棒电源系统发电机逆功率保护优化及探讨

许 亮

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222000）

0 引言

棒电源系统为控制棒驱动机构线圈提供连续供电，由两套带飞轮的电动发电机组组成，输出额定电压为260 V，当2 套机组都发生失效会导致核电站控制棒落棒事故进而导致停堆。每套棒电源系统配备的储能飞轮，双机组并联工况下，能确保1 台机组在电动机电源发生故障或者扰动后的1.2 s 内，利用自身的转动惯量将发电机输出电压的频率和特性维持在可接受的限值范围内。当持续发生电源失去或电机本体故障，导致发电机输出有功功率，逆功率则触发动作，避免发电机损耗和消除1 台机组受电源扰动导致正常电动发电机机组发生故障风险。

1 棒电源系统及逆功率保护概况

棒电源系统配置2 套完全相同的机组，每套机组含1 台卧式鼠笼式异步电机和1 台带电压调节器的三相无刷励磁同步发电机，异步电机额定功率135 kW，额定电流244 A，同步发电机容量为400 kVA，额定电流888 A，额定有功功率为100 kW，满负载效率大于0.76，功率因数0.25。

在每套棒电源机组的控制柜内，配备有1 只功逆功率保护的功率继电器，为Woodward 厂家生产，型号XP2-R，逆功率动作功率设定在-9 kW。根据设计要求，当发生逆功率工况，逆功率继电器能准确动作，及时切断故障机组的上游接触器和下游断路器，隔离故障机组，避免发电机当同步电动机运行，干扰正常的发电机组运行。

2 逆功率保护原理及危害

2.1 保护原理

逆功率继电器通过采集电压和电流信号，经过内部微处理器计算一个周期内的功率，计算公式为：

当计算出来的功率和设定功率参数进行比较，超过或低于设定功率值，则会触发对应的动作。以其逆功率检测功能而言，当在1 个周期内，计算出来的功率超过逆功率设定值，当延时时间到达时，则会触发逆功率动作。

该功率继电器有3 种采集模式，既可采集三相三线制中的相电流、线电压，也可采集三相四线制中的相电流、线电压或相电流、相电压。棒电源系统为三相四线系统，采集方式通过采集相电流、线电压值来进行功率计算，当逆功率动作时，由一副常闭触点方式串入回路实现回路断开功能，工作原理如图1 所示。

图1 逆功率继电器工作原理

2.2 危害

当棒电源系统发生逆功率的异常工况，发电机作为同步电机运行，会存在以下危害：

（1）当电机发生堵转时，上游保护无法立即切除，则会导致巨大制动转矩，使得正常运行的发电机过载。

（2）当电机上游电源频率降低时，会形成制动转矩，影响机组正常运行。

（3）当由于电机电源失去导致了逆功率，则会导致发电机发生机械损耗。

3 拒动现象和原因分析

3.1 逆功率未动作情况

在执行棒电源机组负载试验时，发电机带恒定负载的情况下，当电机失去上游电源时，通过观察显示屏上的功率值，发电机检测到的功率情况如图2 所示。显然可见，逆功率工况下，捕捉到的发电机功率数值在-7 kW 到-8 kW 间波动。目前逆功率继电器动作定值为-9 kW，逆功率继电器保护不动作。

图2 逆功率工况下功率波动

3.2 逆功率拒动可能原因

3.2.1 显示仪表观察到的功率和实际功率存在偏差

试验时通过综合电量显示仪表实时显示的功率值功率为-7 kW 到-8 kW，逆功率未动作。推断可能原因是测量有偏差，导致显示的功率值和实际达到的逆功率动作值有差异。

通过外部给定综合电量显示仪测量信号，比较电量显示仪上显示的值，平均偏差在2%以内，对综合电量测量回路进行校验，发现不存在回路接线问题，排除了测量偏差导致显示不准确问题。可以认为，综合电量显示屏上显示的值和实际值可以等同。

3.2.2 逆功率继电器发生损坏或校验有误

经对逆功率继电器重新单独进行校验，给定整定值都能准确发生动作。重复进行了多次校验，发现校验出的动作值，和整定值偏差在允许范围以内，符合该继电器的动作范围，逆功率继电器可判定未发生损坏。

3.2.3 逆功率定值设定不合理

经过上述的分析，目前在发生发电机作为同步电机运转情况逆功率继电器不发生动作的可能性是，当前控制柜逆功率设定值相对偏大或者动作延时时间过长，导致逆功率在延时时间内不能准确触发动作。

4 逆功率保护优化

4.1 定值核算

根据DL/T 684—2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》：300 MW 及以上发电机逆功率运行时，发电机有功功率P 和逆功率继电器Pop的动作功率有以下关系：

针对逆功率继电器动作功率，则有：

式中，Krel 为可靠系数，取0.5 到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%；P2为发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般取P2=（1-n）Pgn，其中，n 为发电机效率，取98.6%～98.7%（分别对应300 MW 及600 MW），Pgn为发电机额定功率。

根据该导则整定计算，棒电源机组逆功率动作功率为：（-11.675～-21.9）kW。

该导则中，P1值主要考虑汽轮机叶片在逆功率运行状态下尾部蒸汽摩擦导致的损耗。而棒电源机组电动发电机，电机无叶片摩擦损坏，损耗很小，可以忽略不计，因此导则中公式不适用于棒电源发电机组的逆功率计算。

棒电源机组损耗主要集中在发电机的铁耗和机械磨损，故逆功率运行状态下，损耗公式可取Pop=Krel×P2进行计算。由棒电源机组发电机额定功率为100 kW，效率为0.78，Pop=Krel×P2，逆功率继电器动作功率区间应在（-11～-17.6）kW。

4.2 棒电源机组逆功率工况和动作功率分析

由《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》写明，逆功率保护定值应根据保护装置的实测逆功率值进行校核。

根据对试验时功率监测，当发电机作为电机运行时，棒电源机组逆功率动作值稳定在（-6～8）kW 左右。在完成1 台棒电源机组模拟逆功率动作情况后，对剩余该电站的另外3 台棒电源机组做同样试验，发现，出现同样情况，棒电源机组逆功率动作值稳定在（-6～8）kW 左右。

即棒电源机组在逆功率工况下，发电机运行损耗取P2=（-6～8）kW，Krel 取0.5～0.8，则核算出棒电源机组逆功率实际动作定值应在（-3～6.4）kW 之间。

4.3 逆功率继电器定值进行优化

经对棒电源机组逆功率工况和动作功率分析，考虑到在发生逆功率工况时，逆功率继电器能及时出口动作，可以采用两种办法来进行保护优化：

调整逆功率保护动作定值或缩短动作延时时间。目前逆功率动作延时时间设定在4 s，考虑到在发生电源切换或电源扰动的恢复时间，将动作延时时间缩短，不能保证因电源切换或扰动短时内引起的逆功率工况下对发电机组正常工作能力的影响。

故可以通过采取将逆功率继电器定值适当减小的办法来进行优化，经过试验验证，当整定逆功率动作功率在-6 kW，发电机能准确切断上下游开关，同时该定值也符合整定计算导则中对逆功率保护动作动率定值一般整定为（0.5%～2%）Pgn 的要求。

5 结束语

通过对棒电源机组逆功率动作定值的优化改进，在棒电源发电机组发生逆功率工况下，能准确实现故障机组隔离，避免了棒电源机组在发电机变成电机运行时对电机造成的损坏，提升了逆功率动作的灵敏性。调试阶段通过对棒电源逆功率保护定值进行了优化后，既能准确保护动作，目前也已稳定运行1 年左右，可见当前的优化是合理和可靠的，对M310 型核电机组棒电源系统或同类型电动发电机组逆功率保护优化极具借鉴意义。