[科普中国]-超速保护控制

介绍

第一部分的CIV功能虽然在电力系统甩掉部分负荷时提高稳定裕量，但在很多情况下都由CIV禁止跨接器把它禁止掉，除非用户所在电网认为有必要保留CIV功能，其原因是CIV会给机组带来一些负面的影响。CIV功能主要是依据汽轮机的机械功率与发电机的电负荷不平衡来触发的。

第二部分LDA是在甩全部负荷时关闭高、中压调门，以防止汽机超速，在发电机主断路器断开而实际的超速尚未发生之前发生就已作用。

第三部分的OPC是在机组确实已经存在超速行为之后，通过关闭高、中压调节汽阀来控制超速的。

为了保证超速保护功能的可靠性，所有重要的数字量和模拟量信号都直接输入到OPC单元，模拟量有发电机功率信号，主蒸汽压力，再热蒸汽压力和联通管压力等，开关量信号如汽机挂闸状态(ASL)，发电机主断路器状态(MGB)及自动减负荷(RB)等。所有DEH中共有六个转速信号，其中三个数字量转速输入用于转速控制回路，三个模拟量的转速信号用于103%转速的超速保护控制。二者均采用三取二逻辑。除此以外，上面提到的发电机功率，主蒸汽压力和联通管压力信号也都是采用三个独立的传感器，通过三取二逻辑确保信号的可靠性。1

快关控制问题提出一台机组在电网中与其它机组并列运行时，当电网一路或一相发生故障跳闸时，发电机输出功率变小；由于电网负荷是瞬时变化，加上汽轮机调速系统中存在惯性，动作需要一定的偏差量和时间，故这时汽轮机的机械功率NT可以认为不变。由于汽轮机产生的功率与发电机送出去的功率出现不平衡，过剩的功率ΔN=NT-Ne使汽轮发电机组的转子加速，发电机功率亦随同增大，但仍小于原动机功率NT，假设此时电气保护动作，使转移阻抗重新下降，这时发电机输出功率已大于汽轮机产生的功率（相差的功率由动能转换而来），加速度变为负值，转速开始下降，但实际转速仍然大于发电机同步转速。原加速过程的作功已被减速过程功耗消耗完，但实发功率仍大于原动机功率，即Ne-NT>0，使机组转速继续下降。实际转速已小于同步转速，工作点继续下滑，这样，机组转速将在功率平衡点D的两侧振荡，功角在变化，输出功率亦在变动，通常称之为发电机的同期振荡（这种振荡在自身阻尼作用下会逐步减小直至消失）。实际上，即使电气保护没有动作，也有可能发生同期振荡，其机理与上述所分析的过程是相似的。

实际上，在转速改变时，汽轮机的调速系统亦将动作，使汽轮机产生的功率不再是个常数，而是随转速的增高而减小，使过剩功率N'T-Ne变小，减速功率Ne-N'T变大，使功角在D点两侧的振荡变小，有利于电网的稳定；但由于转速的变化很小，NT的变化亦很小。

以上说明，当电网发生故障后，由于发电机输出功率的减少而汽轮机的原动功率基本不变，使功角δ有较大的变动，输出功率发生振荡，会使电网发生振荡，与之并列机组的负荷亦在振荡，有可能使事故扩大，与原远端受电电网失步，引起电网的崩溃，造成大面积停电。

如上所述，产生这种现象的根本原因是在电网负荷突然减少的情况下，汽轮机产生的功率基本没有改变，使汽轮机产生的功率与发电机输出的功率不平衡。汽轮机的快关控制正是根据电力系统的稳定要求提出来的，根据一定的信号，当甩掉部分负荷时，动作调速系统，瞬时关小汽轮机进汽阀(西屋只关中压调节阀)，减小汽轮机的进汽，使汽轮机产生的原动功率与减小了的电功率相适应，以便维持电网的稳定。

快关动作只是短时间的关闭进汽阀门，暂时缩小电功率与机械功的差距，避免过大的加速度，从而有效地防止过大的振荡甚至失步。经短暂关闭后，进汽阀又重新开启，恢复原来的功率。关闭时间过长还可能会出现过制动。若故障长时间存在，可能危及稳定运行时，则需要减负荷（即降低NT线），此时可按汽轮机常规的减负荷处理，不属于快关控制的范围。

利用汽轮机快关阀门的功能来协助改善电力系统故障时的动态特性，是很有前途的一种措施，七十年代开始各国对这一措施在实用上即开始了试验研究。现有的汽轮机电调系统大多只考虑了局部措施，功能相对简单，使用的名称也各不相同，如美国GE公司的电调系统中此功能称为功率负荷不平衡(POWER-LOAD UNBALANCD简称PLU)，西屋(WH)公司和日本三菱公司的电调系统中此功能包括在超速保护控制中(OVERSPEED PROTECTION CONTROL 简称OPC)，而法国ALSTHOM公司的电调系统中则称之为动态校正(DYNAMIC CORRECTION)等。

执行信号如上所述，执行快关的依据，是汽轮机产生的功率与发电机输出的功率之间发生较大的不平衡，则要求测量汽轮机功率NT和发电机功率Ne。

目前，直接在轴上测量汽轮机产生的功率NT仍有困难，好在对NT的测量要求不太高，因此，常用来作为度量汽轮机产生的功率信号是某中间级压力。对于非调整式抽汽的汽轮机，理论上任何一点的压力都可以用作测量汽轮机的功率，常用的是调节级后蒸汽压力或再热进汽中压调节阀后压力。但西屋公司所用的是中压缸排汽压力，也就是低压联通管处的蒸汽压力，在凝汽器背压一定的条件下，此处的压力一定，流量一定，在此流量下的功率基本上就确定了。当然，调节阀的管理方式(单阀还是顺序阀)，机组运行方式(定压还是滑压)，主蒸汽和再热蒸汽的温度，加热器及旁路的运行方式等都对计算功率有影响，因此，有必要加入一定的修正或补偿，但用汽轮机通流部分的压力作为汽机功率信号，方法是可行的。

发电机的功率可根据电流电压用测功元件直接测量出来，由于发电机的电压在并网运行时变化不大，因而可以简单地直接用发电机的电流信号作为电功率的信号。

在发出快关控制信号(CIV)后，中压调节阀能在大约0.15秒内关闭，关闭持续时间的长短是根据电网稳定性需要和消除故障所需的时间等要求来确定的。中压调节阀快关之后，低压联通管上的压力立即降低，但这不能作为快关恢复的条件，因为电力系统故障消除的时间往往大于蒸汽压力降低所需要的时间，若此时便将中压调节阀重新开启，仍会出现汽轮机功率过大，没有达到快关的目的，故一般在快关控制动作后，不是根据代表汽轮机功率的压力信号变小到一定数值这一条件，而是根据电力系统的需要，规定一延迟时间(0.3～1S)后再开启进汽阀。

快关信号结束后，负荷的恢复是立即完成的。实际上从转子的冲击扭矩和输出功率有较大波动的观点出发，缓慢地恢复出力较好，西屋公司资料中没有提到从复位信号发出后到中压调门全开所需要的时间，这实际上取决于快开电磁阀后节流件的孔径大小。

几个问题1．快关时间

西屋可供选择的快关持续时间为0.3～1秒，典型值为0.5秒。实践证明，快关时间过短时，在第一振荡周期中仍会产生失步，起不到快关的效果，理想的持续时间是在第一次振荡时功率过剩的加速面积等于减速耗功的面积，即功角开始下降时所需要的时间。但持续时间也不宜过长，否则会出现“过制动”，使功角在第二或第三振荡周期中出现最大的δ值。一般地δ取0.4～0.6秒为宜，具体取值仍要根据电网的要求而定。

2．轴向推力的影响

对于大型中间再热机组，由于中间再热容积的滞后作用，加上高压缸占机组总功率的百分数只有25%左右，故快关只关高压调节阀作用不大，西屋选择的是只关中压调节阀，由于中间再热容积较大，关闭后压力升高较小，对高压缸的排汽压力和工作情况影响较小。但对轴向推力影响较大。在中压调门关闭之后，中压缸的轴向推力可认为很快下降到零。而高压缸的排汽压力(中间再热容积内压力)升高较慢，对高压缸轴向推力影响较小，可认为高压缸的推力不变。在正常情况下高压转子的轴向推力方向一般与整个转子的不平衡轴向推力方向相反，在失去中压缸的平衡推力之后，转子向高压缸侧串动，将整个高压缸的轴向推力加到推力瓦块的非工作面上，这个力可能比正常运行时推力瓦块的工作面上承受的力还要大得多，因为正常运行时两缸的推力方向相反，推力轴承只需承受两缸推力之差。加上转子移动的量超过推力轴承内的轴向串动间隙，使非工作面瓦块突然受到一个冲击载荷，容易造成烧瓦的事故，尤其是在发生CIV之前机组原有负荷比较高的情况，问题更加突出。

3．汽轮发电机转子的扭振问题

在汽轮机进行快关控制时，负载突变，使汽轮发电机转子和联轴节螺栓都受到一个很大的冲击扭矩，引起很大的应力。另外，在汽轮机快关时，发电机输出功率总有些振荡，若此功率振荡的周期与转子的扭振频率相近或合拍，则会引起转子的扭振共振，使转子损坏。即使电功率的振荡频率不与扭振频率合拍，若转子扭振频率与工作频率相近时，冲击负荷也会引起转子扭振，使应力增大。这些都是在采用快关控制时应该考虑的问题。

预测功能负荷下跌预测(LOAD DROP ANTICIPATOR-LDA)功能是在机组甩掉全负荷时预防汽轮发电机超速的电超速保护功能。当机组原来稳定运行时中压缸排汽压力（即Crossover压力，又称为OPC压力）高于额定值的30%(数据可调整)，除非压力传感器出现低限故障，若发电机主断路器一旦断开，即说明发电机甩全负荷，LDA立即置位，请求OPC动作，快速关闭高中压调节阀，在实际转速尚未升高的情况下，提早地采取预防措施，避免超速行为发生。此时DEH控制器由负荷控制转为速度控制，而且速度参考值自动地设定为额定转速。当主断路器跳开7.5秒钟(1～10秒可调)，且机组的转速已回到103%额定转速以下时，LDA复位，机组转速由高压调节阀来控制。复位信号也可由断路器闭合或汽轮机跳闸来完成。

从本质上看，负荷下跌预测功能也是通过超速保护控制器，快速泄掉OPC母管中的高压油，导致高中压调节阀失去动力油而关闭的。LDA的目的一是为了防止超速，其二也是希望在断路器跳开后机组能够快速重新并网，故在转速下跌至接近额定转速时(