乌江渡发电厂水轮发电机组逆功率保护的应用

摘要：为了防止水轮发电机组发生逆功率运行工况，介绍了250 MW水轮发电机组逆功率保护在乌江渡发电厂的应用情况以及保护整定值的计算过程，证明了该保护装置可有效减轻机组运行中出现逆功率运行异常工况时对设备造成的损伤，可为同类型水电厂逆功率保护装置的装设提供参考。

关键词：水轮发电机;逆功率保护;保护定值整定

1 逆功率保护应用现状

水轮发电机组在正常工作状态下是向电网输送有功功率的电气设备，若不是系统设置的专用调相水轮发电机组，当发电机组失磁或其他原因，发电机有可能变为电动机运行，即在运行中出现吸收电网有功功率的异常现象，此时发电机转变为电动机运行，这就是机组逆功率异常运行工况。当出现逆功率工况时，发电机的保护装置随之动作于发信号或动作于跳闸。

逆功率保护较多地利用于抽水蓄能电站，其在水泵工况下吸收系统有功功率，为保护机组，减少逆功率工况下对机组造成的损伤，常需要装设逆功率保护装置[1]，但常规水电厂中机组设逆功率保护装置的应用实例并不多。

随着我国水电事业的快速发展，水电装机单机容量越来越大，在大型混流式水轮发电机组上，调速器出现故障或人为原因造成导叶紧急关闭，发电机出口断路器却未跳闸，会造成发电机从系统中吸收有功功率，变为逆功率运行工况。大型混流式水轮发电机的转轮直径比较大，原动机转动惯量GD2也较大，使得机组振动摆度加大，进而造成机组上下机架、碳刷滑环严重损坏，特别是机组振动时使推力轴承、水导轴承、上导轴承温度剧烈上升，严重时可出现烧瓦事故。机组出现逆功率工况，对机组和电网系统的安全运行会造成严重破坏。

2 逆功率保护原理

逆功率保护是反映发电机组出现有功功率倒送，发电机变为电动机运行异常工况的保护。同时，逆功率保护也可用于程序跳闸的启动元件。

微机型继电保护装置出现之前，逆功率保护均应用在晶体管式继电保护装置、集成电路继电保护装置中，其主要由一个灵敏的功率继电器构成，即逆功率继电器，动作原理大致有以下3种：（1）幅值比较型;（2）相位比较型;（3）cos ？准型。逆功率继电器大多数工作在动作边界附近，且发电机在逆功率运行时其反向功率小，则经过CT传变后，其二次电流值以及动作电流值将更小;一般的功率继电器通常不需要整定动作功率，不单独构成保护，而逆功率继电器单独构成保护。综上所述，逆功率继电器需要具备以下技术条件：（1）有很高的电流灵敏度;（2）具有精确测量有功功率的动作特性;（3）其单独构成保护，可根据不同发电机组的实际情况整定其动作功率。

在微机继电保护装置普遍应用后，逆功率保护多用于采集机端三相电压与机端三相电流来计算有功功率，经逆功率元件动作后出口。逆功率保护逻辑如图1所示。

当发电机吸收有功功率的数值大于保护定值时，经短延时t1发信号，长延时t2作用于机组解列，防止发电机处于吸收有功功率的异常运行状态。

3 逆功率运行危害

逆功率运行对于汽轮机和水轮发电机均有损害。汽轮机处于逆功率运行工况下，汽轮机尾部叶片与残留蒸汽产生摩擦而形成鼓风损耗，容易导致汽轮机尾部叶片过热而损坏;水轮发电机组在逆功率运行工况下，低水流量的微观水击作用会产生空蚀现象，而空蚀是造成水轮机转轮叶片损伤的主要因素，而且长时间逆功率运行可能导致发电机绕组过热甚至烧毁，发电机变为电动机运行后会给原动机产生一个反向力矩，导致原动机严重损坏，造成较大的经济损失[2]。因此，水轮发电机组宜装设逆功率保护。

发电机逆功率保护的设置是为了在发电机变为电动机运行时保护原动机的安全。其主要动作机理是当机组吸收有功功率数值超过保护定值，并在设置的延时时间内功率没有恢复正常的情况下，保护装置动作于发电机出口开关跳闸，与电网系统断开，避免严重损伤发电机。

4 逆功率保护定值整定

乌江渡发电厂坐落于贵州遵义乌江镇境内，在贵州电网中肩负着调频、调整黔粵潮流负荷曲线的重任。全厂总装机容量为5×250 MW，设计年发电量为40.56亿kWh。该厂为地下式厂房，有5台单机容量为250 MW的水轮发电机组，发电机与变压器采用单元接线连接。该厂主系统为“两厂两网”接线方式，1号厂电气主接线为单母线分段接线，2号厂电气主接线为扩大内桥接线。5台发电机配置了国电南自生产的DGT801U-C数字式发电机保护装置。现以乌江渡发电厂#4机组为例，详细描述逆功率保护定值的整定过程。

4.1    整定计算依据

本次计算按照贵州中调下发的系统短路容量通知单进行整定计算，其中在各点故障时的系统短路阻抗如表1所示（100 MVA容量下）。

系统最大运行方式选择：#4、#5机全开。最小运行方式选择：#4机开机，#5机停机。

保护定值整定计算引用标准包括：《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》（DL/T 684—2012）[3]，简称《导则》;南方电网220 kV及以上系统并网电厂继电保护整定计算及定值审核模板（试行）;《大型发电机变压器继电保护整定计算规程》（Q/CSG 1204025—2017），简称《南网规程》;《贵州电网2018年度继电保护运行说明》，简称《运行说明》;《贵州电网2018年继电保护整定方案》，简称《整定方案》;《DGT 801U系列数字式发电机变压器组保护装置技术说明书》，简称《技术说明书》;《继电保护和安全自动装置基本试验方法》（GB/T 7261—2016）[4]。

4.2    计算原始参数

#4发电机型号为SF250-40/10800，为东方电机厂生产的立式三相同步发电机，额定容量SN=285.7 MVA，额定功率PN=250 MW，功率因数cos  ？准=0.875（滞后），额定电压UN=15.75 kV，额定电流IN=10 473 A。纵轴同步电抗Xd=1.012 17 Ω，纵轴暂态电抗Xd′=0.241 Ω，纵轴次暂态电抗Xd″=0.192 Ω，横轴同步电抗Xq=0.596 36 Ω，横轴瞬变电抗Xq′=0.596 36 Ω，超瞬变电抗Xq″=0.23 Ω，负序电抗X2=0.210 5 Ω。

4.3    基准值、标幺值计算

据《南网规程》规定：

Pop=Krel（P1+P2）

式中：Krel为可靠系数，取0.5～0.8，建议Krel取较大值，Krel=0.8;P1为汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的1%～4%，建议P1取较大值，P1=4%;Pgn=0.04×132.307≈5.292 W;P2为发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般取P2≈（1-η）·Pgn，η为发电机效率，由制造厂家提供，一般取98.6%～98.7%，根据运行规程，我厂#4机发电机效率为98.65%，取P2=（1-0.986 5）Pgn=0.013 5×132.307=1.786 W。

综上，Pop=0.8×（5.292+1.786）≈5.662 W，取负值-5.662 W（逆功率保护定值为发电机吸收的有功数值，因此为负值）。

按《技术说明书》规定：动作功率Pop=（-6%～-0.5%）Pgn，Pop取值范围为-7.938～0.661 W。

按《导则》4.8.3规定，动作功率Pop=（0.5%～2%）Pgn，取负值，Pop取值范围为-2.646 14～0.661 W;综合考虑取Pop=-5.662 W。

对于发信号动作时间t1，综合考虑取t1=2 s，动作行为：发信号。

对于跳闸动作时间t2，综合考虑取t2=5 s，动作行为：解列灭磁（跳GCB、FMK、启动GCB失灵）。

5 结语

水电站发电机逆功率保护的设置，可有效避免调速器出现故障等导致机组发生逆功率运行，对原动机造成危害，结合近年来水电行业水轮发电机发生的逆功率运行事件对机组安全运行、电站安全生产带来的影响，可见逆功率保护的设置尤为必要[5]。乌江渡发电厂发电机逆功率保护装置的设置，可防止机组由于逆功率运行导致机组振动摆度增大，进而造成機组上下机架、碳刷滑环、推力轴承、水导轴承、上导轴承损坏，以及发电机变为电动机运行后产生的反向力矩对原动机的损坏，实现了对大容量水轮发电机组的有效保护。

[参考文献]

[1] 金建波，董晓英，李志超.三峡水力发电厂水轮发电机组逆功率保护应用分析[J].华电技术，2010，32（3）：17-18.

[2] 谭健，江金芬.船舶电站逆功率故障浅析[J].广东造船，2019，38（4）：93-95.

[3] 大型发电机变压器继电保护整定计算导则：DL/T 684—2012[S].

[4] 继电保护和安全自动装置基本试验方法：GB/T 7261—2016[S].

[5] 王旭.发电机组逆功率保护配置分析及定值整定实例[J].科技创新与应用，2018（15）：54-55.

收稿日期：2020-08-10

作者简介：令狐娇龙（1988—），男，贵州遵义人，助理工程师，从事水电运行工作。