三峽水力發電廠水輪發電機組逆功率保護應用分析

金建波,董曉英,李志超

(1.三峽水力發電廠,湖北 宜昌 443133;2.中國長江電力股份有限公司檢修廠 宜昌 443000)

1 逆功率保護應用現狀

發電機是向電力系統輸送有功功率的電氣設備,如果出現系統向發電機倒送有功功率,即發電機變成電動機運行,就是逆功率異常工況。作為汽輪發電機,當轉入逆功率異常運行狀態時,由于汽輪機主汽門已關閉,汽輪機尾部葉片與殘留蒸汽產生摩擦而形成鼓風損耗,此時汽輪機尾部葉片極易因過熱而損壞。燈泡式和斜流式等低水頭水輪機在逆功率工況下,低水流量的微觀水擊作用會產生氣蝕現象,最終致導水葉損傷。這些發電機組在逆功率運行狀態下均會對發電機的原動機造成傷害,因此,宜裝設逆功率保護[1]。但 GB 14285—2006《繼電保護技術規程》中未對除抽水蓄能以外的水輪機是否應裝設逆功率保護做明確說明,因此,我國許多水輪發電機未裝設逆功率保護。

隨著我國水電事業的快速發展,水電裝機單機容量越來越大。從三峽電站已投運單機 700MW的水輪發電機組的運行情況來看,大容量水輪發電機組在進入逆功率情況下引起的振動及一系列問題不容忽視。本文結合三峽水輪發電機組投產運行情況,討論大容量水輪發電機組裝設逆功率保護的必要性及應用過程中的一些注意事項。

2 逆功率保護原理

逆功率保護是反映發電機組出現有功功率倒送,發電機變為電動機運行異常工況的保護。同時,逆功率保護也可用于程序跳閘的啟動元件。

保護原理:逆功率保護反映發電機從系統吸收有功功率的大小。電壓取自發電機機端 TV,電流取自發電機機端(或中性點)TA。保護按三相接線,有功功率為

式中:φ為電壓超前電流的角度;動作判據為|P|＞Pset,Pset為逆功率保護動作整定值。

保護動作特性如圖 1所示,保護邏輯框圖如圖2所示。

3 水輪發電機組裝設逆功率保護的分析

三峽水力發電廠 700MW大型水輪發電機組在設計時未裝設逆功率保護,機組無逆功率保護運行。在#2機組調試期間,機組并網帶小負荷運行,機組調速器電液伺服閥故障,使機組進入逆功率狀態運行,功率進相達 150MW。機組逆功率運行時振動特別大,機組發出轟鳴聲,振動使調速器電氣柜上調速器開機令保持繼電器節點抖動,調速器開機令復歸,水輪機導葉全關且無跳閘命令,機組無法返回正常發電狀態,最后手動緊急停機。

經過初次事故后,經與機組生產廠家商定,三峽水力發電廠水輪發電機組加裝逆功率保護。三峽水力發電廠水輪發電機組單機容量700MW,水輪機轉輪直徑 10.6m,轉動慣量大。機組逆功率運行時,現場實測機組振動擺度很大。機組的大振動擺度會對機組的上機架、下機架及滑環產生破壞性的損壞,會使各部導瓦溫度急劇上升而燒壞導瓦,還會使保護、自動元器件誤動,對機組乃至系統產生不可預見的危害?？梢?裝設逆功率保護以降低發電機組逆功率運行造成的損害是非常必要的。

三峽水力發電廠水輪發電機組在加裝逆功率保護時,針對二灘水電站水輪發電機組逆功率保護誤動情況,參照汽輪機逆功率動作一般為主汽門關閉開關量和逆功率 1組成“與”門,經 0.5s出口跳主斷路器和滅磁開關,提出了在逆功率保護動作條件中增加水輪機導葉開度閉鎖條件。經分析,由于三峽水力發電廠水輪機轉動慣量很大,機組在并網時,導葉開度小于空載開度時機組即進入逆功率運行,只有增加導葉空載開度節點閉鎖才可行,但導葉空載開度節點的可靠性不高。三峽水力發電廠水輪機機組調速器的特性比較穩定,大型水輪機進入逆功率狀態需要一個時延,機組可以承受短時小負荷的逆功率,決定取消不可靠的閉鎖條件,采用短延時出口。

三峽水力發電廠在機組投產初期均加裝逆功率保護,動作值為 3%Pn,延時 5 s跳閘。2003年10月,3F進行動應力試驗,有功進相23MW左右,逆功率保護動作,動作值為 3%Pn,折算成一次側值為3%Pn=3%×700MW=21MW,保護正確動作。

后來考慮到機組調速器短時擾動后會很快恢復,對調速器的抗擾動性能進行了試驗,證明了三峽水力發電廠水輪發電機組調速器的抗擾動性能很強。根據水輪機導葉從全開到全關需要 30 s,作者認為機組可以承受短時 3%Pn逆功率運行,決定將逆功率保護設 2段定值:I段,3%Pn,延時 3 s報警,給調速器一個恢復時間;在逆功率較深時,縮短延時時間快速跳閘,將第 II段定值設為 5%Pn,延時 3 s跳閘。定值更改后保護曾正確動作 3次。

逆功率保護按新定值投運 1年多后,出現了另一個新的問題。2006年2月,#9機組調速器故障造成導葉全關,引起逆功率保護動作,機組解列。經檢查發現,#9機組調速器 TR10電液伺服閥線圈開路造成導葉全關,同時#9勵磁調節器報勵磁故障(為 V/H限制動作),機組保護 A,B套失磁動作。運行人員通過監控機組控制畫面發現#9機組轉速從 30%額定轉速持續上升,#9機組自行開機至97%轉速空轉,運行人員立即到現場手動停機?，F場檢查發現:#9機組調速器故障,但調速器開機令未復歸,停機流程未啟動。事故后對動作過程進行分析發現,逆功率保護跳閘后,動作出口只跳發電機出口開關,不滅磁、停機。機組轉速降低是因為調速器故障,而不是發停機令停機。調速器故障復歸以后,由于有調速器開機令,調速器自行開機,當時勵磁系統故障未復歸,未加勵磁。

為防止在逆功率保護動作后可能因停機令未復歸而導致調速器自動開機的問題再次發生,決定將左岸電站機組逆功率保護 II段出口方式由5%Pn,延時 3s“跳閘 ”改為 5%Pn,延時 3 s“跳閘、滅磁、跳廠用變壓器、停機”。調整后,逆功率保護至今運行良好。

三峽水力發電廠水輪發電機組裝設逆功率保護后,避免了在機組有功進相運行時調速器故障使水輪機導葉來回擺動而對系統和其他機組安全運行造成影響,避免了機組振動擺度加大對機組上機架、下機架、滑環、各部導瓦的損壞,對大容量水輪發電機組進行了有效保護。

4 結論

三峽水力發電廠水輪發電機組逆功率保護運行、動作情況及采用技術改造措施后的運行狀況進一步說明,大型水輪發電機裝設機組逆功率保護是非常必要的,在調速器系統故障時可以與系統快速隔離,保護機組的安全,保證電網安全。逆功率定值要根據機組的容量和進相深度來綜合考慮,保護出口以停機、跳閘、滅磁為最優。

[1]王維儉,侯炳蘊.大型機組保護繼電保護理論基礎[M].北京:水利電力出版社,1982.