摘要： 在發(fā)電機功率監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛采用了功率變送器來監(jiān)測發(fā)電機機端和負載端的功率。而發(fā)電機組的外圍線路故障、內(nèi)部故障和主變?nèi)珘簺_擊等會引起勵磁涌流干擾信號，繼而影響功率變送器的功率測量。本文提出傳統(tǒng)功率變送器因勵磁涌流產(chǎn)生輸出信號變化的原因。
1 背景
發(fā)電機是現(xiàn)代生產(chǎn)活動中的重要設(shè)備。為保證發(fā)電機的穩(wěn)定運行，在發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛采用功率變送器來測量發(fā)電機機端和負載端的功率，以供監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析處理并采取適當?shù)目刂啤Ｒ虼斯β首兯推鬏敵鲂盘柕恼_與穩(wěn)定對于發(fā)電機的穩(wěn)定運行有著重要意義。
近幾年來，各地電廠在進行對主變?nèi)珘簺_擊等操作，或者外圍線路發(fā)生故障、投切超大負荷時，陸續(xù)出現(xiàn)鄰近發(fā)電機組的功率振蕩甚至跳機等故障。
案例一：華能浙江某電廠共 4 臺 1000MW 機組。2009 年 8 月 15 日 16 時左右，#1、#2、#3 機組正在運行，三個機組負荷分別是 680MW、640MW、630MW。之后當?shù)赝蝗怀霈F(xiàn)雷暴天氣，16 時 21 分，各機組 DCS 系統(tǒng)出現(xiàn)報警，500kV 玉嶺 5430 線第一、二套分相電流差動保護及后備距離 I 段保護動作，玉嶺 5430 線 B 相接地故障報警，5012、5013 開關(guān) B 相跳閘，之后重合閘成功，B 相瞬時接地電流最大達 20510A，持續(xù)時間約 50ms。在故障起始至開關(guān)重合閘期間，#1 機組有功負荷由 685MW 瞬間降至-30MW，然后回升至618MW。#2 機組有功負荷由646MW 瞬間降至 35.9MW，然后回升至 540MW。
對現(xiàn)場功率變送器備品測試時，在輸入平衡的三相電壓、電流信號時，結(jié)果符合要求。而用故障時的錄波測量數(shù)據(jù)進行測試時，變送器兩組輸出信號分別在故障初期存在突增和突降現(xiàn)象，說明功率變送器在 B 相接地故障導致出現(xiàn)涌流時的測量存在問題。功率變送器的這一測量問題可能是該事件的原因之一。
案例二、福建某燃氣發(fā)電廠跳機事件。
事件經(jīng)過：2010 年 5 月 21 日晚 7 時左右，福建某燃氣發(fā)電廠 #4 機組在對主變?nèi)珘簺_擊時，正在滿負荷運行的 #3 機組出現(xiàn)功率超限報警，引起 #3 機組保護動作而跳機。
事件分析與結(jié)論：事后檢查當時的 TCS 功率記錄曲線，發(fā)現(xiàn)在跳機瞬間 #3 機組反應到 TCS 邏輯控制系統(tǒng)的有功功率測量值達 625MW，已超出量程上限。而該機組跳機前各主要參數(shù)均未出現(xiàn)異常。最終認為，跳機是因為 #4機組對主變?nèi)珘簺_擊時，產(chǎn)生了較大的勵磁涌流，對電氣二次回路造成較大干擾，使功率變送器測量產(chǎn)生較大突變。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，當時這種瞬間突變使 #3 機組的功率變送器輸出達到 625MW，而 TCS 邏輯控制系統(tǒng)中沒有信號質(zhì)量的判斷邏輯，于是 TCS 系統(tǒng)誤判為 #3 機組功率超限，最終造成了 #3 機組跳機。
京科電廠在運行期間當系統(tǒng)發(fā)生故障時，DCS 顯示機組負荷從 210MW 瞬間上升至 240MW，發(fā)電機負序電流增加至 900A，雖然沒有造成機組解列，但隱患一直存在。事后檢查電氣設(shè)備均無異常，結(jié)合故障錄波器綜合分析，系統(tǒng)沖擊引起的勵磁涌流對變送器影響所致。
2 原因查找及處理方法
在電廠大型機組并網(wǎng)或外圍線路出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生較大瞬間勵磁涌流。可以確定，這些情況會對電氣二次回路產(chǎn)生較大干擾，使電廠其它正常運行的機組功率變送器因檢測到一定的諧波功率而發(fā)生突變，使干擾進一步被放大了。那么，為什么這種突變會被常規(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為例，型號為為 FPW-201，采用常規(guī)純模擬電路設(shè)計，本文簡稱常規(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。其測量原理是相同的，僅是接線方式不同。三相功率變送器實際上是把兩個（二元件）或三個（三元件）單相功率變送器的測量相加，從而得到三相總功率。基本原理框圖如圖 1。
圖 1 中的時分割乘法器電路原理如圖 2 所示。在時分割乘法器中，如圖 3 所示，待測 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)過比較器產(chǎn)生矩形脈沖（PWM 脈寬調(diào)制），每個脈沖的寬度代表某一時刻電壓的幅值。
圖 3 中可見，正弦波的最低點對應的脈寬寬度最小，正弦波的最高點對應的脈寬寬度最大，一個正弦波被分割成 20 個脈沖波；這個調(diào)制出來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 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），就是我們所要測量的功率值。這個功率值是機組功率調(diào)整的基礎(chǔ)。
圖 4 中，下面的藍色波形代表現(xiàn)場的電流，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，當瞬間涌流發(fā)生后，電流信號及變送器輸出均發(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，當輸入為階躍信號（近視于方波）時，對應的輸出稱為階躍響應，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）導通的電流幅值特別大，而且出現(xiàn)涌流時產(chǎn)生了大量諧波功率，這些影響造成那一小段時間里的功率大增，功率變送器模擬量輸出也相應突增（圖 4 黃色曲線波動更大）。
如圖 5 所示，紅色陰影部分在某幾個地方的幅度增大了，其面積表示的功率也成倍增加，盡管當時該機組實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)備廠家對熱工 DEH 邏輯及控制參數(shù)進行進一步的梳理與完善。
②功率變送器輸出信號增加濾波環(huán)節(jié)。
③增加變送器的抗勵磁涌流的能力。
在理想的一定頻率的方波信號作用下，通過調(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，而且響應時間也較短。然而，現(xiàn)場實際的情況很復雜，當有涌流沖擊時，其信號的頻率成分中夾帶著很多不同次數(shù)的諧波量，無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阻尼狀態(tài)，則電路的響應時間又會很長。變送器的國家標準及鑒定規(guī)程中要求響應時間小于400ms，而且其基本誤差試驗也是要求在穩(wěn)定的參比條件下進行。
采用微處理器技術(shù)，通過數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)功率計算。功率測量值是對電壓、電流直接進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，再將測量到的功率數(shù)值做窗型滑動濾波，使得變送器的輸出更加穩(wěn)定。
4 結(jié)束語
由于瞬間勵磁涌流對電氣二次回路產(chǎn)生較大干擾，使電廠其它正常運行的機組功率變送器因檢測到一定的諧波功率而發(fā)生突變。通過采用數(shù)字式功率變送器，提高變送器的線性度和準確度高，增強抗干擾性。
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