【典型案例】几起汽门快控误动事件原因分析

近几年来， 国内发生了多起因电网瞬时故障而导致的汽轮机汽门快控功能动作的事件，对机组的安全运行造成严重影响， 甚至造成多台机组同时全停的后果。这些电网故障多是雷击等其他不可控因素引起， 多数为单相接地故障。多起事件事后电气侧数据分析表明， 汽轮发电机实际输出功率的变化并没有达到汽轮机数字电液调节系统（DEH）中关于汽门快控的规定值， 但是相关功能却被触发， 明显属于误动； 查其原因， 发现DEH侧接收到的功率值的确达到了汽门快控的规定值，即DEH 侧接收到的功率信号与电气侧不一致。经过对多起类似事件的调查， 发现问题的关键点是电气侧到DEH 侧传输功率信号的变送器。

二、几起汽门快控误动事件

某发电厂共4 台上海汽轮机有限公司制造的N1000-26.25/600/600（TC4F）型汽轮机， DEH 系统采用西门子T3000 系统。2009 年某日， 1 号、2号和3 号机组运行，4 号机组检修， 运行机组当时负荷分别为680 MW、640 MW 与630 MW。由于雷击，电厂出线B 相发生接地故障， 随后重合闸成功， 电气录波数据显示为B 相瞬时接地电流最大达20510 A， 持续时间约50 ms。机组同步相量测量装置（PMU）中功率测量数据表明1 号、2号和3 号机组功率最低值分别为450 MW、430 MW和410 MW， 但DEH 中显示， 1 号和2 号机组负荷出现了大幅度波动， 最低功率甚至到了负值，3 号机组负荷波动幅度较小。随后检查表明， 1 号和2 号机组汽门快控（负荷瞬时中断控制功能，简称KU 功能）功能动作， 所有调节汽门快关，随后缓慢开启，机组恢复正常运行，3 号机组KU 功能没有动作，电网故障对其干扰很小。

某发电厂9 号和10 号汽轮机为东方汽轮机厂制造的N300-16.7/538/538 型汽轮机， DEH 采用OVATION 公司产品。2010 年某日， 9 号和10 号机组负荷分别为288 MW 和290 MW， 因机械误碰， 电厂出线发生C 相接地故障， 2 次重合闸不成功， 几乎同时， 9 号和10 号机组因DEH 中汽门快控（功率－负荷不平衡， 简称PLU 功能）功能动作， 所有调节汽门快关， 9 号机组锅炉发生主燃料跳闸（MFT）， 10 号机组发电机逆功率保护动作，均导致汽轮机跳闸。电气侧功率测量数据表明，故障时， 2 台机组功率波动均没有超出90 MW，无法满足使PLU 功能动作的“汽轮机机械负荷与电气功率的差值大于40%” 的必要条件， 但DEH中却发出了PLU 功能动作指令， 导致机组停运。

某发电厂3 号和4 号汽轮机为上海汽轮机有限公司制造的N660-25/600/600 型汽轮机， DEH系统采用西门子T3000 系统。2013 年某日， 3 号和4 号机组当时负荷分别为383 MW 和379 MW，由于雷击， 电厂出线B 相故障， 766 ms 后3 号与4 号机组零功率切机保护动作， 2 台机组跳闸，1 050 ms 后关B 相重合闸成功。事件顺序记录表明， 3 号和4 机组零功率切机保护动作之前， 汽门快控（KU）功能动作。随后查明， B 相故障时，KU 动作之前，2 台机组电气侧功率波动很小，3号机组最低只下降到350 MW， 达不到KU 动作规定值， 但DEH 却发出了KU 动作指令。实际上， 就在该事件发生的数天前， 该电厂3 号和4 号机组出线B 相也发生过一次接地故障，电气侧记录数据表明， 当时3 号机组功率从600MW 下降到450 MW， 但并没有造成KU 动作。

三、汽门快控逻辑说明

目前， 国内的主流机型中， 汽门快控功能逻辑构成主要有以下2 种。

（1） 以西门子T3000 系统为代表的KU 功能，满足以下条件之一时， KU 动作触发： ① 负荷较高时， 突然出现负荷干扰大于负荷跳变限值（GPLSP）； ② 负荷较低时， 实际负荷大于负荷负向限值（GPNEG）、实际负荷小于2 倍厂用电负荷的限值（GP2EB） 且负荷控制偏差大于GP2EB。DEH中负荷是接收通过电气侧专用功率变送器传来的信号。误动事件一与误动事件三所涉及的几台机组均使用该逻辑。

（2） 以日立HIACS-5000M 为代表的PLU 功能， 当再热器出口压力与发电机电流之间的偏差超过设定值并且发电机电流的减少超过40%In/10 ms 时， PLU 功能动作， 快速关闭所有调节汽门，以有效减少汽轮机转子转速飞升。在该系统中， DEH 直接使用发电机三相电流信号来表征机组功率， 多年来一直都十分可靠， 但部分电厂出于种种原因， 采用电气侧功率变送器直接将功率信号送至DEH 系统的方式来取而代之， 误动事件二所涉及的2 台机组正是如此。

四、原因分析

比较分析发现，以上3起事件发生时，均是电网出现瞬时故障， 但对机组的发电外送影响很小；虽然电气侧功率变化幅度不大，但是DEH侧功率变化剧烈，导致各类型的汽门快控功能动作条件得到满足，致使汽轮机调节汽门开度大幅变化，部分机组因扰动大而停运。可见，电气侧与DEH 侧功率信号偏差过大是造成汽门快控功能误动的直接原因，而这个传输环节由DEH 系统模拟量输入（AI）卡件和电气侧到DEH 侧的功率变送器两部分组成， 试验结果表明， AI 卡件没有问题；在对功率变送器进行测试时， 却发现其输出容易发生信号畸变。

通过对功率变送器的一系列测试结果表明， 部分功率变送器在其输入值发生快速变化时， 输出值会发生严重畸变， 放大了电网故障信息， 这是造成诸多机组汽门快控功能误动作的根本原因。

目前， 国内多数电厂在电气侧选用的功率变送器为国产三相三线制功率变送器，响应时间一般为250ms左右，测量稳态功率信号时，不存在任何问题。但是当功率突变时，由于响应能力的制约，其输出就可能会产生信号畸变，畸变的结果与多种因素有关。

根据试验， 基本可得到以下结论： 

（1）在电网故障、功率突变时，功率变送器输出功率值畸变的方向与幅值和故障相别有关，与故障时刻有关，也与功率变送器接线型式、生产厂家有关；

（2）从试验结果来看，与同样的三相三线制变送器相比，在电网功率突变情况下，不同的变送器信号畸变根据厂家不同也各不相同； 

（3）将功率变送器由三相三线制改为三相四线制，会降低信号畸变的幅度，改善的水平与变送器的生产厂家有关；

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