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)電廠的應(yīng)用情況以及保護(hù)整定值的計算過程，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)行異常工況時對設(shè)備造成的損傷，可為同類型水電廠逆功率保護(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)殡妱訖C(jī)運(yùn)行，即在運(yùn)行中出現(xiàn)吸收電網(wǎng)有功功率的異常現(xiàn)象，此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C(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，發(fā)電機(jī)的保護(hù)裝置隨之動作于發(fā)信號或動作于跳閘。

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)水電廠中機(jī)組設(shè)逆功率保護(hù)裝置的應(yīng)用實例并不多。

隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，水電裝機(jī)單機(jī)容量越來越大，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，原動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量GD2也較大，使得機(jī)組振動擺度加大，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)組振動時使推力軸承、水導(dǎo)軸承、上導(dǎo)軸承溫度劇烈上升，嚴(yán)重時可出現(xiàn)燒瓦事故。機(jī)組出現(xiàn)逆功率工況，對機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行會造成嚴(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)殡妱訖C(jī)運(yùn)行異常工況的保護(hù)。同時，逆功率保護(hù)也可用于程序跳閘的啟動元件。

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，其主要由一個靈敏的功率繼電器構(gòu)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(zhǔn)型。逆功率繼電器大多數(shù)工作在動作邊界附近，且發(fā)電機(jī)在逆功率運(yùn)行時其反向功率小，則經(jīng)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(gòu)成保護(hù)，而逆功率繼電器單獨構(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）具有精確測量有功功率的動作特性;（3）其單獨構(gòu)成保護(hù)，可根據(jù)不同發(fā)電機(jī)組的實際情況整定其動作功率。

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)端三相電流來計算有功功率，經(jīng)逆功率元件動作后出口。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，經(jīng)短延時t1發(fā)信號，長延時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，低水流量的微觀水擊作用會產(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，而且長時間逆功率運(yùn)行可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組過熱甚至燒毀，發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱訖C(jī)運(yùn)行后會給原動機(jī)產(chǎn)生一個反向力矩，導(dǎo)致原動機(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)殡妱訖C(jī)運(yùn)行時保護(hù)原動機(jī)的安全。其主要動作機(jī)理是當(dāng)機(jī)組吸收有功功率數(shù)值超過保護(hù)定值，并在設(shè)置的延時時間內(nèi)功率沒有恢復(fù)正常的情況下，保護(hù)裝置動作于發(fā)電機(jī)出口開關(guān)跳閘，與電網(wǎng)系統(tǒng)斷開，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)荷曲線的重任。全廠總裝機(jī)容量為5×250 MW，設(shè)計年發(fā)電量為40.56億kWh。該廠為地下式廠房，有5臺單機(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連接。該廠主系統(tǒng)為“兩廠兩網(wǎng)”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(kuò)大內(nèi)橋接線。5臺發(fā)電機(jī)配置了國電南自生產(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#4機(jī)組為例，詳細(xì)描述逆功率保護(hù)定值的整定過程。

4.1 ? ?整定計算依據(jù)

本次計算按照貴州中調(diào)下發(fā)的系統(tǒng)短路容量通知單進(jìn)行整定計算，其中在各點故障時的系統(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。最小運(yùn)行方式選擇：#4機(jī)開機(jī)，#5機(jī)停機(jī)。

保護(hù)定值整定計算引用標(biāo)準(zhǔn)包括：《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》（DL/T 684—2012）[3]，簡稱《導(dǎo)則》;南方電網(wǎng)220 kV及以上系統(tǒng)并網(wǎng)電廠繼電保護(hù)整定計算及定值審核模板（試行）;《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算規(guī)程》（Q/CSG 1204025—2017），簡稱《南網(wǎng)規(guī)程》;《貴州電網(wǎng)2018年度繼電保護(hù)運(yùn)行說明》，簡稱《運(yùn)行說明》;《貴州電網(wǎng)2018年繼電保護(hù)整定方案》，簡稱《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)說明書》，簡稱《技術(shù)說明書》;《繼電保護(hù)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(shù)

#4發(fā)電機(jī)型號為SF250-40/10800，為東方電機(jī)廠生產(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?？v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，由制造廠家提供，一般取98.6%～98.7%，根據(jù)運(yùn)行規(guī)程，我廠#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)說明書》規(guī)定：動作功率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。

對于發(fā)信號動作時間t1，綜合考慮取t1=2 s，動作行為：發(fā)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(jié)語

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，對原動機(jī)造成危害，結(jié)合近年來水電行業(yè)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生的逆功率運(yùn)行事件對機(jī)組安全運(yùn)行、電站安全生產(chǎn)帶來的影響，可見逆功率保護(hù)的設(shè)置尤為必要[5]。烏江渡發(fā)電廠發(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)殡妱訖C(jī)運(yùn)行后產(chǎn)生的反向力矩對原動機(jī)的損壞，實現(xiàn)了對大容量水輪發(fā)電機(jī)組的有效保護(hù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 金建波，董曉英，李志超.三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)應(yīng)用分析[J].華電技術(shù)，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(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則：DL/T 684—2012[S].

[4] 繼電保護(hù)和安全自動裝置基本試驗方法：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。