发电机逆功率保护、程序逆功率

1.1  逆功率保护

发电机逆功率保护主要用于保护汽轮机。当汽轮机自动主汽门关闭，而发电机出口断路器未断开时，发电机将成为电动机运行，即从系统中吸取有功功率，拖动汽轮机旋转。这种运行工况对发电机并无影响，但是对汽轮机而言，长时间无蒸汽运行将会导致排汽缸温度升高及尾部叶片过热。由于汽缸中充满了不流动的蒸汽，它会与汽轮机叶片摩擦产生热，使汽轮机叶片过热和低压缸排汽温度升高，低压缸整体向上膨胀，转子中心上移，在轴承座位置不变的情况下引起机组振动。

图1 逆功率保护逻辑框图

图中：P——发电机有功功率计算值；

Pt、t1、t2——逆功率保护整定值。

    由图1可以看出，当发电机吸收的有功功率大于整定值时，经延时t1发信号、延时t2作用于出口。

因此，逆功率保护能够确切地反应功率反方向的异常工况，及时发出信号，在允许的时间内自动停机。

1.2  程序跳闸逆功率保护

发电机的逆功率保护，除了作为汽轮机的保护之外，还可作为发电机组的程控跳闸启动元件，即称之为程序跳闸逆功率保护。保护的构成框图如图2所示。

图中：K——主汽门辅助接点，关闭后开放保护出口。

    程序跳闸逆功率保护引入K接点，当主汽门关闭后且发电机吸收的有功功率大于整定值时，经延时去启动机组程序跳闸。

2    停机时出现汽轮机超速现象的原因分析： 

2.1  大部分机组正常停机时一般采用下列两种停机方式：

2.1.1  待发电机有功降到零、无功接近于零时，拉开发电机出口开关、汽轮机打闸关自动主汽门；

2.1.2  待发电机有功降到零、无功接近于零时，汽机打闸、由热工保护（借助自动主汽门终端开关闭合信号）动作联跳发电机出口开关；

机组在正常情况下用上述方法停机不会出现问题，但如果汽轮机存在自动主汽门关不严、调节汽门或抽汽逆止门关不严等缺陷时，就有可能发生发电机出口开关断开后（用2.1.1方式停机），汽机打闸关自动主汽门时由于自动主汽门、调节汽门或抽汽逆止门关不严而继续向汽缸返汽，导致机组超速飞车；或关自动主汽门时由于卡涩实际没有关死而其终端误发信号解列发电机（用2.1.2方式停机），导致飞车。

2.2   汽轮机系统故障停机方式：

汽轮机系统故障情况下，由保护动作或值班人员手动打闸将汽机自动主汽门关闭、热工保护（借助自动主汽门终端开关闭合信号）动作联跳发电机出口开关。

汽轮机带负荷运行时，机组突然出现故障需紧急停机，用上述方法带负荷解列发电机将比正常停机时带负荷解列发电机发生超速的机率更大。

2.3  解决办法

将过去设计中使用自动主汽门的终端开关闭合信号联跳发电机的做法改为用自动主汽门辅助接点与逆功率输出相与之后跳发电机出口开关，即自动主汽门关闭后由主汽门的辅助接点去启动程序跳闸逆功率保护，可解决汽轮机超速的问题。

3    汽轮机超速与逆功率运行的危害比较

3.1  汽轮机有三道防超速自动保护和一道手动危急遮断器：

3.1.1  OPC超速保护电磁阀。当汽轮机转速超过103％ n0，且信号可靠时，系统关闭高压调门和中压调门，当转速降回103％ n0以下时，高压调门和中压调门重新开启，汽轮机维持3000rpm转速。

3.1.2  AST自动停机危急遮断电磁阀。危急跳闸装置(ETS)监视机组的某些重要运行参数，其中包括汽轮机转速达110％ n0，当这些参数超过安全运行极限时，将通过此装置给出接点控制信号去控制AST电磁阀，使汽轮机的自动主汽门和调节汽门迅速关闭，以保证机组的安全。

3.1.3  机械超速危急保安器。当汽轮机的转速达110～112％ n0时，飞锤（或飞环）出击，使汽轮机紧急停机。

3.1.4  手动危急遮断器。当运行人员发现汽轮机转速超过110％ n0时，可立即拍打手动危急遮断器，使汽轮机紧急停机。

从以上四点的分析可知，目前汽轮机的防超速保护措施是非常完善的，四道措施同时拒动的可能性非常小，许多人认为汽轮机已无出现超速的可能。但是当汽轮机存在如下缺陷：自动主汽门、调节汽门由于卡涩同时出现关不严现象；抽汽逆止门不严密或联锁动作不可靠；停机或甩负荷时汽轮机旁路系统不能联动开启等时，即使超速保护正确动作仍然无法避免蒸汽进入汽缸，导致汽轮机超速甚至发生飞车的重大事故。

   例如：1999年某地方电厂曾发生一台50MW机组超速事故。其事故原因是由于在机组甩负荷的过程中，抽汽逆止门故障而未能关闭，致使热网蒸汽倒流，从而造成了机组严重超速损坏。

3.2  逆功率保护。目前新投产的发变组微机保护采用双重化配置，有两套完整的主保护及后备保护，极大得提高了保护动作的可靠性。

但是也有许多人认为采用逆功率保护动作实现停机，同样存在许多问题。假如停机或甩负荷时逆功率保护拒动，对于某些有缺陷的汽轮机将是很危险的。如由于掉叶片、大轴严重变形等原因引起的振动紧急停机，由于发电机不解列，汽轮机始终维持3000转/分，不能很快将转速降下来，则将导致汽轮机更大程度的损坏。

    3.3  汽轮机超速与逆功率运行的危害比较

    实际上，通过多年各个电厂运行经验来看，汽机自动主汽门关不严或自动主汽门终端开关误动的机率远比逆功率保护拒动机率大得多，而且超速的危害性要比汽机故障时降转速慢一点的损失要严重很多，此外，即使逆功率保护拒动，还可以人工判断后手动解列，只是稍慢一点而已。超速危害的最严重后果是能使汽轮发电机组瞬间报废，而逆功率运行的危害是使汽轮机转子部分寿命缩短。《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中第9.1.6规定：“正常停机时，在打闸后，应先检查发电机有功功率是否到零，千瓦时表停转或逆转以后，再将发电机与系统解列，或采用逆功率保护动作解列。严禁带负荷解列。”但是汽轮机正常运行时，紧急情况下带负荷解列发电机将比正常停机时带负荷解列发电机出现超速的机率更多。

4     采用逆功率保护停机应考虑的问题

4.1  逆功率保护动作时间问题。

  电气保护中，当汽轮机出现逆功率运行时，首先发信号，延时一定时间后保护动作出口解列发电机，延时时间是根据汽轮机允许无蒸汽运行时间的条件来整定的，通常为1～3分钟。如果将解列发电机方式改由采用程序跳闸逆功率保护动作解列发电机，逆功率运行次数较由自动主汽门终端闭合信号解列发电机的次数多，因此从保护汽轮机角度出发，延时时间可缩短，只要汽机调节系统能躲过并网时由于瞬间出现的逆功率运行引起误跳发电机即可。缩短保护跳闸时间在某些情况下将带来好处，例如，汽机由于掉叶片等故障停机时，自动主汽门关闭后，启动程序跳闸逆功率保护解列发电机，如果延时太长，将会加剧汽轮发电机组的损坏程度。

4.2  提高逆功率保护信号可靠性的问题。

  过去逆功率保护仅从防止汽轮机无蒸汽运行造成汽轮机转子末级叶片发热、轴系振动而设置的，延时时间很长，希望为值班人员提供充足时间去人工干预，以减少不必要的解列发电机。逆功率输入信号没有采取冗余措施。但是按上述建议修改后，逆功率信号成为非常重要的保护信号，逆功率信号拒发会导致自动主汽门关闭后不能尽快解列发电机，而该信号误动时，将导致误跳发电机。因此，建议程序跳闸逆功率保护回路中的输入参数采用三取二方式。

4.3  程序跳闸逆功率保护

   正常运行中，上述汽机故障保护动作关自动主汽门，但自动主汽门关闭不严而立即解列发电机只是带负荷解列可能引起机组超速的原因之一。另一种情况是正常运行时，发电机或主变压器故障保护解列发电机，也可能由于汽机自动主汽门关闭不严而引起超速。如果发电机或主变压器故障时，发电机保护出口先关闭自动主汽门，然后利用自动主汽门的辅助接点和发电机逆功率输出相与之后再解列发电机，即发电机采用程序跳闸逆功率保护方式停机，则可解决超速事故的发生。

但是发电机或主变压器的某些故障是不能等到汽轮机跳闸后再解列，例如发电机定子短路故障、发电机定子匝间故障、发电机转子两点接地、发电机复压过流、主变压器压力释放、主变压器重瓦斯等，对于这些故障的保护动作可直接出口解列发电机和断开MK开关，不可采用程序跳闸逆功率保护。

   可采用程序跳闸逆功率保护的故障有：发电机过电压、过励磁、失磁、对称过负荷、不对称过负荷、变压器冷却器全停等一些不需立即解列发电机的故障。各个电厂的机组不同，保护配置也不同，具体那些保护采用程序跳闸、那些保护不采用程序跳闸应根据各个电厂的具体情况来定。因为发电机带负荷解列可能出现机组超速是很严重的事故，应该通过各种措施来加以克服。

4.4  逆功率保护动作结果

   对于发电机出口开关是非三相机构联动开关时，逆功率保护动作出口应只跳发电机出口开关，而不应同时也跳灭磁开关。

当发电机出现非全相运行时，也即发电机出口开关非全相断开或非全相合上，发电机定子电流三相不平衡出现负序电流及振动，在转子表面感应出两倍工频的电流，引起转子发热，严重时烧毁转子。发电机处于空载状态下发电机非全相运行时无负序电流产生或产生的负序电流很小；发电机出口开关非全相断开、灭磁开关同时断开且原动机的能源供给切断时，发电机产生的负序电流最大，对系统、对发电机的影响也最大，必须立即切断相关电源，由此扩大了事故范围。

   因此在逆功率保护动作跳开发电机出口开关时，灭磁开关未联跳，如果发电机出口开关非全相断开，可立即减小励磁电流，使发电机维持空载运行，然后再根据规程处理。