600MW火电机组发变组保护装置的现状探析
时间：2021-01-28 22:05:42 来源：达达文档网 本文已影响 人 
张永鹏
摘要：目前我国运行的火电机组中，600MW及以上容量等级机组逐渐取代300MW等中小容量机组，成为电力系统中的主力，其安全稳定运行，对电网的重要性与日俱增。因此，相应保护装置的安全稳定运行，对电力系统的安全，具有重要的意义。本文针对目前600MW火电机组发变组保护装置的现状进行了分析，对装置运行中存在的问题进行了讨论，并对下一步的发展方向进行了探讨。
Abstract：
Among the thermal power units currently operating in China， 600MW and above capacity class units have gradually replaced 300MW and other small and medium capacity units， becoming the main force in the power system， and their safe and stable operation has become increasingly important to the power grid. Therefore， the safe and stable operation of the corresponding protection device is of great significance to the safety of the power system. This paper analyzes the current status of the protection devices of the generator transformer unit of 600MW thermal power units， discusses the problems existing in the operation of the devices， and discusses the next development direction.
关键词：600MW发电机组;发变组保护;研究现状
Key words：
600MW generator set;generator transformer group protection;research status
中图分类号：TM774;TM621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）25-0113-02
0 引言
伴随着电力系统的快速发展，发电产业相关技术也得到长足进步，大容量、高能效的超临界、超超临界火电机组，正逐渐取代以往的常规亚临界中小容量机组，成为火电机组的主力。因此，提高600MW等级机组保护装置的可靠性，对于电力系统的安全稳定运行，具有非常重要的意义。
1 600MW等级火力发电机组发变组保护配置现状
600MW火力发电机组发变组保护配置方案相较于300MW机组，并无本质不同。从保护范围来看，同一套发变组保护装置，可分为发电机保护部分和变压器保护部分，分别为发电机、主變、高厂变及整个发变组系统提供保护。通常情况下，单独设立启备变保护柜，为启备变提供保护。在发电机保护部分，通常配置发电机差动、发电机过流、发电机逆功率、发电机过负荷、发电机频率异常、发电机定子接地、发电机转子接地、发电机失步及励磁系统过流、过负荷等各类电量保护，确保发电机在内外部发生故障、系统发生异常或事故时迅速解决，避免事故扩大，确保人身、设备及电网安全。变压器保护部分，通常配置变压器差动、发变组差动、变压器零序差动、变压器复压过流、变压器过激磁等各类电量保护，确保主变、高厂变在发生各类内外部故障的情况下，能够迅速脱离运行状态，确保人身、设备及电网安全。除以上电量保护外，发变组保护通常还配置有各种非电量保护，如发电机断水、变压器轻、重瓦斯、变压器绕组温度等，与其他外部保护装置共同构成完整的发电机-变压器组保护方案。根据国电调[2002]138号“关于印发《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求继电保护实施细则》的通知”要求，除非电量保护外，保护装置必须严格按照双重化配置，至少应满足以下要求：①两套微机型保护装置（包括出口跳闸回路）应完整、独立安装在各自的屏内，之间没有任何电气联系。当运行中的一套保护因异常需退出或检修时，应不影响另一套保护的正常运行。②双重化配置的每套保护装置均应配置完整的主保护及后备保护;双重化的同一种保护尽可能采用不同原理。③双重化配置的每套装置的交流电压和交流电流应分别取自电压互感器和电流互感器互相独立的绕组，其保护范围应交叉重迭，避免死区。在我国现有的主流发变组保护装置生产厂商中，如四方、南自、南瑞、许继等，其所提供的发变组保护方案，基本与上述方案相同，仅在各自的元器件选择和部分保护原理的选择上存在一定的差异。由此可见，在目前阶段，我国600MW等级火力发电机组发变组保护装置水平已相当成熟。
2 600MW等级火力发电机组发变组保护运行情况探讨
虽然现阶段我国600MW等级火力发电机组发变组保护装置水平已相当成熟，运行情况非常稳定，但在实际的运行中，相关的发变组保护故障，仍时有发生。从故障发生的类型看，有装置自身元器件不稳定的原因，有装置自身设计缺陷的原因，也有所选择的保护原理存在一定保护盲区的原因。
2.1 元器件的稳定性直接影响保护装置的稳定性 就现有的发变组保护装置而言，早已实现全面微机化、集成化。相较于以前由各独立保护元件构成保护装置的方式，微机化的发变组保护装置，以其简洁的外部接线方式、高度集成的内部结构、完善的动作判据，将现代发变组保护装置对外部回路可靠性的依赖降至了最低，极大地提高了保护动作的可靠性。但与此对应的，则是保护装置对其自身元器件可靠性的要求大幅度提高，元器件的可靠性直接影响到了装置的可靠性、稳定性。
以某电厂发变组装置为例，其发变组保护装置在投入运行几年后，在短时间内，连续多次发生发变组主断路器无征兆跳闸。每次跳闸后，检查发变组相关设备均未发现异常。其后，考虑到该发变组保护装置投入运行已超过5年，电源插件长期带电运行，怀疑电源插件性能不稳定导致保护装置误动，随即对电源插件进行了更换。更换后，相关故障消失，机组恢复稳定运行。
在此例故障中，发变组保护及断路器本身并不存在故障，仅仅因为电源插件的不稳定，就导致装置误动引发机组跳闸。在实际运行中，此类故障其实并不鲜见，因个别元器件自身的故障，如CPU故障、接线端子开路、短路造成的装置误动，时有发生。因此，提高装置元器件本身的可靠性，对于提升发变组装置自身的可靠性具有极大的意义。在实际中，往往采取定期更换易损器件乃至定期更换装置的方式，来解决元器件自身稳定性的问题。在设计、订货阶段，则常采取指定某些特定器件品牌的方式，来约束生产厂商尽量采用可靠性高的产品，以提高装置的可靠性水平。如在发变组保护招标技术规范书中，通常会指定接线端子品牌或制定短名单，以避免投标的生产厂商为降低成本而采用低可靠性的产品。
2.2 部分保护原理自身存在缺陷 相较于300MW机组，600MW等级机组的发变组保护装置，虽然在设计上更为完善，但大部分保护原理并未发生变化，这就决定，大部分300MW等级机组发变组保护装置存在的原理缺陷，仍可能在600MW等级机组发变组保护装置上得到延续。
例如，比例制动式纵差保护因其具有灵敏度高、外部故障制动特性好、易于用软件方式实现等优点，在微机发变组保护中被广为采用。但是，纵差保护在具有以上优点的同时，也存在只能保护横向故障（发电机、变压器相间短路及接地短路等），不能保护纵向故障（发电机匝间短路、开路）的固有原理缺陷，在用于发电机保护时，必须与专用的发电机匝间保护配合。在发电机匝间保护因故退出运行时，当发电机发生诸如匝间短路等纵向故障时，将不能正确动作，导致设备受到损害。比例制动式纵差保护对电流互感器的变比和二次负荷的合理选择存在依赖，当电流互感器变比和二次负荷选择不合理或存在缺失时，比例制动式纵差保护将有可能因受到暂态不平衡电流的影响而误动，导致发变组装置可靠性下降。此外，当比例制动式纵差保护用于变压器时，由于其无法区分涌流与故障电流，在很多情况下，它也无法躲过空载合闸时的励磁涌流，造成保护误动。
由此可见，尽管作为大容量机组的保护装置，600MW等级火力发电机组的发变组保护装置普遍较以前中小容量发电机组保护装置的可靠性更高，保护种类更为完善，但由于本身系从以前的装置逐渐改进完善而来，中小容量机组发变组保护存在的部分原理缺陷，也存在着被现有保护装置继承下来的可能性。由于此类固有原理缺陷较为隐蔽且容易被人忽视，因此在实际的装置设计及运行中，也应引起足够的重视。
2.3 雙重化保护配置还有完善空间 为提高发变组保护装置的灵敏性，防止保护拒动，按照“二十五项反措”要求，在600MW等级的火力发电机组中，发变组保护均采用双重化配置。此项措施极大地提高了保护装置的可靠性，确保了大容量机组的安全稳定运行，但在实际运行中，发变组保护的双重化配置仍有完善空间。
2.3.1 仍未完全解决保护范围存在死区的问题 按照反措要求，双重化配置的同一种类保护，应尽可能的采用不同的原理。此举虽然解决了不同保护原理之间的固有缺陷问题，但并未完全解决保护范围存在死区的问题。保护双重化配置的实质，是各类不同原理保护的整合，不同类型的保护之间的配合问题，仍未得到彻底的解决。以前述比例制动式差动保护的固有缺陷为例，在发变组保护的典型配置中，若发电机定子匝间保护因故退出运行，则发变组保护装置将丧失有效切除发电机匝间故障的手段。
2.3.2 不能解决厂家设备固有缺陷的问题 在目前600MW等级火力发电机组发变组保护的典型配置中，虽然按照双重化原则进行了配置，但在大多数情况下，均采用同一厂家的设备。此举固然令设备易于维护，减少了备品备件的种类，但若设备存在统一性的缺陷，如同一批次的芯片存在瑕疵、同一批次的控制软件存在BUG等，均可能导致保护的双重化配置失去其应有的作用。反观电网侧，在线路保护上，不仅提出了不同原理的要求，近年来还提出了不同厂家的要求，有效的解决了厂家设备固有缺陷的问题。
2.3.3 双重化配置方案还有进一步提升的空间 除前述的厂家设备固有缺陷外，双重化配置虽提高了保护装置的灵敏性，减少了拒动，但却增加了误动的可能。按照双重化配置的典型要求，双重化配置的每套装置的交流电压和交流电流应分别取自电压互感器和电流互感器互相独立的绕组、保护出口需作用于独立的跳闸回路，这不仅使二次回路的接线变得更为复杂，也使得相关故障的可能性增加，增加了保护误动的可能。如何在确保灵敏性的同时保证装置的可靠性，发变组保护装置的双重化配置方案，仍有进一步优化的空间。
3 600MW等级火力发电机组发变组保护发展的展望
随着经济的高速发展，我国电力系统也取得了长足的进步，600MW及以上等级的大型火力发电机组，在电力系统的地位亦日趋重要，逐渐成为电网的主力机组。作为机组保护的重要一环，发变组保护能否安全稳定运行，对机组乃至电网的安全至关重要。从目前的情况看，大容量机组的发变组保护装置虽日趋完善，但仍谈不上取得重大创新和进步，更多的是对以前小容量机组保护的改进。随着技术的发展，相应的保护技术仍有极大的发展和突破空间。例如，目前的典型配置中，输入保护装置的电流、电压等电气量，仍然采用电缆连接的方式，并未解决诸如电缆施放量大、电缆管架布线复杂、二次电缆易受干扰等传统问题。随着5G技术的成熟与大规模应用，相关电气量的传输，是否存在就地直接转换为数字量，通过5G等先进通讯手段直接传送至保护装置的可能性？又如，随着人工智能技术的发展，是否存在引入智能AI库，在保护装置中通过分析各电气量，直接判断故障类型、故障地点并采取对策的可行性？由此可见，随着技术的发展与突破，大型机组的发变组保护装置，仍有很大的发展和想象空间。
4 结束语
综上所述，600MW火力发电机组的发变组保护装置虽已具有非常成熟的设计与运行经验，但仍存在着相当大的改进、完善空间。随着技术的发展、电网规模的扩大，如何在新形势下确保机组的安全稳定运行，仍是相关从业人员的重大挑战与机遇。
参考文献：
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