汽轮发电机组失步情况对策

前　　言
　　大机组与大电网的相互影响与协调是直接影响电力系统安全运行的重要问题。机网协调的重要问题之一是关于发电机的失步振荡问题。汽轮发电机带励磁失步是电力系统中难以避免的故障，这种故障如果处理不及时，往往会发展成为长时间大面积停电的系统大事故，国内外电力系统已有多次这方面的教训。为此，要求大机组具有必要的承受失步振荡能力。另一方面，机组容量越大，抗电气扰动冲击的能力越低。所以，在大机组投入系统运行后，如何处理保机组安全性与保电网完整性的矛盾，是一个严峻的实际问题。
　　汽轮发电机组在失步情况下是否允许短时运行，国际大电网会议（ＣＩＧＲＥ）等国际组织在80年代初进行的一系列调查充分说明，各国电力部门的意见是很不一致的。对失步振荡影响的研究也不够，很多问题还缺乏明确的结论，更没有形成标准。
　　我国早在 1989 年曾召开大电网与大机组技术政策研讨会［1］，会议文件要求：“大机组应有短时承受电网振荡冲击的能力”；“电网应采取措施力争减少振荡事故，对一旦发生的振荡应有预防措施，使其迅速平息”。华北电网制定的《发电厂并网运行安全性评价办法》（试行稿）也要求：“发电机应具有一定的耐振荡能力，并应具备完善的防止振荡和失步的技术措施。”
　　本文是在华北电力技术院的大力支持和组织下，研究分析了大量有关资料，特别是一些国际组织的研究成果，以及各系统、各制造厂的实践经验基础上，提出汽轮发电机组应具有的承受失步振荡的能力，作为新订购机组的规范要求。
　　1 电力系统的失步振荡及对机组的要求
　　电力系统稳定破坏是运行中不可完全避免的。我国电力系统的电源备用容量一般不大，电网结构一般较为薄弱，按安全稳定标准规定，在多重性故障情况下，系统可能发生振荡。为了防止发生全网性大停电，保持电网的完整性，迅速恢复全网的正常运行是极为重要的。
　　如果电力系统失步不是给机组造成损害而需立即解列外，宜由系统控制处理。在我国，有过很好的正确处理系统失去稳定后的成功经验，其中心环节是，当系统发生振荡后，努力保持电网的完整性，即不允许线路任意跳闸，也不允许机组任意解列，以便尽快恢复系统稳定运行。
　　对大型汽轮发电机组承受振荡的能力，现在尚没有正式的国际标准，各国的要求也不一致。某些国家希望保持机组于系统经历较多的滑差周期数（如法国要求 20 个滑差周期）以实现有利于电网稳定性的可控的网络解列［2］。俄罗斯的有关规程［3］要求：在发生失步运行状态时，为了终止这种状态，应尽可能首先实施有利于再同步的措施，例如：在功率欠缺地区使汽轮机迅速增加出力或切除部分用户在功率过剩地区，通过调节汽轮机调速器，以减少发电功率或切除部分发电机。如果这些措施经过给定数量的振荡周期后，或者失步持续时间超过给定限值后，仍不能实现再同步，则应在给定地点自动解列电力系统。该时间一般不大于15～30 ｓ（短时间对应于火电厂再同步的情况，长时间对应于水电站的再同步情况）。
　　2 失步振荡对汽轮发电机组的影响
　　2．1 失步振荡对机组轴系疲劳损耗的影响
　　分析表明，简单的失步振荡尚不会对机组轴系疲劳呈现特别严重的情况，初步认为大型发电机的设计可承受一定数量的带励磁失步振荡周期［4］。但失步振荡往往是在短路和短路故障切除后发生的，短路和故障切除都会对轴系产生影响，并可能累加而形成比失步本身高得多的轴系扭应力。 严重的是，在发电机近处三相短路延时切除导致失步的情况［4，5］。所以，探讨失步振荡对机组轴系疲劳的影响，还需要考虑同时发生的相关扰动。
　　大量研究表明，电力系统中有多种扰动引起的机组轴系扭应力可能远大于以往认为 严重的机端三相短路，其中包括发电机近处三相短路延时切除后引起的机组失步。因此ＣＩＧＲＥ 和 ＩＥＥＥ 等国际学术组织从 70 年代末起一直致力于调查分析各国有关的研究成果和运行实践，并力图制定有关的国际标准。
　　文献［5，6］ 对各国关于汽轮发电机扭振损伤风险的大量研究结果总结后指出：汽轮发电机在系统三相短路后失步， 不利情况可能使机组轴系寿命损耗达 20％，但是，出现这种扰动的概率是很低的，总的损坏风险不大。
　　ＣＩＧＲＥ 报告［5］ 根据德国、瑞士、荷兰等国的多个发电厂的汽轮发电机扭振试验资料，给出 严重情况下的近处三相短路延时切除后失步运行一次的计算寿命损耗结果，如图 1 所示。

 

图 1 严重故障 不利情况下引起的各种汽轮发电机轴系疲劳累积
　　图 1 中还列出了机端三相短路一次、105°误并列一次、近处三相短路在 7．5 工频周期内切除 3 次的轴系疲劳损耗情况。ＣＩＧＲＥ 工作组 ＷＧ11－01 在
1992 年建议［7］以上述几类故障及次数作为考核汽轮发电机轴系疲劳累积的严重故障标准组合，并要求累加的轴疲劳寿命损耗不得大于 30％。
　　失步振荡对机组轴系的扭应力与电网运行方式、引起失步的故障类型、故障点距离、短路及切除时刻等多种因素有关，因而其影响后果可能在很大范围内变化。上述作为机组轴系设计标准的事故系列是按可能的 严重条件考虑的。作为失步振荡允许条件，确定一种合理的故障条件和实用计算方法是必要的。
　　2．2 失步振荡电流对发电机绕组的影响
　　失步运行时，如发电机电势与系统电势相差 180°，发电机定子电流可能达到很大值，甚至大于机端短路电流。发电机失步振荡电流即使小于机端短路电流，但因它是重复出现的，对发电机端部绕组机械的损伤要比短路电流危险因此，确定一个振荡电流允许极限是必要的［4］。
　　发电机定子端部绕组所承受的电动力与冲击电流的平方成比例，如果失步振荡电流不超过三相短路电流的 70％，则其电动力不超过三相短路的 1／2。这种情况下的机械应力应该是可以允许的。前苏联关于非同期合闸的允许条件之一也是合闸冲击电流不超过三相短路电流的 70％。
　　汽轮发电机绕组按发热条件允许的时间可按下式确定：

ｔ＝37．5／Ｉ2－1

式中，电流 Ｉ 是有效值。考虑到振荡电流幅值是波动的，设其 大幅值为 Ｉｍ ，可以证明，振荡电流包线的有效值为 Ｉｍ／，而振荡电流的有效值则为包线有效值的
1／，即 Ｉｍ ／。相同幅值的稳态交流电流的有效值为 Ｉｍ ／。所以振荡电流在绕组中的发热量（正比于Ｉ 2ｔ）约为相同 大幅值稳态交流电流发热量的 1／2。当振荡电流幅值不超过发电机变压器组高压侧短路电流（约 2．5 倍额定电流）时， 以
0．5×2．52 代入上式中的 Ｉ2 进行计算，可得允许时间约为 17．6 ｓ。
　　3 汽轮发电机失步状态的处理策略
　　3．1 世界各国处理策略的调查情况
　　80 年代初，ＣＩＧＲＥ 在对各国关于汽轮发电机轴系扭应力的大量调查［2，5，6，8，9］ 中列举了各国处理失步状态的策略：
　　（1）1985 年，ＣＩＧＲＥ 继电保护分委会报告［2］指出：所有处理系统扰动的措施对发电机组和对输电网络的效果必须协调。许多情况下，这些措施有着相反的影响。在某种电网扰动情况下，及早将汽轮发电机组从电网解列将得到较高的防止疲劳损伤的安全性，但增加电网的风险（整体性、稳定性）；延迟解列维持了电网整体性，但要承受较大的汽轮发电机疲劳损伤风险。所以，决策问题通常是很复杂的，对某些问题，根据各个电力系统的情况，可能导致相反的决策。一个例子是在失步状态下解列汽轮发电机组的准则某些国家希望保持机组于系统经历较多的滑差周期数（如法国要求 20 个滑差周期）以实现有利于电网稳定性的可控的网络解列。主要的强电网公司和大多数制造厂要求在第一个滑差周期不延迟解列大机组，以保护汽轮发电机轴系免于疲劳寿命损失。
　　（2）1980 年，ＣＩＧＲＥ 发电机分委会 ＷＧ11－03 的报告［8］指出：英国的意见倾向于在继电保护装置检测到滑极状态时，尽快将机组从电力系统解列。美国推荐发电机保护应包括能够检测任何失步状态，并在第一个滑极周期断开机组的继电保护。而法国则认为大型汽轮发电机（≥1 000 ＭＷ）可在滑极数超过 20 个时解列。
　　（3）1980 年，ＣＩＧＲＥ 发电机分委会 ＷＧ11－03 提出的《发电机若干异常运行导则》草案［9］指出：失步运行，……目前广泛采用不同种类的带或不带短延时的继电保护，将涉及的部分电力系统解列的做法，在大多数情况下应该认为是合理的。但也会有例外，有的电力系统结构简单，可能发生经单一联络线（一般由同一路径的并联回路构成）互联的两部分间的失步。如果在这 2 个系统间没有重要的中间负荷，同时有很大的联络线阻抗足以限制发电机失步运行时的发电机电流及电磁力矩到允许的水平，则可以增加上述继电保护的时延，以期取得再同步而不必跳闸，这种做法在某些国家是允许的。就运行而论，可以推荐，如果联络阻抗值足以限制发电机的电流和力矩到机端三相短路及相间短路数值的 60％～70％ 时，允许此种运行，但是此数值不适用于在强的或弱的电网发生故障时，随之经极少数（1～2）个滑极作再同步可能性尝试的情况。
　　（4） 1977年，ＣＩＧＲＥ 继电保护分委会 ＷＧ34－01 报告［4］指出：如失步运行的振荡中心通过输电系统，一般发电机不应跳闸。如果振荡中心通过一个或几个发电机或其升压变压器，通常 好是无延时断开受影响的机组，因为快速再同步是不太可能的，并且在此时间有失去辅机的风险。再者，快速解列失步的大型机组可减少其他同步运行的发电机失去辅机的风险。
　　以上所述允许振荡运行的条件中，文献［9］的振荡电流为机端短路电流的60％～
70％，与文献［4］的振荡中心通过机组以外的系统在本质上是相当的。
　　3．2 我国若干进口大型汽轮发电机组的有关规定
　　（1）1994 年投产的 广东核电站与 ＧＥＣ 关于 900 ＭＷ 机组订货合同附件 5 规定：发电机以 15％ 电抗升压变压器接于短路容量为 3 000～43 000 ＭＶＡ的电网，在三相或两相短路以 0．11～1．5 ｓ 时间切除后：① 或者重新同步；② 如不能再同步，从故障时刻起，可至少不同步运行 20 个振荡周期。这种情况可允许 100 次。
　　（2）1996 年投产的 ＧＥＣＡＬＳＴＨＯＭ 关于沙角 Ｃ 厂的 667 ＭＷ 机组合同的规定：电网高压侧故障引起的带励磁失步运行，对于三相或两相故障 1 ｓ切除，每年一次。失步运行按 ＣＩＧＲＥ 1980 年会 11－13 报告：发电机可按上述报告所述失步条件运行多达 5 个振荡周期。此后，如仍不能恢复稳定，则发电机跳闸。
　　（3） 元宝山 1978 年投产的法国进口 ＣＥＭ 300 ＭＷ 机组，使用 ＢＢＣ 保护。当系统失步，每一振荡周期都小于 2 ｓ，振荡延续时间达 20 ｓ 时跳闸。
1985 年投产的 ＡＬＳＴＨＯＭ 600 ＭＷ 机组的失步保护反应在 5 ｍｉｎ 内每次振荡角度超过 150 °，振荡周期超过 20 个时跳闸。
　　（4）美国某著名工程咨询公司为我国某电厂 600 ＭＷ 发电机组提供的咨询意见（根据美国一主要制造厂的标准）指出：发电机失去同步认为是一种非正常情况，对发电机应进行保护。假设在典型的变压器阻抗和系统电抗下，发电机可以承受滑极事故达 5 个滑差周期。这是假定发电机转速按预期要求在 112％ 额定转速以下（滑差频率小于 6
Ｈｚ），否则汽轮机将超速跳闸。保护可用于使发电机在第一个滑差周期跳闸。推荐在失步状态被保护继电器确认后尽快从系统跳开。
　　3．3 我国的有关规定和研究论述
　　（1） 1999 年国家电力公司考试合格颁发的《汽轮发电机运行规程》［10］指出：发电机发生剧烈的振荡或失去同步时，电气值班员应增加发电机励磁和适当降低发电机有功负荷，以创造恢复同步的有利条件。如果采取上述措施仍不能恢复同步时，则根据现场规程规定时间（或振荡次数）或调度的命令，将发电机或发电厂的一部分与系统解列。
　　（2）我国继电保护国家标准［11］规定：对失步运行，300 ＭＷ 及以上发电机宜装设失步保护。……通常保护动作于信号。当振荡中心在发电机变压器组内部，失步运行时间超过整定值或电流振荡次数超过规定值时，保护还动作于解列。必要时并应装设电流闭锁装置，以保证断路器断开时的电流不超过断路器额定失步开断电流。
　　（3）我国学者的有关专著［12］指出：对 2 极汽轮发电机组是否必须装设失步保护，当因情况而异。但如果装设失步保护，则应当满足以下要求：① 只有当振荡中心落在发电机变压器内部时才允许失步保护启动；② 对于振荡摆角小于 120 °～150 ° 可以恢复的系统摇摆不启动；③ 只有当失步保护启动元件在规定时间内动作 5～20 次后才允许动作于跳闸。
　　4 结束语
　　发电机失步是难以完全避免的故障，处理的对策应兼顾系统和发电机两者的需要和可能。当失步振荡中心位于发电机变压器组以外的线路上，或振荡电流小于 0．6～0．7 倍机端短路电流（两者是大体相当的）时，国际上普遍认为机组可以短时间运行。在这种情况下，消除失步振荡宜由系统控制装置来处理而不是发电机保护。系统控制装置可根据系统条件实现再同步或在适当地点解列，解列装置通常还应考虑后备。为实现再同步或后备解列，需要一定时间。为此，要求电力系统新订购机组应能承受短时间失步振荡，例如 15～20 个振荡周期或相应的时间。
　　失步振荡中心位于发电机升压变压器组内部时，可能对机组产生较大的危害。故允许启动发电机失步保护无延时跳闸。
　　限制汽轮发电机失步运行的主要因素是其轴系扭应力，确定扭应力的准则应全面考虑系统的扰动情况，ＣＩＧＲＥ ＷＧ11．01 于 1992 年提出的设计准则考虑了电力系统的典型严重故障及其出现概率，其中包括了 恶劣条件下的发电机近处三相短路延时切除引起的失步。这个准则应该是国际上普遍能接受的，因此将其作为新订购发电机承受失步振荡能力的条件是适当的。