系统故障引起发电机突甩负荷保护动作分析及零功率保护解决方案介绍

析及零功率保护解决方案介绍

【摘 要】在目前超高压、大电网输电线路建设过程中由于采用紧凑型布局，在发电厂输出线路同时故

障时会造成机组超速，甚至威胁到机组设备安全。本文通过对一起系统故障引起的发电机突甩负荷时录波数

据及报警报文分析，对其中存在的问题进行了总结，并提出零功率保护解决方案。

【关键词】系统故障 保护 零功率

0 前言

随着我国特高压、大电网的形成，在电力输送通道建设中大量采用了紧凑型线路、同杆架设、 远距离输电、串联补偿、中间开关站等各种技术，减少了线路数量，节约了线路走廊。这些新技术

的使用，为功率的稳定输出提供了有效的保证，但由于发电厂送出输电线路的同时故障，会造成机

组无法输出功率，对机组热力设备及安全产生危害和影响。

大型汽轮机组多为超临界或超超临界机组，由于其蒸汽参数高、流量大，转子转动惯量大，当

机组满载情况下发生正功率突降（如唯一的送出线发生故障跳开）时，机组转速迅速上升、主变高

压侧电压迅速升高，锅炉水位急剧波动；此时由于发变组保护不能动作，发电机不能灭磁、锅炉不

能灭火，机组只能在调速器的调节下从超压、超频逐渐转变为低频过程，甚至可能出现频率摆动过

程，对汽轮机叶片也有伤害。因此，当发生发电机正功率突降时，如不及时采取锅炉熄火，关闭主

汽门、灭磁等一系列措施，必将严重威胁机组安全，甚至损坏热力设备。下面对一起系统故障引起

的发电机突甩负荷保护动作情况进行分析，并提出解决方案。

1 故障前运行方式

某发电厂3、4 号机组容量2*660MW，发电机通过主变升压后经500 kV 升压站及岗花Ⅰ、Ⅱ回

线路送至对侧500kV 花都变电站， 500kV 升压站及500kV 花都变均采用3/2 接线方式，岗花Ⅰ、Ⅱ

回线路同塔双回架设。

当时正常运行方式：岗花Ⅰ、Ⅱ回线正常运行，岗5011、岗5012、岗5013、岗5021、岗5022、 岗5023、岗5111DK（500kVⅠ母电抗器开关）断路器合环运行。3 号机组停备，4 号机组负荷300MW，

主蒸汽压力15.2MPa，4B、4C、4D、4E 制粉系统运行、4A、4B 汽泵运行，送、引、一次风机双侧运

行。岗50116 刀闸在断开位置，岗5011617 接地刀闸在合闸位置。

全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集电气篇 375

1

2 保护动作情况

2010 年2 月10 日02:30 集控室灯光闪烁，岗5021、岗5022 开关跳闸，岗花Ⅱ回线失压。检查

发现岗花Ⅱ回线路两套差动保护均动作（保护配置一套为南瑞公司RCS-931A、一套为许继公司

WXH-803A），保护显示A、C 相间故障，开关就地外观检查无异常，岗花Ⅱ回线保护故障测距62.4Km。 03:30 NCS 系统报警岗5012 和岗5013 开关跳闸，岗花Ⅰ回线路失压，4 号机组负荷由300MW 降

到16.7MW 带厂用电运行，4 号汽轮机OPC 动作三次，手动启动大机交流润滑油泵。检查发现岗花Ⅰ

回线两套差动保护均动作（保护配置同岗花II 线），保护显示A、C 相间故障，岗花Ⅰ回线保护故障 测距54.5Km。

03：31 4 号汽轮机跳闸（首出DEH 超速保护，转速最高3307 rpm），汽轮机主汽门及各抽汽逆

止门关闭，锅炉MFT，岗5023 开关未跳闸。

03：34 厂用电切换至备用电源，手动断开岗5023 开关，灭磁开关联跳。05：03 汽轮机转速到

零，启动盘车。

图1 500KV 升压站接线图

3 存在问题原因分析

通过与调度部门联系了解，当晚气温在-8℃左右并伴有大风，岗花Ⅰ、Ⅱ回线在对侧500KV 花 都变附近线路结有浮冰，在大风作用下线路大幅度舞动，造成A、C 相间故障。 （1）线路保护动作正确

500KV 岗花I、II 回线路保护采用双重化光纤差动配置（一套为南瑞公司RCS-931A、一套为许

继公司WXH-803A），并配套配置有独立的远方跳闸保护（南瑞公司RCS-925A 和许继公司WGQ-871A）、

断路器及重合闸保护装置（南瑞公司RCS-921A）和边断路器短引线保护装置（南瑞公司RCS-922A）。

发变组系统配置两套许继公司WFB-805 保护装置及非电量保护装置WFB-804。

全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集电气篇 376

通过故障录波记录数据及线路保护动作情况综合分析，岗花I、II 回线两套光纤差动保护装置

均采集到A、C 相间故障，线路保护动作正确。 （2）发电机没有自动跳闸原因分析

2:30 岗花Ⅱ回线差动保护动作后，岗5021、岗5022 开关跳闸，4 号发电机经岗5023 开关通过

500kV 变电站II 母、岗花I 回线路向外部供电，机组处于正常运行状态。3:30 在岗花II 线故障未

恢复送电的情况下，岗花I 回线差动保护动作，岗5012、岗5013 开关跳闸，4 号机组外送线路中断，

2

机组负荷由300MW 甩至16.7MW 带厂用电运行。因此时与4 号机组高压侧连接的岗5023 开关未跳闸，

至热控DEH 系统关主气门条件不满足，造成汽轮机超速保护动作。汽轮机跳闸后发电机逆功率保护

因无倒送功率，发电机保护无法动作跳闸。此时发变组电气量中电压、电流量均正常，只有频率处

于异常状态，因频率异常保护按照调度指令只投报警，也无法动作跳闸。 （3）厂用电系统无法自动切换到备用电源

汽轮机在超速保护动作跳闸后，发变组逆功率保护和频率异常保护均因不满足条件未动作，6KV

厂用电快切装置（江苏金智MFC-2000）无自动切换命令，无法切到备用电源系统。3:34 在手动跳开

岗5023 开关同时，运行人员手动切换厂用电，厂用电快切装置手动切换在装置内部逻辑采用并联切

换，此时发电机转速已开始下降，不具备并联切换条件没有成功，快切装置在母线电压下降到65%

额定电压时采用“残压”切换的方式将6KV 厂用电压切换到备用变，基本保证了厂用系统设备安全。

（4）OPC 不能维持汽轮机转速3000rpm，引起超速保护动作

岗花Ⅰ回线路跳闸后，岗5023 开关还处于合闸位置，DEH 逻辑判断发电机处于并网状态，DEH

控制在CCS 方式（由DCS 控制），DEH 目标值自动跟踪当前由GV 阀位总给定折算后的负荷值，当时

主汽压为15.2MPa，蒸汽量为300MW 负荷对应的蒸汽量，造成OPC 电磁阀在转速低于3030rpm 后复

位，四个GV 阀又开启到OPC 动作前的阀位，大量蒸汽进入汽轮机，造成汽轮机转速第二次上升、OPC

第二次动作，转速再次下降，OPC 动作复位后，调阀再次开启至动作前位置，转速第三次上升，转

速至3281 时，机械超速保护动作跳汽轮机，首出“DEH 超速保护跳闸”，转速最高升到3307rpm，触

发TSI 超速保护动作。

4 零功率保护解决方案

通过本起案例分析，虽然线路及发变组按照《防止电力生产重大事故二十五项重点要求》及《继

电保护和安全自动装置技术规程》的要求配置了完整的保护装置，但对某种特殊情况仍不能完全起

到保护作用。近些年来，国内已有不少电厂出现了因电网功率突然缺失而导致发电机组热力设备不

同程度损坏的事件，如江苏沙洲电厂600MW 机组功率缺失引发锅炉爆管，陕西府谷电厂600MW 机组、

河北沧东电厂600MW 机组功率缺失后未能快速稳定停机，广东某电厂6 台135MW 机组功率缺失后导

致孤立网系统振荡，直至瓦解，因此必须采取措施进行补充完善。

3

（1）引起发电机突甩负荷的情况 1.1 发变线采用单元制送出方式； 1.2 经3/2 接线升压站，由一路同塔双回线路至同一变电站的送出方式，双回线线间故障或杆塔故

全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集电气篇 377

障等；

1.3 发变组出线送至对侧同一个变电站的送出方式，对侧变电站母线故障或其他原因导致全站停电；

1.4 断路器失灵保护动作或发电机出口开关偷跳； 1.5 系统解列保护停线未停机；

1.6 其他原因造成的发电厂输电通道断开。 （2）发变组保护中频率高保护设置原则

发电机频率高保护一般应采用两段式设置，一段保护定值应在51HZ 左右，动作于报警；二段保

护定值应高于机组OPC 动作值30～60 转/分，延时0.1s 动作于全停，实现关闭主气门及灭磁、切换

厂用电功能。但由于频率保护本身的问题，调度命令一般只投信号不允许投跳闸。 （3）发电机零功率保护功能的应用

当发电机大负荷运行情况下因非发变组单元内继电保护动作发生功率突降为零时，高压侧电压

会急速升高，电流大幅降低，频率也跟着升高，因此根据这些电气量的变化来构成发发电机零功率

保护功能。发电机零功率保护动作后，应迅速切换厂用电并对发电机灭磁，同时作用于锅炉“MFT”

和汽机紧急跳闸保护“ETS”。 4.1 发电机零功率保护原理 图2 零功率保护原理图

其中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，I（Ifa、Ifb 和Ifc） 为发电机

电流，U（Ut1 和Uf1）分别为主变高压侧及发电机电压。

RCS-985UP 零功率保护装置包含两个独立的CPU 系统，分别称为启动CPU 和保护CPU，两个CPU

全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集电气篇 378

系统的低通、AD 采样、保护计算、逻辑输出完全独立，启动CPU 作用于启动继电器，保护CPU 作

用于跳闸矩阵。任一CPU 板故障，装置闭锁并报警，杜绝硬件故障引起的误动。启动CPU 中设置了

独立的起动元件，动作后开放装置的出口继电器正电源；保护CPU 中保护动作元件只有在其自身起

动元件动作后同时启动CPU 起动元件动作后才能跳闸出口。正常情况下装置任一元件损坏均

4

不会引

起装置误出口。

4.2 增加零功率保护注意事项

按照发变组主保护双重化配置的原则，对于继电保护间有预留位置或新建机组可配置一面零功

率切机屏，屏柜内安装2 套保护装置。对于改造设备可以在原保护装置的基础上，按照双重化保护

独立配置的原则，分别与原发变组保护装置共用一个屏柜和电流、电压回路。需要局部改造或增加 的回路有：

4.2.1 将发电机机端电压、电流接入装置对应端子； 4.3.2 将主变高压侧电压、电流接入装置对应端子； 4.3.3 增加独立的保护装置工作电源；

4.3.4 增加独立的保护功能投退压板，并做好标识；

4.3.5 按照双重化原则将跳闸出口并联接入原盘柜跳闸回路； 4.3.6 增加DCS 报警功能；

4.3.7 进行汽轮机“甩负荷试验”时，需退出“发电机零功率”保护压板。

5 结束语

发电机零功率保护是对原发变组主保护的补充和完善，对于各种非发变组保护功能动作引起的

发电机系统孤立、设备损坏事故有较好的保护作用。但该保护装置是在特定条件下提出的，随着继

电保护的发展及保护装置运行，还可能会发现问题或提出更好的解决方案，作为继电保护工作者还

需要在实践中不断总结工作经验，开拓创新，努力提高继电保护水平。

5