烏江渡發電廠水輪發電機組逆功率保護的應用

摘要：為了防止水輪發電機組發生逆功率運行工況，介紹了250 MW水輪發電機組逆功率保護在烏江渡發電廠的應用情況以及保護整定值的計算過程，證明了該保護裝置可有效減輕機組運行中出現逆功率運行異常工況時對設備造成的損傷，可為同類型水電廠逆功率保護裝置的裝設提供參考。

關鍵詞：水輪發電機;逆功率保護;保護定值整定

1 逆功率保護應用現狀

水輪發電機組在正常工作狀態下是向電網輸送有功功率的電氣設備，若不是系統設置的專用調相水輪發電機組，當發電機組失磁或其他原因，發電機有可能變為電動機運行，即在運行中出現吸收電網有功功率的異常現象，此時發電機轉變為電動機運行，這就是機組逆功率異常運行工況。當出現逆功率工況時，發電機的保護裝置隨之動作于發信號或動作于跳閘。

逆功率保護較多地利用于抽水蓄能電站，其在水泵工況下吸收系統有功功率，為保護機組，減少逆功率工況下對機組造成的損傷，常需要裝設逆功率保護裝置[1]，但常規水電廠中機組設逆功率保護裝置的應用實例并不多。

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，在大型混流式水輪發電機組上，調速器出現故障或人為原因造成導葉緊急關閉，發電機出口斷路器卻未跳閘，會造成發電機從系統中吸收有功功率，變為逆功率運行工況。大型混流式水輪發電機的轉輪直徑比較大，原動機轉動慣量GD2也較大，使得機組振動擺度加大，進而造成機組上下機架、碳刷滑環嚴重損壞，特別是機組振動時使推力軸承、水導軸承、上導軸承溫度劇烈上升，嚴重時可出現燒瓦事故。機組出現逆功率工況，對機組和電網系統的安全運行會造成嚴重破壞。

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。

微機型繼電保護裝置出現之前，逆功率保護均應用在晶體管式繼電保護裝置、集成電路繼電保護裝置中，其主要由一個靈敏的功率繼電器構成，即逆功率繼電器，動作原理大致有以下3種：（1）幅值比較型;（2）相位比較型;（3）cos ？準型。逆功率繼電器大多數工作在動作邊界附近，且發電機在逆功率運行時其反向功率小，則經過CT傳變后，其二次電流值以及動作電流值將更小;一般的功率繼電器通常不需要整定動作功率，不單獨構成保護，而逆功率繼電器單獨構成保護。綜上所述，逆功率繼電器需要具備以下技術條件：（1）有很高的電流靈敏度;（2）具有精確測量有功功率的動作特性;（3）其單獨構成保護，可根據不同發電機組的實際情況整定其動作功率。

在微機繼電保護裝置普遍應用后，逆功率保護多用于采集機端三相電壓與機端三相電流來計算有功功率，經逆功率元件動作后出口。逆功率保護邏輯如圖1所示。

當發電機吸收有功功率的數值大于保護定值時，經短延時t1發信號，長延時t2作用于機組解列，防止發電機處于吸收有功功率的異常運行狀態。

3 逆功率運行危害

逆功率運行對于汽輪機和水輪發電機均有損害。汽輪機處于逆功率運行工況下，汽輪機尾部葉片與殘留蒸汽產生摩擦而形成鼓風損耗，容易導致汽輪機尾部葉片過熱而損壞;水輪發電機組在逆功率運行工況下，低水流量的微觀水擊作用會產生空蝕現象，而空蝕是造成水輪機轉輪葉片損傷的主要因素，而且長時間逆功率運行可能導致發電機繞組過熱甚至燒毀，發電機變為電動機運行后會給原動機產生一個反向力矩，導致原動機嚴重損壞，造成較大的經濟損失[2]。因此，水輪發電機組宜裝設逆功率保護。

發電機逆功率保護的設置是為了在發電機變為電動機運行時保護原動機的安全。其主要動作機理是當機組吸收有功功率數值超過保護定值，并在設置的延時時間內功率沒有恢復正常的情況下，保護裝置動作于發電機出口開關跳閘，與電網系統斷開，避免嚴重損傷發電機。

4 逆功率保護定值整定

烏江渡發電廠坐落于貴州遵義烏江鎮境內，在貴州電網中肩負著調頻、調整黔粵潮流負荷曲線的重任。全廠總裝機容量為5×250 MW，設計年發電量為40.56億kWh。該廠為地下式廠房，有5臺單機容量為250 MW的水輪發電機組，發電機與變壓器采用單元接線連接。該廠主系統為“兩廠兩網”接線方式，1號廠電氣主接線為單母線分段接線，2號廠電氣主接線為擴大內橋接線。5臺發電機配置了國電南自生產的DGT801U-C數字式發電機保護裝置。現以烏江渡發電廠#4機組為例，詳細描述逆功率保護定值的整定過程。

4.1 ? ?整定計算依據

本次計算按照貴州中調下發的系統短路容量通知單進行整定計算，其中在各點故障時的系統短路阻抗如表1所示（100 MVA容量下）。

系統最大運行方式選擇：#4、#5機全開。最小運行方式選擇：#4機開機，#5機停機。

保護定值整定計算引用標準包括：《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》（DL/T 684—2012）[3]，簡稱《導則》;南方電網220 kV及以上系統并網電廠繼電保護整定計算及定值審核模板（試行）;《大型發電機變壓器繼電保護整定計算規程》（Q/CSG 1204025—2017），簡稱《南網規程》;《貴州電網2018年度繼電保護運行說明》，簡稱《運行說明》;《貴州電網2018年繼電保護整定方案》，簡稱《整定方案》;《DGT 801U系列數字式發電機變壓器組保護裝置技術說明書》，簡稱《技術說明書》;《繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法》（GB/T 7261—2016）[4]。

4.2 ? ?計算原始參數

#4發電機型號為SF250-40/10800，為東方電機廠生產的立式三相同步發電機，額定容量SN=285.7 MVA，額定功率PN=250 MW，功率因數cos ?？準=0.875（滯后），額定電壓UN=15.75 kV，額定電流IN=10 473 A。縱軸同步電抗Xd=1.012 17 Ω，縱軸暫態電抗Xd′=0.241 Ω，縱軸次暫態電抗Xd″=0.192 Ω，橫軸同步電抗Xq=0.596 36 Ω，橫軸瞬變電抗Xq′=0.596 36 Ω，超瞬變電抗Xq″=0.23 Ω，負序電抗X2=0.210 5 Ω。

4.3 ? ?基準值、標幺值計算

據《南網規程》規定：

Pop=Krel（P1+P2）

式中：Krel為可靠系數，取0.5～0.8，建議Krel取較大值，Krel=0.8;P1為汽輪機在逆功率運行時的最小損耗，一般取額定功率的1%～4%，建議P1取較大值，P1=4%;Pgn=0.04×132.307≈5.292 W;P2為發電機在逆功率運行時的最小損耗，一般取P2≈（1-η）·Pgn，η為發電機效率，由制造廠家提供，一般取98.6%～98.7%，根據運行規程，我廠#4機發電機效率為98.65%，取P2=（1-0.986 5）Pgn=0.013 5×132.307=1.786 W。

綜上，Pop=0.8×（5.292+1.786）≈5.662 W，取負值-5.662 W（逆功率保護定值為發電機吸收的有功數值，因此為負值）。

按《技術說明書》規定：動作功率Pop=（-6%～-0.5%）Pgn，Pop取值范圍為-7.938～0.661 W。

按《導則》4.8.3規定，動作功率Pop=（0.5%～2%）Pgn，取負值，Pop取值范圍為-2.646 14～0.661 W;綜合考慮取Pop=-5.662 W。

對于發信號動作時間t1，綜合考慮取t1=2 s，動作行為：發信號。

對于跳閘動作時間t2，綜合考慮取t2=5 s，動作行為：解列滅磁（跳GCB、FMK、啟動GCB失靈）。

5 結語

水電站發電機逆功率保護的設置，可有效避免調速器出現故障等導致機組發生逆功率運行，對原動機造成危害，結合近年來水電行業水輪發電機發生的逆功率運行事件對機組安全運行、電站安全生產帶來的影響，可見逆功率保護的設置尤為必要[5]。烏江渡發電廠發電機逆功率保護裝置的設置，可防止機組由于逆功率運行導致機組振動擺度增大，進而造成機組上下機架、碳刷滑環、推力軸承、水導軸承、上導軸承損壞，以及發電機變為電動機運行后產生的反向力矩對原動機的損壞，實現了對大容量水輪發電機組的有效保護。

[參考文獻]

[1] 金建波，董曉英，李志超.三峽水力發電廠水輪發電機組逆功率保護應用分析[J].華電技術，2010，32（3）：17-18.

[2] 譚健，江金芬.船舶電站逆功率故障淺析[J].廣東造船，2019，38（4）：93-95.

[3] 大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則：DL/T 684—2012[S].

[4] 繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法：GB/T 7261—2016[S].

[5] 王旭.發電機組逆功率保護配置分析及定值整定實例[J].科技創新與應用，2018（15）：54-55.

收稿日期：2020-08-10

作者簡介：令狐嬌龍（1988—），男，貴州遵義人，助理工程師，從事水電運行工作。