摘要： 在發(fā)電機(jī)功率監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛采用了功率變送器來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端和負(fù)載端的功率。而發(fā)電機(jī)組的外圍線路故障、內(nèi)部故障和主變?nèi)珘簺_擊等會(huì)引起勵(lì)磁涌流干擾信號(hào)，繼而影響功率變送器的功率測(cè)量。本文提出傳統(tǒng)功率變送器因勵(lì)磁涌流產(chǎn)生輸出信號(hào)變化的原因。
1 背景
發(fā)電機(jī)是現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)中的重要設(shè)備。為保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛采用功率變送器來(lái)測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端和負(fù)載端的功率，以供監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并采取適當(dāng)?shù)目刂啤Ｒ虼斯β首兯推鬏敵鲂盘?hào)的正確與穩(wěn)定對(duì)于發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。
近幾年來(lái)，各地電廠在進(jìn)行對(duì)主變?nèi)珘簺_擊等操作，或者外圍線路發(fā)生故障、投切超大負(fù)荷時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)鄰近發(fā)電機(jī)組的功率振蕩甚至跳機(jī)等故障。
案例一：華能浙江某電廠共 4 臺(tái) 1000MW 機(jī)組。2009 年 8 月 15 日 16 時(shí)左右，#1、#2、#3 機(jī)組正在運(yùn)行，三個(gè)機(jī)組負(fù)荷分別是 680MW、640MW、630MW。之后當(dāng)?shù)赝蝗怀霈F(xiàn)雷暴天氣，16 時(shí) 21 分，各機(jī)組 DCS 系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警，500kV 玉嶺 5430 線地衣、二套分相電流差動(dòng)保護(hù)及后備距離 I 段保護(hù)動(dòng)作，玉嶺 5430 線 B 相接地故障報(bào)警，5012、5013 開關(guān) B 相跳閘，之后重合閘成功，B 相瞬時(shí)接地電流#大達(dá) 20510A，持續(xù)時(shí)間約 50ms。在故障起始至開關(guān)重合閘期間，#1 機(jī)組有功負(fù)荷由 685MW 瞬間降至-30MW，然后回升至618MW。#2 機(jī)組有功負(fù)荷由646MW 瞬間降至 35.9MW，然后回升至 540MW。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)功率變送器備品測(cè)試時(shí)，在輸入平衡的三相電壓、電流信號(hào)時(shí)，結(jié)果符合要求。而用故障時(shí)的錄波測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，變送器兩組輸出信號(hào)分別在故障初期存在突增和突降現(xiàn)象，說(shuō)明功率變送器在 B 相接地故障導(dǎo)致出現(xiàn)涌流時(shí)的測(cè)量存在問題。功率變送器的這一測(cè)量問題可能是該事件的原因之一。
案例二、福建某燃?xì)獍l(fā)電廠跳機(jī)事件。
事件經(jīng)過(guò)：2010 年 5 月 21 日晚 7 時(shí)左右，福建某燃?xì)獍l(fā)電廠 #4 機(jī)組在對(duì)主變?nèi)珘簺_擊時(shí)，正在滿負(fù)荷運(yùn)行的 #3 機(jī)組出現(xiàn)功率超限報(bào)警，引起 #3 機(jī)組保護(hù)動(dòng)作而跳機(jī)。
事件分析與結(jié)論：事后檢查當(dāng)時(shí)的 TCS 功率記錄曲線，發(fā)現(xiàn)在跳機(jī)瞬間 #3 機(jī)組反應(yīng)到 TCS 邏輯控制系統(tǒng)的有功功率測(cè)量值達(dá) 625MW，已超出量程上限。而該機(jī)組跳機(jī)前各主要參數(shù)均未出現(xiàn)異常。#終認(rèn)為，跳機(jī)是因?yàn)?#4機(jī)組對(duì)主變?nèi)珘簺_擊時(shí)，產(chǎn)生了較大的勵(lì)磁涌流，對(duì)電氣二次回路造成較大干擾，使功率變送器測(cè)量產(chǎn)生較大突變。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)時(shí)這種瞬間突變使 #3 機(jī)組的功率變送器輸出達(dá)到 625MW，而 TCS 邏輯控制系統(tǒng)中沒有信號(hào)質(zhì)量的判斷邏輯，于是 TCS 系統(tǒng)誤判為 #3 機(jī)組功率超限，#終造成了 #3 機(jī)組跳機(jī)。
京科電廠在運(yùn)行期間當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，DCS 顯示機(jī)組負(fù)荷從 210MW 瞬間上升至 240MW，發(fā)電機(jī)負(fù)序電流增加至 900A，雖然沒有造成機(jī)組解列，但隱患一直存在。事后檢查電氣設(shè)備均無(wú)異常，結(jié)合故障錄波器綜合分析，系統(tǒng)沖擊引起的勵(lì)磁涌流對(duì)變送器影響所致。
2 原因查找及處理方法
在電廠大型機(jī)組并網(wǎng)或外圍線路出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大瞬間勵(lì)磁涌流。可以確定，這些情況會(huì)對(duì)電氣二次回路產(chǎn)生較大干擾，使電廠其它正常運(yùn)行的機(jī)組功率變送器因檢測(cè)到一定的諧波功率而發(fā)生突變，使干擾進(jìn)一步被放大了。那么，為什么這種突變會(huì)被常規(guī)模擬變送器放大呢，這就要從常規(guī)模擬式功率變送器的原理來(lái)具體分析。以我廠發(fā)變組變送器屏使用的功率變送器型號(hào)為例，型號(hào)為為 FPW-201，采用常規(guī)純模擬電路設(shè)計(jì)，本文簡(jiǎn)稱常規(guī)功率變送器。
三相功率變送器按接方式，可分為三相三線（三相二元件）和三相四線（三相三元件）兩類。其測(cè)量原理是相同的，僅是接線方式不同。三相功率變送器實(shí)際上是把兩個(gè)（二元件）或三個(gè)（三元件）單相功率變送器的測(cè)量相加，從而得到三相總功率。基本原理框圖如圖 1。
圖 1 中的時(shí)分割乘法器電路原理如圖 2 所示。在時(shí)分割乘法器中，如圖 3 所示，待測(cè) 50Hz 電壓（圖3 紫色正弦曲線） 與高頻 1000Hz 三角波（圖 3 綠色三角線）經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生矩形脈沖（PWM 脈寬調(diào)制），每個(gè)脈沖的寬度代表某一時(shí)刻電壓的幅值。
圖 3 中可見，正弦波的#低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈寬寬度#小，正弦波的#高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈寬寬度#大，一個(gè)正弦波被分割成 20 個(gè)脈沖波；這個(gè)調(diào)制出來(lái)的脈沖輸出去切割電流波形，即用電壓變換后的脈沖寬度，去切割這段脈沖寬度里的電流波形，再經(jīng)過(guò) RC 電路積分得到的面積（如圖 3 紅色陰影部分，每段脈沖小于 1ms），就是我們所要測(cè)量的功率值。這個(gè)功率值是機(jī)組功率調(diào)整的基礎(chǔ)。
圖 4 中，下面的藍(lán)色波形代表現(xiàn)場(chǎng)的電流，上面的黃色曲線是功率變送器的功率輸出。從圖 4 中可以看到，當(dāng)瞬間涌流發(fā)生后，電流信號(hào)及變送器輸出均發(fā)生了劇烈的振蕩。
結(jié)合功率變送器的原理，在模擬電路 RC 積分回路中，當(dāng)輸入為階躍信號(hào)（近視于方波）時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出稱為階躍響應(yīng)，其 RC 充放電的電壓、電流變化規(guī)律取決于電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。在一次涌流的影響下，變送器時(shí)分割乘法器中的電壓脈沖寬度沒有變化，但這段寬度里（小于1ms）導(dǎo)通的電流幅值特別大，而且出現(xiàn)涌流時(shí)產(chǎn)生了大量諧波功率，這些影響造成那一小段時(shí)間里的功率大增，功率變送器模擬量輸出也相應(yīng)突增（圖 4 黃色曲線波動(dòng)更大）。
如圖 5 所示，紅色陰影部分在某幾個(gè)地方的幅度增大了，其面積表示的功率也成倍增加，盡管當(dāng)時(shí)該機(jī)組實(shí)際基波功率并沒有那么大。
3 整改措施
①聯(lián)系相關(guān) DEH 設(shè)備廠家對(duì)熱工 DEH 邏輯及控制參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的梳理與完善。
②功率變送器輸出信號(hào)增加濾波環(huán)節(jié)。
③增加變送器的抗勵(lì)磁涌流的能力。
在理想的一定頻率的方波信號(hào)作用下，通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)，可以使電路工作在臨界阻尼狀態(tài)（理想狀態(tài)）。這種狀態(tài)下，不僅輸出的波形平坦，而且響應(yīng)時(shí)間也較短。然而，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況很復(fù)雜，當(dāng)有涌流沖擊時(shí)，其信號(hào)的頻率成分中夾帶著很多不同次數(shù)的諧波量，無(wú)法保證電路始終工作在臨界阻尼狀態(tài)，而大多工作在欠阻尼狀態(tài)。而如果使電路工作在過(guò)阻尼狀態(tài)，則電路的響應(yīng)時(shí)間又會(huì)很長(zhǎng)。變送器的guojia標(biāo)準(zhǔn)及鑒定規(guī)程中要求響應(yīng)時(shí)間小于400ms，而且其基本誤差試驗(yàn)也是要求在穩(wěn)定的參比條件下進(jìn)行。
采用微處理器技術(shù)，通過(guò)數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率計(jì)算。功率測(cè)量值是對(duì)電壓、電流直接進(jìn)行交流采樣得到的數(shù)字量直接相乘后得到，不存在 RC 積分電路的階躍響應(yīng)問題。而且在芯片編程的軟件算法中，利用程序判斷剔除短暫的異常突變信號(hào)，再將測(cè)量到的功率數(shù)值做窗型滑動(dòng)濾波，使得變送器的輸出更加穩(wěn)定。
4 結(jié)束語(yǔ)
由于瞬間勵(lì)磁涌流對(duì)電氣二次回路產(chǎn)生較大干擾，使電廠其它正常運(yùn)行的機(jī)組功率變送器因檢測(cè)到一定的諧波功率而發(fā)生突變。通過(guò)采用數(shù)字式功率變送器，提高變送器的線性度和準(zhǔn)確度高，增強(qiáng)抗干擾性。
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