摘要：為了防止水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生逆功率運(yùn)行工況，介紹了250 MW水輪發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)在烏江渡發(fā)電廠(chǎng)的應(yīng)用情況以及保護(hù)整定值的計(jì)算過(guò)程，證明了該保護(hù)裝置可有效減輕機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)逆功率運(yùn)行異常工況時(shí)對(duì)設(shè)備造成的損傷，可為同類(lèi)型水電廠(chǎng)逆功率保護(hù)裝置的裝設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī);逆功率保護(hù);保護(hù)定值整定

1 逆功率保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀

水輪發(fā)電機(jī)組在正常工作狀態(tài)下是向電網(wǎng)輸送有功功率的電氣設(shè)備，若不是系統(tǒng)設(shè)置的專(zhuān)用調(diào)相水輪發(fā)電機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)組失磁或其他原因，發(fā)電機(jī)有可能變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行，即在運(yùn)行中出現(xiàn)吸收電網(wǎng)有功功率的異?，F(xiàn)象，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是機(jī)組逆功率異常運(yùn)行工況。當(dāng)出現(xiàn)逆功率工況時(shí)，發(fā)電機(jī)的保護(hù)裝置隨之動(dòng)作于發(fā)信號(hào)或動(dòng)作于跳閘。

逆功率保護(hù)較多地利用于抽水蓄能電站，其在水泵工況下吸收系統(tǒng)有功功率，為保護(hù)機(jī)組，減少逆功率工況下對(duì)機(jī)組造成的損傷，常需要裝設(shè)逆功率保護(hù)裝置[1]，但常規(guī)水電廠(chǎng)中機(jī)組設(shè)逆功率保護(hù)裝置的應(yīng)用實(shí)例并不多。

隨著我國(guó)水電事業(yè)的快速發(fā)展，水電裝機(jī)單機(jī)容量越來(lái)越大，在大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組上，調(diào)速器出現(xiàn)故障或人為原因造成導(dǎo)葉緊急關(guān)閉，發(fā)電機(jī)出口斷路器卻未跳閘，會(huì)造成發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中吸收有功功率，變?yōu)槟婀β蔬\(yùn)行工況。大型混流式水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑比較大，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2也較大，使得機(jī)組振動(dòng)擺度加大，進(jìn)而造成機(jī)組上下機(jī)架、碳刷滑環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞，特別是機(jī)組振動(dòng)時(shí)使推力軸承、水導(dǎo)軸承、上導(dǎo)軸承溫度劇烈上升，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)燒瓦事故。機(jī)組出現(xiàn)逆功率工況，對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行會(huì)造成嚴(yán)重破壞。

2 逆功率保護(hù)原理

逆功率保護(hù)是反映發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)有功功率倒送，發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行異常工況的保護(hù)。同時(shí)，逆功率保護(hù)也可用于程序跳閘的啟動(dòng)元件。

微機(jī)型繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)之前，逆功率保護(hù)均應(yīng)用在晶體管式繼電保護(hù)裝置、集成電路繼電保護(hù)裝置中，其主要由一個(gè)靈敏的功率繼電器構(gòu)成，即逆功率繼電器，動(dòng)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(zhǔn)型。逆功率繼電器大多數(shù)工作在動(dòng)作邊界附近，且發(fā)電機(jī)在逆功率運(yùn)行時(shí)其反向功率小，則經(jīng)過(guò)CT傳變后，其二次電流值以及動(dòng)作電流值將更小;一般的功率繼電器通常不需要整定動(dòng)作功率，不單獨(dú)構(gòu)成保護(hù)，而逆功率繼電器單獨(dú)構(gòu)成保護(hù)。綜上所述，逆功率繼電器需要具備以下技術(shù)條件：（1）有很高的電流靈敏度;（2）具有精確測(cè)量有功功率的動(dòng)作特性;（3）其單獨(dú)構(gòu)成保護(hù)，可根據(jù)不同發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況整定其動(dòng)作功率。

在微機(jī)繼電保護(hù)裝置普遍應(yīng)用后，逆功率保護(hù)多用于采集機(jī)端三相電壓與機(jī)端三相電流來(lái)計(jì)算有功功率，經(jīng)逆功率元件動(dòng)作后出口。逆功率保護(hù)邏輯如圖1所示。

當(dāng)發(fā)電機(jī)吸收有功功率的數(shù)值大于保護(hù)定值時(shí)，經(jīng)短延時(shí)t1發(fā)信號(hào)，長(zhǎng)延時(shí)t2作用于機(jī)組解列，防止發(fā)電機(jī)處于吸收有功功率的異常運(yùn)行狀態(tài)。

3 逆功率運(yùn)行危害

逆功率運(yùn)行對(duì)于汽輪機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)均有損害。汽輪機(jī)處于逆功率運(yùn)行工況下，汽輪機(jī)尾部葉片與殘留蒸汽產(chǎn)生摩擦而形成鼓風(fēng)損耗，容易導(dǎo)致汽輪機(jī)尾部葉片過(guò)熱而損壞;水輪發(fā)電機(jī)組在逆功率運(yùn)行工況下，低水流量的微觀(guān)水擊作用會(huì)產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象，而空蝕是造成水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片損傷的主要因素，而且長(zhǎng)時(shí)間逆功率運(yùn)行可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組過(guò)熱甚至燒毀，發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行后會(huì)給原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反向力矩，導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，水輪發(fā)電機(jī)組宜裝設(shè)逆功率保護(hù)。

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)的設(shè)置是為了在發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)保護(hù)原動(dòng)機(jī)的安全。其主要?jiǎng)幼鳈C(jī)理是當(dāng)機(jī)組吸收有功功率數(shù)值超過(guò)保護(hù)定值，并在設(shè)置的延時(shí)時(shí)間內(nèi)功率沒(méi)有恢復(fù)正常的情況下，保護(hù)裝置動(dòng)作于發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘，與電網(wǎng)系統(tǒng)斷開(kāi)，避免嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)電機(jī)。

4 逆功率保護(hù)定值整定

烏江渡發(fā)電廠(chǎng)坐落于貴州遵義烏江鎮(zhèn)境內(nèi)，在貴州電網(wǎng)中肩負(fù)著調(diào)頻、調(diào)整黔粵潮流負(fù)荷曲線(xiàn)的重任。全廠(chǎng)總裝機(jī)容量為5×250 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為40.56億kWh。該廠(chǎng)為地下式廠(chǎng)房，有5臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)與變壓器采用單元接線(xiàn)連接。該廠(chǎng)主系統(tǒng)為“兩廠(chǎng)兩網(wǎng)”接線(xiàn)方式，1號(hào)廠(chǎng)電氣主接線(xiàn)為單母線(xiàn)分段接線(xiàn)，2號(hào)廠(chǎng)電氣主接線(xiàn)為擴(kuò)大內(nèi)橋接線(xiàn)。5臺(tái)發(fā)電機(jī)配置了國(guó)電南自生產(chǎn)的DGT801U-C數(shù)字式發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置?，F(xiàn)以烏江渡發(fā)電廠(chǎng)#4機(jī)組為例，詳細(xì)描述逆功率保護(hù)定值的整定過(guò)程。

4.1 ? ?整定計(jì)算依據(jù)

本次計(jì)算按照貴州中調(diào)下發(fā)的系統(tǒng)短路容量通知單進(jìn)行整定計(jì)算，其中在各點(diǎn)故障時(shí)的系統(tǒng)短路阻抗如表1所示（100 MVA容量下）。

系統(tǒng)最大運(yùn)行方式選擇：#4、#5機(jī)全開(kāi)。最小運(yùn)行方式選擇：#4機(jī)開(kāi)機(jī)，#5機(jī)停機(jī)。

保護(hù)定值整定計(jì)算引用標(biāo)準(zhǔn)包括：《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》（DL/T 684—2012）[3]，簡(jiǎn)稱(chēng)《導(dǎo)則》;南方電網(wǎng)220 kV及以上系統(tǒng)并網(wǎng)電廠(chǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算及定值審核模板（試行）;《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算規(guī)程》（Q/CSG 1204025—2017），簡(jiǎn)稱(chēng)《南網(wǎng)規(guī)程》;《貴州電網(wǎng)2018年度繼電保護(hù)運(yùn)行說(shuō)明》，簡(jiǎn)稱(chēng)《運(yùn)行說(shuō)明》;《貴州電網(wǎng)2018年繼電保護(hù)整定方案》，簡(jiǎn)稱(chēng)《整定方案》;《DGT 801U系列數(shù)字式發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置技術(shù)說(shuō)明書(shū)》，簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)說(shuō)明書(shū)》;《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置基本試驗(yàn)方法》（GB/T 7261—2016）[4]。

4.2 ? ?計(jì)算原始參數(shù)

#4發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF250-40/10800，為東方電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的立式三相同步發(fā)電機(jī)，額定容量SN=285.7 MVA，額定功率PN=250 MW，功率因數(shù)cos ?？準(zhǔn)=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(tài)電抗Xd′=0.241 Ω，縱軸次暫態(tài)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(fù)序電抗X2=0.210 5 Ω。

4.3 ? ?基準(zhǔn)值、標(biāo)幺值計(jì)算

據(jù)《南網(wǎng)規(guī)程》規(guī)定：

Pop=Krel（P1+P2）

式中：Krel為可靠系數(shù)，取0.5～0.8，建議Krel取較大值，Krel=0.8;P1為汽輪機(jī)在逆功率運(yùn)行時(shí)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(fā)電機(jī)在逆功率運(yùn)行時(shí)的最小損耗，一般取P2≈（1-η）·Pgn，η為發(fā)電機(jī)效率，由制造廠(chǎng)家提供，一般取98.6%～98.7%，根據(jù)運(yùn)行規(guī)程，我廠(chǎng)#4機(jī)發(fā)電機(jī)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(fù)值-5.662 W（逆功率保護(hù)定值為發(fā)電機(jī)吸收的有功數(shù)值，因此為負(fù)值）。

按《技術(shù)說(shuō)明書(shū)》規(guī)定：動(dòng)作功率Pop=（-6%～-0.5%）Pgn，Pop取值范圍為-7.938～0.661 W。

按《導(dǎo)則》4.8.3規(guī)定，動(dòng)作功率Pop=（0.5%～2%）Pgn，取負(fù)值，Pop取值范圍為-2.646 14～0.661 W;綜合考慮取Pop=-5.662 W。

對(duì)于發(fā)信號(hào)動(dòng)作時(shí)間t1，綜合考慮取t1=2 s，動(dòng)作行為：發(fā)信號(hào)。

對(duì)于跳閘動(dòng)作時(shí)間t2，綜合考慮取t2=5 s，動(dòng)作行為：解列滅磁（跳GCB、FMK、啟動(dòng)GCB失靈）。

5 結(jié)語(yǔ)

水電站發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)的設(shè)置，可有效避免調(diào)速器出現(xiàn)故障等導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生逆功率運(yùn)行，對(duì)原動(dòng)機(jī)造成危害，結(jié)合近年來(lái)水電行業(yè)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生的逆功率運(yùn)行事件對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行、電站安全生產(chǎn)帶來(lái)的影響，可見(jiàn)逆功率保護(hù)的設(shè)置尤為必要[5]。烏江渡發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)裝置的設(shè)置，可防止機(jī)組由于逆功率運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)擺度增大，進(jìn)而造成機(jī)組上下機(jī)架、碳刷滑環(huán)、推力軸承、水導(dǎo)軸承、上導(dǎo)軸承損壞，以及發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行后產(chǎn)生的反向力矩對(duì)原動(dòng)機(jī)的損壞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大容量水輪發(fā)電機(jī)組的有效保護(hù)。

[參考文獻(xiàn)]

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[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.

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[4] 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置基本試驗(yàn)方法：GB/T 7261—2016[S].

[5] 王旭.發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)配置分析及定值整定實(shí)例[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（15）：54-55.

收稿日期：2020-08-10

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