建设后，共安装了8台国产300MW火力发电机组，为京津唐电网骨干火力发电厂。
张家口电厂分别设有500kV母线和220kV母线，#1机组经升压变接入220kV母线，4回220kV出线接入系统；2#～7#机组经升压变接入500kV母线，3回500kV出线接入系统；220kV母线和500kV母线之间设置有一台联络变压器，具体主接线方式见图1和图2。
图1 500kV电气一次系统图
图2 220kV电气一次系统图
1.2 “电厂输出功率突然缺失事故”可能性分析
张家口电厂原有运行方式以2回500kV线路和4回220kV線路接入系统，电厂出线较多且在多个输电通道上，因此发生整个电厂输出功率突然缺失事故概率极小，可不予考虑。
后因多方面原因，电厂系统接入方式调整为：4回220kV线路全部与电网解列，1#机组经联络变接入500kV母线，1#～8#机组全部通过2回500kV线路接入系统，且在靠近对侧变电站部分为同杆并架线路，长度超过10km。该种主接线方式容易因各种原因发生电厂输出功率突然缺失事故，需引起重视。
具体原因分析主要有以下几方面：
① 同杆并架双回线线间故障或异常；
② 同杆并架双回线杆塔故障；
③ 对侧张家口变电站母线故障或其他原因导致全站停电；
④ 系统解列保护停线未停机；
⑤ 500KV断路器失灵保护动作；
⑥ 线路故障或异常导致双回线相继跳闸；
⑦ 控制保护等各种自动化装置误动作；
⑧ 其他原因造成的张家口发电厂与电网解列等。
3输出功率突然缺失事故对张家口电厂的影响
张家口发电厂沙南一、二线由于某种原因相继跳闸后，整个电厂全部失电，8台机组输出功率突然缺失，输出的电功率从满载瞬间降至零，功率平衡瞬间破坏，汽轮机转速迅速飞升，热力系统剧烈振荡摆动，厂用电系统频率急剧变化，对机组安全带来巨大威胁，极有可能发生设备损坏等重大安全事故，造成灾难性损失。江苏某电厂曾发生输出功率突然缺失事故，因发变组保护不能动作，机组剧烈振荡运行超过1分钟，最后造成汽轮机低压缸防爆门损坏，锅炉爆管泄漏重大事故，损失惨重。
3.1 机组功率突然缺失对汽轮机的影响
张家口发电厂8台机组发生功率突然缺失事故时，汽轮机的转速迅速飞升，汽轮机超速保护必然要对超速进行保护和控制。汽轮机转速上升时，OPC保护103%超速保护将会动作并快速动作关闭高中压调节汽门，随后转速开始下降，当转速降到2950r／min时，调节汽门重新又开启，转速再次上升。在此过程中，汽轮机由于处于DEH的自动调节下，极易出现转速反复的升高和降低，甚至超速，这种转速的反复调节和过速必将对汽轮机轴系和尾级叶片带来安全隐患，严重时造成汽轮机设备损坏的重大安全事故。
3.2 机组功率突然缺失对锅炉的影响
线路故障造成机组功率突失时，汽轮机调节气门迅速关闭，必将引起锅炉过热蒸汽压力快速升高甚至失控，如果过热器、再热器安全阀动作，蒸汽大量排空流失，导致汽水系统平衡破坏，除氧器和凝汽器液位都会出现剧烈波动。
锅炉汽包水位剧烈的波动，汽包压力的骤变诱发的虚假水位和蒸汽流量信号的剧烈变化会引起三冲量水位调节的大幅波动，影响水冷壁安全和汽液分离器（汽包炉）的正常工作，即便运行人员解除自动手动操作也会因虚假水位而在误判断，甚至出现锅炉满水或干锅现象，后果不堪设想。
另外，锅炉燃烧强度的突变，燃烧极不稳定，运行人员调整不当，油枪无法快速投入的情况下很容易导致炉膛灭火，给煤系统也会受到较大的冲击，对给煤系统的安全运行带来影响。锅炉燃烧强度突变还会引起炉膛负压的大幅波动，对一、二次风系统带来冲击。
3.3 机组功率突然缺失对厂用电系统的影响
张家口电厂机组功率突然缺失时，汽轮机转速迅速飞升进而转化为反复振荡，引起各发电机机端电压和频率的剧烈变化，高压厂用变所带厂用系统也随之振荡。厂用各电动机的机械均是按照额定频率和电压设计制造的，对电能质量有着严格的要求。当频率和电压急剧变化使所有电动机无法正常工作，极易引起各种故障，导致电动机烧毁损坏，机组不能正常安全停机，甚至出现断油、烧瓦、大轴弯曲磨损等更严重后果。
4机组零功率切机装置在张家口电厂的应用
针对机组满载情况下，线路出线断开机组功率突降为零时快速安全停机的需要，结合大唐集团公司要求在线路故障时保护汽轮机的反措要求，张家口电厂经过反复调研，选用了南瑞继保公司的RCS-985UP型“机组零功率切机装置”。该装置功能为：当发电机组输出功率突降为零时，机组功率切机迅速动作保护出口全停，断开机组出口开关、切换厂用电并对发电机灭磁，同时动作于汽机紧急跳闸保护“ETS”并启动机炉联锁跳闸，确保了机组的快速稳定停机，有效的保证了热力机械设备和厂用电动机的安全[1]。
张家口发电厂采用是利用机组输出功率突降为零时的电气特性，采集发变组有关单元电气量来构成逻辑判据。RCS-985UP型机组零功率切机装置由启动判据、动作判据、闭锁判据三个部分组成，不需要任何开关辅助接点，具有突出的优势特点：
①纯电气量判据，无需辅助接点，提高了动作的可靠性；
②采用功率、频率、电压、电流等电气量的相量和突变量构成综合判据，设计合理，判据完善；
③多重辅助判据，可靠防止PT或CT断线造成的装置的误动作行为。
张家口发电厂零功率切机装置逻辑图3所示。
图3张家口发电厂机组零功率切机装置逻辑图
图中，ΔUt1表示主变高压侧正序电压突增量，ΔUf1表示发电机正序电压突增量，f表示发电机频率，Δf表示发电机频率突增量，PG表示发电机有功功率，ΔIt1表示主变高压侧电流突降量，Ifa、Ifb和Ifc为发电机电流，Ut1和Uf1分别为主变高压侧、发电机正序电压，Ut2和Uf2分别为主变高压侧、发电机负序电压。
5結束语
张家口电厂于2010年9月开始，利用各机组检修机会，对1#～8#机组陆续增设了RCS-985UP型“机组零功率切机装置”，至今已安全运行近1年，应用效果良好，能够可靠避免张家口发电厂由于线路故障跳闸而引起的机组输出功率突然缺失，进而造成汽轮机设备、锅炉设备和电气设备的损害安全事故，具有重要的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] RCS-985UP机组零功率切机装置技术使用说明书(2011).
[2] 汽轮机调节原理.
[3] 电力系统继电保护原理.
[4] 张家口发电厂电气一次接线图.
关键词：输电线路故障；汽轮机组；机组功率突然缺失；零功率切机；安全停机
Abstract: With the special high-voltage, large power development, power transmission system significantly weaker, line fault trip, a sudden loss of unit output power occurs. In this paper, the main wiring plant in Zhangjiakou, analysis of the unit output power occurs suddenly missing the likelihood of accidents and of the turbine control system, boiler water, auxiliary power systems and other security implications were summarized, Zhangjiakou Power Plant through the application of "zero unit power cutting machine device ", can achieve a quick and safe stop when the accident, the effect is applied to obtain a good experience.Keywords: transmission line fault, steam turbine, a sudden loss of power unit, zero-power cutting machines, safety shutdown
中图分类号：U223文献标识码： 文章编号：
1 引言
随着特高压、大电网的发展及应用，我国在电力输送线路建设中大量采用了超高电压等级、紧凑型线路、同杆架设、远距离输电、串联补偿以及中间开关站等多种新的方法和技术，极大地提高了线路的输电容量，相对减少了输电线路的数量，节约了线路的投资。这些新技术的应用虽然为功率的稳定输出，系统的经济运行提供了有效的保证，但由于电厂输电线路的相对减少，大大增加了输电线路同时故障概率，很容易造成发电厂输出功率突然缺失。
时下大容量机组已成为我国火电建设发展的主流。当由于输电线路故障发生功率突然缺失事故时，比以往小容量机组转速飞升的更快、电压迅速升高，汽轮机调节汽门、锅炉水位以及厂用电系统将剧烈振荡，此时发变组保护装置不能反应此类事故，不能迅速动作，无法触发机炉电大联锁，机组仍处于自动调节状态。大型火电机组具有蒸汽参数高、蒸发量大、转子惯性时间常数小，必将破坏热力系统的水与蒸汽的工质平衡、严重威胁着汽轮发电机的安全运行，甚至可能导致锅炉局部超温爆管和炉膛灭火、厂用电设备损害、汽轮机叶片和大轴损害等严重后果，造成不可挽回的损失。
所以，对于大容量火电机组的发电厂若输电线路相对薄弱的情况下必须另行采取对策，确保机组能够在系统输电线路故障、机组功率突然缺失的情况下快速安全停机是迫在眉睫需要解决的问题。
2 张家口电厂主接线分析
1.1 张家口电厂主接线方式
张家口发电厂隶属于大唐国际发电股份有限公司，在一、二期工程建设后，共安装了8台国产300MW火力发电机组，为京津唐电网骨干火力发电厂。
张家口电厂分别设有500kV母线和220kV母线，#1机组经升压变接入220kV母线，4回220kV出线接入系统；2#～7#机组经升压变接入500kV母线，3回500kV出线接入系统；220kV母线和500kV母线之间设置有一台联络变压器，具体主接线方式见图1和图2。
图1 500kV电气一次系统图
图2 220kV电气一次系统图
1.2 “电厂输出功率突然缺失事故”可能性分析
张家口电厂原有运行方式以2回500kV线路和4回220kV線路接入系统，电厂出线较多且在多个输电通道上，因此发生整个电厂输出功率突然缺失事故概率极小，可不予考虑。
后因多方面原因，电厂系统接入方式调整为：4回220kV线路全部与电网解列，1#机组经联络变接入500kV母线，1#～8#机组全部通过2回500kV线路接入系统，且在靠近对侧变电站部分为同杆并架线路，长度超过10km。该种主接线方式容易因各种原因发生电厂输出功率突然缺失事故，需引起重视。
具体原因分析主要有以下几方面：
① 同杆并架双回线线间故障或异常；
② 同杆并架双回线杆塔故障；
③ 对侧张家口变电站母线故障或其他原因导致全站停电；
④ 系统解列保护停线未停机；
⑤ 500KV断路器失灵保护动作；
⑥ 线路故障或异常导致双回线相继跳闸；
⑦ 控制保护等各种自动化装置误动作；
⑧ 其他原因造成的张家口发电厂与电网解列等。
3输出功率突然缺失事故对张家口电厂的影响
张家口发电厂沙南一、二线由于某种原因相继跳闸后，整个电厂全部失电，8台机组输出功率突然缺失，输出的电功率从满载瞬间降至零，功率平衡瞬间破坏，汽轮机转速迅速飞升，热力系统剧烈振荡摆动，厂用电系统频率急剧变化，对机组安全带来巨大威胁，极有可能发生设备损坏等重大安全事故，造成灾难性损失。江苏某电厂曾发生输出功率突然缺失事故，因发变组保护不能动作，机组剧烈振荡运行超过1分钟，最后造成汽轮机低压缸防爆门损坏，锅炉爆管泄漏重大事故，损失惨重。
3.1 机组功率突然缺失对汽轮机的影响
张家口发电厂8台机组发生功率突然缺失事故时，汽轮机的转速迅速飞升，汽轮机超速保护必然要对超速进行保护和控制。汽轮机转速上升时，OPC保护103%超速保护将会动作并快速动作关闭高中压调节汽门，随后转速开始下降，当转速降到2950r／min时，调节汽门重新又开启，转速再次上升。在此过程中，汽轮机由于处于DEH的自动调节下，极易出现转速反复的升高和降低，甚至超速，这种转速的反复调节和过速必将对汽轮机轴系和尾级叶片带来安全隐患，严重时造成汽轮机设备损坏的重大安全事故。
3.2 机组功率突然缺失对锅炉的影响
线路故障造成机组功率突失时，汽轮机调节气门迅速关闭，必将引起锅炉过热蒸汽压力快速升高甚至失控，如果过热器、再热器安全阀动作，蒸汽大量排空流失，导致汽水系统平衡破坏，除氧器和凝汽器液位都会出现剧烈波动。
锅炉汽包水位剧烈的波动，汽包压力的骤变诱发的虚假水位和蒸汽流量信号的剧烈变化会引起三冲量水位调节的大幅波动，影响水冷壁安全和汽液分离器（汽包炉）的正常工作，即便运行人员解除自动手动操作也会因虚假水位而在误判断，甚至出现锅炉满水或干锅现象，后果不堪设想。
另外，锅炉燃烧强度的突变，燃烧极不稳定，运行人员调整不当，油枪无法快速投入的情况下很容易导致炉膛灭火，给煤系统也会受到较大的冲击，对给煤系统的安全运行带来影响。锅炉燃烧强度突变还会引起炉膛负压的大幅波动，对一、二次风系统带来冲击。
3.3 机组功率突然缺失对厂用电系统的影响
张家口电厂机组功率突然缺失时，汽轮机转速迅速飞升进而转化为反复振荡，引起各发电机机端电压和频率的剧烈变化，高压厂用变所带厂用系统也随之振荡。厂用各电动机的机械均是按照额定频率和电压设计制造的，对电能质量有着严格的要求。当频率和电压急剧变化使所有电动机无法正常工作，极易引起各种故障，导致电动机烧毁损坏，机组不能正常安全停机，甚至出现断油、烧瓦、大轴弯曲磨损等更严重后果。
4机组零功率切机装置在张家口电厂的应用
针对机组满载情况下，线路出线断开机组功率突降为零时快速安全停机的需要，结合大唐集团公司要求在线路故障时保护汽轮机的反措要求，张家口电厂经过反复调研，选用了南瑞继保公司的RCS-985UP型“机组零功率切机装置”。该装置功能为：当发电机组输出功率突降为零时，机组功率切机迅速动作保护出口全停，断开机组出口开关、切换厂用电并对发电机灭磁，同时动作于汽机紧急跳闸保护“ETS”并启动机炉联锁跳闸，确保了机组的快速稳定停机，有效的保证了热力机械设备和厂用电动机的安全[1]。
张家口发电厂采用是利用机组输出功率突降为零时的电气特性，采集发变组有关单元电气量来构成逻辑判据。RCS-985UP型机组零功率切机装置由启动判据、动作判据、闭锁判据三个部分组成，不需要任何开关辅助接点，具有突出的优势特点：
①纯电气量判据，无需辅助接点，提高了动作的可靠性；
②采用功率、频率、电压、电流等电气量的相量和突变量构成综合判据，设计合理，判据完善；
③多重辅助判据，可靠防止PT或CT断线造成的装置的误动作行为。
张家口发电厂零功率切机装置逻辑图3所示。
图3张家口发电厂机组零功率切机装置逻辑图
图中，ΔUt1表示主变高压侧正序电压突增量，ΔUf1表示发电机正序电压突增量，f表示发电机频率，Δf表示发电机频率突增量，PG表示发电机有功功率，ΔIt1表示主变高压侧电流突降量，Ifa、Ifb和Ifc为发电机电流，Ut1和Uf1分别为主变高压侧、发电机正序电压，Ut2和Uf2分别为主变高压侧、发电机负序电压。
5結束语
张家口电厂于2010年9月开始，利用各机组检修机会，对1#～8#机组陆续增设了RCS-985UP型“机组零功率切机装置”，至今已安全运行近1年，应用效果良好，能够可靠避免张家口发电厂由于线路故障跳闸而引起的机组输出功率突然缺失，进而造成汽轮机设备、锅炉设备和电气设备的损害安全事故，具有重要的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] RCS-985UP机组零功率切机装置技术使用说明书(2011).
[2] 汽轮机调节原理.
[3] 电力系统继电保护原理.
[4] 张家口发电厂电气一次接线图.