火电机组有功功率变送器应用分析

 杨涛，黄晓明，宣佳卓

 （国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州  310014）

摘要：对火电机组常用的模拟式功率变送器进行了暂态特性分析，发现各种型号的模拟式功率变送器均不具备良好的暂态性能，在电网发乍故障或扰动时其输出信号将发生畸变，可能导致机组汽门误动作。通过分析指出了响应时问过长与内部小电流互感器(TA)饱和是模拟式功率变送器输出波形畸变的原因。介绍了一种新型的功率变送装置，对功率变送器应用及改造中存在的问题进行了分析，指出当机组DEH系统中含有汽门快关功能时，须用新型的功率变送装置替代传统的功率变送器，以解决汽门快关误动作问题。

关键词：火电机组：有功功率变送器：暂态性能

中图分类号：TK264.2  DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.06.053.04

0引言

 传统的模拟式有功功率变送器在火电机组中应用十分广泛，其采集发电机电压电流量．利用时分割乘法器原理产生模拟量功率信号。有功功率变送器的功率信号一般被送至系统DCS,分别被ECS、MCS和DEH系统等应用。其中ECS将功率信号用于监控后台显示，MCS与DEH将功率信号作为其测量及控制的基础。GB/T 13850《交流电量转换为模拟量或数字信号的电测量变送器》中对功率变送器的输出精度、响应时间等稳态性能指标有明确规定，目前常用功率变送器的输出精度、响应时间等均能够满足要求．但标准对于变送器的暂态性能（电网发生故障时变送器输出量的特性）并没有要求，变送器产品也不考虑暂态性能。实际上，国内火电机组已发生多起电网故障时由于功率变送器输出畸变导致DEH中汽门快控误动作的事故，有些情况下还造成多台机组的停机，后果相当严重。在以往的应用中一般没有

生产厂家或电厂用户关注功率变送器的暂态性能．但在功率变送器引起多起汽门快控误动事故后．其暂态性能开始引起越来越多的关注，一些电厂已开始着手解决该问题，对传统的变送器进行改造。目前，对于模拟式功率变送器的暂态性能和畸变原因不够了解，模拟式功率变送器是否需要改造及如何改造也是需要解决的问题．因此有必要对传统的有功功率变送器进行暂态性能分析．找出功率变送器发生输出畸变的原因，并根据模拟式功率变送器及新型功率变送装置的特点对火电机组中变送器具体应用进行分析。

1  暂态特性分析

 利用殷图仿真系统搭建仿真模型．在发电厂出线上分别设置单相、相间、相间接地、三相短路等各种故障类型，测试变送器在各种情况下的暂态输出，试验结果及分析如下。

1.1  不同故障类型

 对于某一型号的功率变送器，在各种故障形式下对其进行了暂态性能测试，现以AN单相接地短路、BC相问短路、CAN两相接地短路、ABC三相短路时为例，对实际功率波形与变送器输出波形进行说明（见图1）。由图1可以看出，在各种故障类型下，实际功率波形与变送器输出波形都存在差别，这种差别主要表现在2个方面，(1)从波形上看，实际功率波形为U型，宽度为120 ms左右，而变送器输出波形基本为抛物线形．宽度为280 ms左右：(2)两者变化的大小也有较大差别，对实际功率波形与变送器输出波形均以其功率最小值的点进行比较（下同），变送器输出与实际功率波形存在较大的不同，例如．AN和BN单相接地故障时，发电机实际功率减小20%（本文中的功率变化量均是以故障前稳态功率为参考的相对值），但该变送器实际输出在AN故障时减小7%，在CN故障时减小36%。综合以上2点可知，在电网发生扰动（主变投切等）或故障时，变送器输出波形存在畸变，不能完全真实地反映实际功率变化的情况。

1.2不同型号功率变送器

 在殷图仿真系统搭建的仿真模型中设置各种故障，电厂常用型号的功率变送器输出结果变化值如表1所示。表1中最大值、最小值是指在同一故障类型下不同故障相别及故障时刻情况下的最大值与最小值。由表1巾数据可知，在各种故障情况下，所有被测功率变送器的功率输出均不能完全真实地与实际功率变化保持一致，有些变送器在某些情况下会将实际功率的变化值放大，在另外的故障情况下会将实际功率变化值缩小，如表1中变送器1、2、3；而有些变送器在所有故障情况下均会缩小实际功率变化值，如表1中变送器5。另外，根据表1中测试结果可知，功率变送器的输出结果变化没有规律可循，因此也难以判断出哪个型号的功率变送器暂态性能相较于其他变送器暂态性能更优。

1.3不同接线方式

 功率变送器有三相四线制及三相三线制两种接线方式。在单相接地故障下，对同一厂家及不同厂家的两种接线方式变送器均进行了测试，测试结果如表2所示。表2巾变送器1、2分别为三相四线制及三相三线制，为同一厂家产品：变送器3.4分别为三相四线制及三相三线制、为不同厂家产品，发电机实际功率下降20%。由表2中数据分析可知，变送器l功率下降值小于或等于变送器2功率下降值，但两者的功率下降值均不等于20%：对于变送器3、4，变送器4在BN故障时的功率下降值反而小于变送器3．并且在三种故障情况下功率变化值较为平均。因此，即使对于同一厂家产品，也不能得出三相四线制变送器暂态性能优于三相三线制变送器的结论。

2应用分析

2.1  畸变原因分析

 对目前常用的各种模拟式有功功率变送器进行了暂态性能测试，综合测试结果来看，无论在何种故障情况下，曰前常用的各种型号的功率变送器在电网发生故障时其输出功率信号均不能完全真实且实时地反映发电机实际功率变化，主要存在3个方面的问题：

 (1)变送器输出波形不能完全拟合实际功率波形，即输出波形与实际功率波形形状不同；

 (2)当电网发生故障或出现扰动时，变送器输出会缩小实际功率变化值：

 (3)当电网发生故障或出现扰动时，变送器输出会放大实际功率变化值。

 上述问题(1)、(2)是由于模拟式功率变送器响应时间过长引起。模拟式功率变送器的响应时间一般为250 ms,而高压电网故障时的切除时间一般小于100 ms,变送器响应速度导致其无法准确反应发电机波形的快速变化，从而出现输出波形不能拟合实际功率波形且输出值小于实际值。

 上述问题(3)应是由于变送器内部小电流互感器( TA)饱和引起。传统功率变送器要求保证稳态情况下的输出精度，内部小TA 一般采用测量级TA。测量级TA励磁曲线拐点较低，不考虑TA饱和问题，一般在稳态电流大于1.2倍TA额定电流时即会出现饱和。TA饱和分为由大容量稳态对称电流引起的稳态饱和与短路电流中混合有非周期分量引起的暂态饱和。在电网发生扰动或故障时，故障电流幅值一般将超过内部小TA的稳态饱和电流值，另外，故障电流中一般均含有一定成分的非周期分量，这也将引起小TA的暂态饱和。

 传统的模拟式功率变送器一般采用时分割乘法器原理，对一个周期内的瞬时功率值相加后取平均值，其实质是全功率的有效值。从其原理分析看，即使发电机电压电流巾存在谐波分量及非周期分量，其功率值也不应该出现放大实际功率变化量的情况。因此，变送器发生功率畸变的实际原因应该是故障电流过大或含有的非周期分量导致了变送器内小TA的饱和，从而使参与计算的电流量畸变，导致变送器输出信号放大了实际功率变化值、如果要解决模拟式功率变送器暂态特性不良的问题，那么须考虑变送器内部水TA的饱和问题。

2.2  接线方式的影响

 值得指出的是三相四线制功率变送器暂态性能并不比三相三线制功率变送器暂态性能更好．可以从对上述测试结果的分析中得出该结论。同时三相四线制功率变送器的暂态性能优于三相三线制的想法也是缺乏理论基础的，故用三相四线制变送器取代三相三线制功率变送器的方法并不可取。实际运行中有种观点认为三相三线制功率变送器在电网发生故障时，由于发电机机端电流不再平衡，故三相三线制功率变送器不能真实反映发电机功率。而实际上，只要发电机机端电流不存在零序分量，三相三线制变送器的测量理论基础就是成立的，目前大型发电机中性点均采用高阻接地方式，机端不存在零序电流．故三相三线制变送器理论上在电网故障时是可以测量发电机有功功率的。

2.3应用中存在的问题

 在火电机组中，有功功率变送器的功率信号一般有3个用途，分别用于ECS、MCS. DEH系统。这些系统中的功能应用一般只要求功率变送器提供满足精度要求的稳态功率信号，对于变送器的暂态性能并没有要求。但是当DEH系统中含有KU、PLU等汽门快关功能时，其要求变送器应有良好的暂态性能，在电网发生故障或扰动时也能够真实地反映实际功率的变化。由上述的暂杰性能分析可知，传统模拟式变送器存在暂态情况下波形畸变问题，无法满足要求。因此，当DEH系统中无KU、PLU等汽门快关功能时．传统的模拟式有功功率变送器仍能满足运行需要．无需改造。当DEH系统含有KU、PLU等汽门快关功能时，传统的模拟式有功功率变送器在电网故障或扰动时的输出功率信号畸变可能会导致KU. PLU误动作，给机组安全稳定运行带来影响。据了解，这种电网故障或扰动时由于变送器原因导致调节门动作的情况已经在多台运行机组中出现．严重时引起了机组跳机事故。因此，当DEH系统含有KU、PLU等汽门快关功能时，为防止汽门误动事故，应将传统的模拟式功率变送器改造为具备良好暂态性能的新型的功率变送装置。

2.4解决方案

 由于目前常用的模拟式功率变送器暂态性能均存在问题，用某一型号变送器去替换（改造）已投入运行的功率变送器的做法是不应该提倡的．因为即使对不同型号变送器进行暂态性能对比试验，也很难能够得出某型功率变送器的暂态性能优于其他功率变送器的结论．目前，解决该问题的最根本途径是将传统的模拟式功率变送器替换为新型功率变送装置。新型功率变送装置应能够真实反映功率实际变化，具备良好的暂态性能．同时还应在稳态情况下具备良好的输出精度．这样才能彻底解决该问题。目前这种新型的功率变送装置已经获得了应用。如果暂时无法对变送器进行改造，应考虑给DEH中的汽门快控增加辅助判据或退出该功能，防止可能出现的汽门快控误动情况。

2.5  新型功率变送装置

 新型的功率变送装置原理如图2所示，其通过A/D采集电压电流量，利用功率算法计算有功功率值，输出4～20 m A模拟量，、相比传统的模拟式功率变送器，新型的功率变送装置存在两个优点，一是较为完善地解决了TA饱和问题。值得指出的是当电网发生故障时，变送器内部小TA与机组TA的测量绕组均存在饱和可能，因此即使变送器内部小TA采用了抗饱和能力强的小TA．也依然无法解决机组TA测量绕组饱和的问题。为解决该问题，必须将机组TA的保护绕组及测量绕组均引入功率变送装置并根据运行状态进行切换。在稳态情况下利用测量绕组电流进行功率计算以保证测量精度，当电网发生故障时．功率变送装置切换至保护绕组电流进行功率计算，故障消失后再次切换至测量绕组电流。这种措施是传统的模拟式变送器无法实现的。二是新型功率变送装置的响应时间较快，一般小于30 ms，能够较为真实地反映实际功率的波形变化，对于实际功率波形的拟合度较高。新型的功率变送装置在稳态情况下能够提供精度满足要求的功率信号．在电网故障或扰动时能够保证输出信号的暂态特性，是一种良好的解决方案。

3结论

 传统的模拟式功率变送器均不具备良好的暂态性能．在电网发生故障或扰动时，其输出信号将发生畸变现象。当DEH中无KU、PLU等汽门快关功能时．传统的模拟式功率变送器仍能满足运行需要：但当DEH中含有KU、PLU等汽门快关功能时，应利用新型的功率变送装置代替传统的模拟式功率变送器，以保证功率信号的稳态精度及暂态特性，防止出现汽门误动事故。