超速保護控制

超速保護控制單元(OPC)的最初目的是預防汽輪發電機組超速，避免機組轉速超過110%額定轉速而使汽機跳閘。此外在電力系統故障甩去部分負荷時，幫助提高電力系統的穩定性。這要依靠以下三個功能來實現：中壓調門快關功能(CIV-CLOSE INTERCEPTOR VALVES)；負荷下跌預測功能(LDA-LOAD DROP ANTICIPATION)；超速保護控制功能(OPC-OVERSPEED PROTECTION CONTROL)

基本介紹

• 中文名：超速保護控制單元
• 外文名：Over speed Protect Controller
• 縮寫：opc
• 功能：避免汽機跳閘

介紹

第一部分的CIV功能雖然在電力系統甩掉部分負荷時提高穩定裕量，但在很多情況下都由CIV禁止跨接器把它禁止掉，除非用戶所在電網認為有必要保留CIV功能，其原因是CIV會給機組帶來一些負面的影響。CIV功能主要是依據汽輪機的機械功率與發電機的電負荷不平衡來觸發的。

第二部分LDA是在甩全部負荷時關閉高、中壓調門，以防止汽機超速，在發電機主斷路器斷開而實際的超速尚未發生之前發生就已作用。

第三部分的OPC是在機組確實已經存在超速行為之後，通過關閉高、中壓調節汽閥來控制超速的。

為了保證超速保護功能的可靠性，所有重要的數字量和模擬量信號都直接輸入到OPC單元，模擬量有發電機功率信號，主蒸汽壓力，再熱蒸汽壓力和聯通管壓力等，開關量信號如汽機掛閘狀態(ASL)，發電機主斷路器狀態(MGB)及自動減負荷(RB)等。所有DEH中共有六個轉速信號，其中三個數字量轉速輸入用於轉速控制迴路，三個模擬量的轉速信號用於103%轉速的超速保護控制。二者均採用三取二邏輯。除此以外，上面提到的發電機功率，主蒸汽壓力和聯通管壓力信號也都是採用三個獨立的感測器，通過三取二邏輯確保信號的可靠性。

快關控制

問題提出

一台機組在電網中與其它機組並列運行時，當電網一路或一相發生故障跳閘時，發電機輸出功率變小；由於電網負荷是瞬時變化，加上汽輪機調速系統中存在慣性，動作需要一定的偏差量和時間，故這時汽輪機的機械功率NT可以認為不變。由於汽輪機產生的功率與發電機送出去的功率出現不平衡，過剩的功率ΔN=NT-Ne使汽輪發電機組的轉子加速，發電機功率亦隨同增大，但仍小於原動機功率NT，假設此時電氣保護動作，使轉移阻抗重新下降，這時發電機輸出功率已大於汽輪機產生的功率（相差的功率由動能轉換而來），加速度變為負值，轉速開始下降，但實際轉速仍然大於發電機同步轉速。原加速過程的作功已被減速過程功耗消耗完，但實發功率仍大於原動機功率，即Ne-NT>0，使機組轉速繼續下降。實際轉速已小於同步轉速，工作點繼續下滑，這樣，機組轉速將在功率平衡點D的兩側振盪，功角在變化，輸出功率亦在變動，通常稱之為發電機的同期振盪（這種振盪在自身阻尼作用下會逐步減小直至消失）。實際上，即使電氣保護沒有動作，也有可能發生同期振盪，其機理與上述所分析的過程是相似的。

實際上，在轉速改變時，汽輪機的調速系統亦將動作，使汽輪機產生的功率不再是個常數，而是隨轉速的增高而減小，使過剩功率N'T-Ne變小，減速功率Ne-N'T變大，使功角在D點兩側的振盪變小，有利於電網的穩定；但由於轉速的變化很小，NT的變化亦很小。

以上說明，當電網發生故障後，由於發電機輸出功率的減少而汽輪機的原動功率基本不變，使功角δ有較大的變動，輸出功率發生振盪，會使電網發生振盪，與之並列機組的負荷亦在振盪，有可能使事故擴大，與原遠端受電電網失步，引起電網的崩潰，造成大面積停電。

如上所述，產生這種現象的根本原因是在電網負荷突然減少的情況下，汽輪機產生的功率基本沒有改變，使汽輪機產生的功率與發電機輸出的功率不平衡。汽輪機的快關控制正是根據電力系統的穩定要求提出來的，根據一定的信號，當甩掉部分負荷時，動作調速系統，瞬時關小汽輪機進汽閥(西屋只關中壓調節閥)，減小汽輪機的進汽，使汽輪機產生的原動功率與減小了的電功率相適應，以便維持電網的穩定。

快關動作只是短時間的關閉進汽閥門，暫時縮小電功率與機械功的差距，避免過大的加速度，從而有效地防止過大的振盪甚至失步。經短暫關閉後，進汽閥又重新開啟，恢復原來的功率。關閉時間過長還可能會出現過制動。若故障長時間存在，可能危及穩定運行時，則需要減負荷（即降低NT線），此時可按汽輪機常規的減負荷處理，不屬於快關控制的範圍。

利用汽輪機快關閥門的功能來協助改善電力系統故障時的動態特性，是很有前途的一種措施，七十年代開始各國對這一措施在實用上即開始了試驗研究。現有的汽輪機電調系統大多只考慮了局部措施，功能相對簡單，使用的名稱也各不相同，如美國GE公司的電調系統中此功能稱為功率負荷不平衡(POWER-LOAD UNBALANCD簡稱PLU)，西屋(WH)公司和日本三菱公司的電調系統中此功能包括在超速保護控制中(OVERSPEED PROTECTION CONTROL 簡稱OPC)，而法國ALSTHOM公司的電調系統中則稱之為動態校正(DYNAMIC CORRECTION)等。

執行信號

如上所述，執行快關的依據，是汽輪機產生的功率與發電機輸出的功率之間發生較大的不平衡，則要求測量汽輪機功率NT和發電機功率Ne。

目前，直接在軸上測量汽輪機產生的功率NT仍有困難，好在對NT的測量要求不太高，因此，常用來作為度量汽輪機產生的功率信號是某中間級壓力。對於非調整式抽汽的汽輪機，理論上任何一點的壓力都可以用作測量汽輪機的功率，常用的是調節級後蒸汽壓力或再熱進汽中壓調節閥後壓力。但西屋公司所用的是中壓缸排汽壓力，也就是低壓聯通管處的蒸汽壓力，在凝汽器背壓一定的條件下，此處的壓力一定，流量一定，在此流量下的功率基本上就確定了。當然，調節閥的管理方式(單閥還是順序閥)，機組運行方式(定壓還是滑壓)，主蒸汽和再熱蒸汽的溫度，加熱器及旁路的運行方式等都對計算功率有影響，因此，有必要加入一定的修正或補償，但用汽輪機通流部分的壓力作為汽機功率信號，方法是可行的。

發電機的功率可根據電流電壓用測功元件直接測量出來，由於發電機的電壓在併網運行時變化不大，因而可以簡單地直接用發電機的電流信號作為電功率的信號。

在發出快關控制信號(CIV)後，中壓調節閥能在大約0.15秒內關閉，關閉持續時間的長短是根據電網穩定性需要和消除故障所需的時間等要求來確定的。中壓調節閥快關之後，低壓聯通管上的壓力立即降低，但這不能作為快關恢復的條件，因為電力系統故障消除的時間往往大於蒸汽壓力降低所需要的時間，若此時便將中壓調節閥重新開啟，仍會出現汽輪機功率過大，沒有達到快關的目的，故一般在快關控制動作後，不是根據代表汽輪機功率的壓力信號變小到一定數值這一條件，而是根據電力系統的需要，規定一延遲時間(0.3～1S)後再開啟進汽閥。

快關信號結束後，負荷的恢復是立即完成的。實際上從轉子的衝擊扭矩和輸出功率有較大波動的觀點出發，緩慢地恢復出力較好，西屋公司資料中沒有提到從復位信號發出後到中壓調門全開所需要的時間，這實際上取決於快開電磁閥後節流件的孔徑大小。

幾個問題

1．快關時間

西屋可供選擇的快關持續時間為0.3～1秒，典型值為0.5秒。實踐證明，快關時間過短時，在第一振盪周期中仍會產生失步，起不到快關的效果，理想的持續時間是在第一次振盪時功率過剩的加速面積等於減速耗功的面積，即功角開始下降時所需要的時間。但持續時間也不宜過長，否則會出現“過制動”，使功角在第二或第三振盪周期中出現最大的δ值。一般地δ取0.4～0.6秒為宜，具體取值仍要根據電網的要求而定。

2．軸向推力的影響

對於大型中間再熱機組，由於中間再熱容積的滯後作用，加上高壓缸占機組總功率的百分數只有25%左右，故快關只關高壓調節閥作用不大，西屋選擇的是只關中壓調節閥，由於中間再熱容積較大，關閉後壓力升高較小，對高壓缸的排汽壓力和工作情況影響較小。但對軸向推力影響較大。在中壓調門關閉之後，中壓缸的軸向推力可認為很快下降到零。而高壓缸的排汽壓力(中間再熱容積內壓力)升高較慢，對高壓缸軸向推力影響較小，可認為高壓缸的推力不變。在正常情況下高壓轉子的軸向推力方向一般與整個轉子的不平衡軸向推力方向相反，在失去中壓缸的平衡推力之後，轉子向高壓缸側串動，將整個高壓缸的軸向推力加到推力瓦塊的非工作面上，這個力可能比正常運行時推力瓦塊的工作面上承受的力還要大得多，因為正常運行時兩缸的推力方向相反，推力軸承只需承受兩缸推力之差。加上轉子移動的量超過推力軸承內的軸向串動間隙，使非工作面瓦塊突然受到一個衝擊載荷，容易造成燒瓦的事故，尤其是在發生CIV之前機組原有負荷比較高的情況，問題更加突出。

3．汽輪發電機轉子的扭振問題

在汽輪機進行快關控制時，負載突變，使汽輪發電機轉子和聯軸節螺栓都受到一個很大的衝擊扭矩，引起很大的應力。另外，在汽輪機快關時，發電機輸出功率總有些振盪，若此功率振盪的周期與轉子的扭振頻率相近或合拍，則會引起轉子的扭振共振，使轉子損壞。即使電功率的振盪頻率不與扭振頻率合拍，若轉子扭振頻率與工作頻率相近時，衝擊負荷也會引起轉子扭振，使應力增大。這些都是在採用快關控制時應該考慮的問題。

預測功能

負荷下跌預測(LOAD DROP ANTICIPATOR-LDA)功能是在機組甩掉全負荷時預防汽輪發電機超速的電超速保護功能。當機組原來穩定運行時中壓缸排汽壓力（即Crossover壓力，又稱為OPC壓力）高於額定值的30%(數據可調整)，除非壓力感測器出現低限故障，若發電機主斷路器一旦斷開，即說明發電機甩全負荷，LDA立即置位，請求OPC動作，快速關閉高中壓調節閥，在實際轉速尚未升高的情況下，提早地採取預防措施，避免超速行為發生。此時DEH控制器由負荷控制轉為速度控制，而且速度參考值自動地設定為額定轉速。當主斷路器跳開7.5秒鐘(1～10秒可調)，且機組的轉速已回到103%額定轉速以下時，LDA復位，機組轉速由高壓調節閥來控制。復位信號也可由斷路器閉合或汽輪機跳閘來完成。

從本質上看，負荷下跌預測功能也是通過超速保護控制器，快速泄掉OPC母管中的高壓油，導致高中壓調節閥失去動力油而關閉的。LDA的目的一是為了防止超速，其二也是希望在斷路器跳開後機組能夠快速重新併網，故在轉速下跌至接近額定轉速時(<103%)，LDA復位，20/OPC電磁閥斷電使OPC油壓重新建立起來，IV閥重新開打，對於BP OFF方式，則全開IV，對於BP ON方式，其開度為在啟動時進行閥切換時IV閥的記憶開度，而高壓調節汽閥則由於DEH轉速調節迴路的投入，在轉速偏差的作用下保持關閉狀態，直至汽輪機轉速下降至額定轉速，調節閥開啟控制轉速。由此看來，LDA的恢復時間也不宜過長，否則，轉速下跌至低於額定轉速之後再復位，在正的轉速偏差的作用下汽輪機又會產生加速度，可能引起二次超速，而且也拖延了併網的時間。

控制功能

共有三種信號能夠引發超速保護信號動作，釋放兩隻電磁閥。一是負荷下跌預測邏輯的置位信號LDA，二是OPC的試驗信號，三是機組轉速超過103%的超速信號。

關於LDA觸發OPC，動作的過程上一節已做了討論，現在來看其它兩個信號。OPC試驗信號來自於手動盤上的OPC鑰匙開關，在機組處於轉速控制階段，將手動盤上的OPC鑰匙開關置於試驗(OPC TEST)位置時，兩隻電磁閥20-1/OPC和20-2/OPC應立即釋放，從而泄掉OPC油壓而使高中壓調節汽閥迅速關閉。這個試驗只能在轉速控制階段進行，用來檢驗OPC控制器動作時是否能真正地激勵OPC電磁閥，一旦發電機斷路器閉合之後，這個試驗即被禁止。試驗結束時將OPC鑰匙開關置於正常(NORMAL)位置時，高中壓調節汽閥就會重新緩慢開啟。OPC母管的失壓並不會影響到機組的緊急停機系統的安全油壓——AST油壓，因而機組仍然處於掛閘狀態。

第三種觸發OPC的邏輯是，無論機組是處於速度控制階段還是負荷控制階段，只要檢測到轉速超過103%的額定轉速，而OPC功能沒有被閉鎖，即刻觸發OPC請求，泄掉OPC油壓而使高壓調門和中壓調門迅速關閉。這顯然是一種在機組已經超速後的補救措施，其目的是使機組儘量不要觸及機械超速跳閘轉速，而使整個機組跳閘。

若主開關斷開，機組的控制將自動地轉為速度控制，在發出OPC請求之後，設定值為額定轉速。當轉速下降到低於103%額定轉速時，OPC信號自動復位，中壓調節閥會重新開啟(在BYPASS OFF方式)，釋放再熱器中的壓力，此時又可能使轉速再次升高至103%額定轉速以上，再次請求OPC動作，如此反覆，直至將再熱器中的壓力釋放掉為止。在整個過程中，只要轉速高於額定值，在轉速偏差的作用下高壓調門保持關閉，直到轉速下跌到額定轉速以下時，高壓閥門開啟控制轉速。

區別聯繫

下面，我們來總結比較一下CIV、LDA和OPC三者的區別和聯繫。因為它們在功能上有相似之處，故而容易混淆。

1．LDA和OPC屬於電超速保護的範疇，前者是在機組甩去全負荷從電網解列後，此時轉速可能還沒有來得及反應就先由電氣信號動作，關閉調節閥，是一種預防轉速升高的措施；而後者則是在轉速已經升高了3%，在達到機械超速保護動作之前，由電氣信號動作保護系統，關閉調節汽閥，是一種補救轉速升高的措施。

2．CIV是為了維護電力系統的穩定而在汽輪機上採取的措施。它與LDA的最大差別就是LDA時機組已從電網解列，而CIV時電負荷通常並未降到零，而且主斷路器仍然閉合著。

3．CIV和LDA都是關閉調節閥而不是關閉主汽閥，汽輪機並未跳閘；都是關一定時間後再開啟，但CIV只關中調門，而LDA和OPC是高中壓調門一起關。

4．LDA和CIV最初都有汽輪機功率與發電機功率不平衡的問題，LDA關心的是這個不平衡將帶來汽輪機的超速；而CIV關心的是這個不平衡會使發電機產生同期振盪。假如負荷降到了零而斷路器未跳斷，則LDA不會動作，而CIV動作的結果，也起到了防止超速的作用，因而容易將兩者混淆。