陳靈峰，黃建德

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省天臺(tái)縣 317200）

0 引言

大型水輪發(fā)電機(jī)在機(jī)組正常停機(jī)過程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，長(zhǎng)時(shí)間在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起推力瓦和鏡板之間的油膜破壞，造成燒瓦事故。為避免這種情況的發(fā)生，在機(jī)組停機(jī)轉(zhuǎn)速降到較低程度時(shí)，需要投入風(fēng)閘制動(dòng)系統(tǒng)，使得機(jī)組快速停機(jī)。

然而，當(dāng)機(jī)組在高轉(zhuǎn)速下因某種原因投入風(fēng)閘時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重后果：轉(zhuǎn)子因局部高溫而損傷，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分及軸瓦損壞，情況嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓹C(jī)組的火災(zāi)事故等。另外，高速加閘會(huì)造成機(jī)組的逆功率運(yùn)行，即由原先的發(fā)出有功功率變成吸收有功功率，處于逆功率狀態(tài)的機(jī)組會(huì)產(chǎn)生較大的振擺，損壞機(jī)架、滑環(huán)等部件。如果吸收的有功功率較大，甚至?xí)?duì)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。

本文以某抽水蓄能機(jī)組為例，對(duì)一定轉(zhuǎn)速下投入風(fēng)閘時(shí)的力矩進(jìn)行了分析和計(jì)算，對(duì)高速加閘時(shí)機(jī)組出現(xiàn)逆功率的原因進(jìn)行了定性的分析，并結(jié)合實(shí)際例子，對(duì)高速加閘時(shí)機(jī)組從系統(tǒng)中吸收的有功功率進(jìn)行了計(jì)算。

1 風(fēng)閘投入時(shí)相關(guān)參數(shù)的分析和計(jì)算

以甲抽水蓄能電站機(jī)組為例，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組參數(shù)表Table 1 Unit parameter table

續(xù)表

當(dāng)機(jī)組在轉(zhuǎn)速n時(shí)，投入風(fēng)閘制動(dòng)，此時(shí)為了吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能而需要的制動(dòng)力F1如式（1）所示[1]：

式中t——制動(dòng)時(shí)間，min；

g——重力加速度，取9.81m/s2。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，甲電站機(jī)組在20%額定轉(zhuǎn)速和35%額定轉(zhuǎn)速投入風(fēng)閘，制動(dòng)時(shí)間分別為0.665min和1.164min。代入式（1），可得：

（1）20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的制動(dòng)力F1(20%nN)為：

（2）35%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的制動(dòng)力F1(35%nN)為：

另外，考慮到水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水會(huì)產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩，此力矩大約是額定力矩的1%～1.5%?？朔肆厮璧闹苿?dòng)力F2如式（2）所示[2-3]：

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水產(chǎn)生的制動(dòng)力取1.25%額定力矩，并且它是個(gè)恒定的量，因此不論在哪個(gè)轉(zhuǎn)速下投入風(fēng)閘，克服該制動(dòng)力所需的制動(dòng)力F2都等于：

因此，在20%和35%額定轉(zhuǎn)速投入風(fēng)閘時(shí)，產(chǎn)生的總制動(dòng)力為：

將總制動(dòng)力轉(zhuǎn)換成總制動(dòng)力矩：

根據(jù)轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，如式（3）所示：

可將總制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換成額定轉(zhuǎn)速下的功率：

根據(jù)上述分析和計(jì)算可知，在允許投入風(fēng)閘的轉(zhuǎn)速下，風(fēng)閘對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分產(chǎn)生的制動(dòng)力、制動(dòng)力矩都是恒定的。

2 高速加閘時(shí)機(jī)組逆功率的分析

正常發(fā)電運(yùn)行時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)力矩：原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械力矩Tj和電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力矩Te。其中，電磁力矩Te是制動(dòng)力矩，它的大小和機(jī)械力矩Tj相等，方向相反，從而使得轉(zhuǎn)子上的受力平衡，以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)組高速加閘時(shí)，調(diào)速器運(yùn)行正常，因此機(jī)械力矩Tj不變。轉(zhuǎn)子在風(fēng)閘的作用下，產(chǎn)生了一個(gè)制動(dòng)力矩Tf，它和同樣起制動(dòng)作用的電磁力矩Te疊加，這樣總制動(dòng)力矩大于原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械力矩Tj，也就是：Te+Tf＞Tj破壞了轉(zhuǎn)子上的受力平衡，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈減速趨勢(shì)[4-6]。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小的趨勢(shì)，會(huì)使得原先正常發(fā)電保持恒定的功角δ產(chǎn)生減小的趨勢(shì)，當(dāng)功角δ減小到0，由于機(jī)組的慣性，功角δ變繼續(xù)向負(fù)值增大。

根據(jù)發(fā)電機(jī)的功角特性，P∝ s inδ，功角δ減小，機(jī)組送出的有功功率也減小；功角δ為負(fù)值時(shí)，機(jī)組送出的有功功率就變?yōu)樨?fù)值，也就是吸收有功功率，從而使得機(jī)組運(yùn)行在逆功率狀態(tài)。

從另一個(gè)角度分析，也可得出相同的結(jié)論：機(jī)組高速加閘瞬間，機(jī)組出口斷路器并未斷開，仍然與系統(tǒng)相連，根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系：

式中，p為轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)，f為機(jī)組頻率。

電網(wǎng)頻率保持恒定，即不變，極對(duì)數(shù)p也不變，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n也保持不變。同時(shí)由于機(jī)組慣性的原因，也會(huì)在加閘瞬間使得轉(zhuǎn)速保持不變。

要使機(jī)組在加閘瞬間轉(zhuǎn)速保持不變，也就是作用在轉(zhuǎn)子上的制動(dòng)力矩Te+Tf和原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械力矩相等，即Te+Tf=Tj。由于Tj不變，要使此式成立，就必須減小電磁力矩Te。

再根據(jù)電磁力矩與功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如式（3）所示，高速加閘瞬間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n保持不變，要使電磁力矩Te減小，就必須減小有功功率P。高速加閘產(chǎn)生的制動(dòng)力矩越大，電磁力矩Te需要減小的幅度越大，相應(yīng)的，減小的有功功率P也就越大。

這個(gè)有功功率P減小的過程，只能依靠機(jī)組從系統(tǒng)中吸收有功來實(shí)現(xiàn)，這就出現(xiàn)了機(jī)組逆功率運(yùn)行的狀態(tài)[7]。

仍以甲抽水蓄能電站為例，假設(shè)都在額定轉(zhuǎn)速300r/min下高速加閘，根據(jù)式（1）、式（2）和式（3），可做出制動(dòng)時(shí)間（min）與吸收的有功功率（MW）的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 制動(dòng)時(shí)間與吸收有功的關(guān)系Figure 1 Relation between braking time and active power absorption

圖1中橫軸為制動(dòng)時(shí)間，縱軸為吸收的有功功率。由圖可知，制動(dòng)時(shí)間越短，吸收的有功功率越大；制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，吸收的有功功率越小。

3 逆功率保護(hù)動(dòng)作特性

如圖2所示，在P—Q平面上，逆功率保護(hù)的動(dòng)作特性用一條平行于Q軸的直線表示。當(dāng)機(jī)組從系統(tǒng)中吸收的有功功率達(dá)到直線及直線左側(cè)的陰影區(qū)域時(shí)，逆功率保護(hù)動(dòng)作。[8]

圖2 逆功率保護(hù)動(dòng)作特性Figure 2 Operational characteristics of inverse power protection

4 高速加閘實(shí)例

2019年，乙抽水蓄能電站某機(jī)組在額定發(fā)電工況下，發(fā)生高速加閘事故，逆功率保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。乙電站機(jī)組額定功率300MW，額定轉(zhuǎn)速250r/min，機(jī)端額定電壓16kV，事故前帶300MW負(fù)荷運(yùn)行。

事件列表中顯示：20時(shí)18分48秒，機(jī)械制動(dòng)投入；20時(shí)19分12秒，逆功率保護(hù)動(dòng)作出口。從機(jī)械制動(dòng)異常投入到逆功率保護(hù)動(dòng)作出口的時(shí)間大約為0.4min。根據(jù)式（1）、式（2）和式（3），可算出所需吸收的有功功率約為394MW。由于故障前帶300MW負(fù)荷運(yùn)行，因此，理論上吸收的有功應(yīng)為300-394=-94MW。

根據(jù)故障錄波，該抽水蓄能電站逆功率保護(hù)動(dòng)作時(shí)的機(jī)端電壓和機(jī)端電流有效值如表2所示。

表2 機(jī)端電壓和機(jī)端電流有效值Table 2 RMS of terminal voltage and current

根據(jù)表2可知，機(jī)端電壓與機(jī)端電流的相位角為170°，功率因數(shù)由正常發(fā)電的正值變成了負(fù)值，即發(fā)電機(jī)由原來的的發(fā)出有功功率變成了從系統(tǒng)吸收有功功率，吸收的有功功率P為：

該值與前文的理論計(jì)算值-94MW接近。一般情況下，逆功率保護(hù)的定值設(shè)為-5%PN，因此當(dāng)吸收的有功功率為91.5MW時(shí)，等于-30.5%PN，于是逆功率保護(hù)動(dòng)作出口跳機(jī)。

5 結(jié)束語

機(jī)組高速加閘的危害有：

（1）造成機(jī)械制動(dòng)閘板極大的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因局部高溫而斷裂，由此產(chǎn)生的碎片可能損傷定子線棒。

（2）高速加閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵與風(fēng)洞里的水蒸氣、油霧混合，附著在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組表面，使發(fā)電機(jī)絕緣下降。

（3）高速加閘時(shí)產(chǎn)生的較大的機(jī)械阻力，會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)部分以及相關(guān)軸瓦的損壞，情況惡劣時(shí)甚至?xí)饳C(jī)組火災(zāi)事故。

（4）高速加閘使機(jī)組處于逆功率運(yùn)行狀態(tài)，如果吸收的有功功率較大，會(huì)造成機(jī)組較大的振擺，從而對(duì)機(jī)組和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。

防止高速加閘的建議為：

（1）合理設(shè)計(jì)、完善機(jī)械制動(dòng)控制邏輯及回路，投入邏輯應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)速信號(hào)、機(jī)組開關(guān)位置信號(hào)、導(dǎo)葉位置信號(hào)等的閉鎖條件；退出邏輯應(yīng)設(shè)置高速加閘保護(hù)。

（2）與機(jī)械制動(dòng)控制相關(guān)的其他系統(tǒng)，如監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)完善相應(yīng)的邏輯設(shè)計(jì)，不能因其故障而造成機(jī)組高速加閘事故。