金建波,董曉英,李志超

(1.三峽水力發(fā)電廠,湖北 宜昌 443133;2.中國長江電力股份有限公司檢修廠 宜昌 443000)

1 逆功率保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀

發(fā)電機(jī)是向電力系統(tǒng)輸送有功功率的電氣設(shè)備,如果出現(xiàn)系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)倒送有功功率,即發(fā)電機(jī)變成電動機(jī)運(yùn)行,就是逆功率異常工況。作為汽輪發(fā)電機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)入逆功率異常運(yùn)行狀態(tài)時,由于汽輪機(jī)主汽門已關(guān)閉,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,此時汽輪機(jī)尾部葉片極易因過熱而損壞。燈泡式和斜流式等低水頭水輪機(jī)在逆功率工況下,低水流量的微觀水擊作用會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,最終致導(dǎo)水葉損傷。這些發(fā)電機(jī)組在逆功率運(yùn)行狀態(tài)下均會對發(fā)電機(jī)的原動機(jī)造成傷害,因此,宜裝設(shè)逆功率保護(hù)[1]。但 GB 14285—2006《繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)程》中未對除抽水蓄能以外的水輪機(jī)是否應(yīng)裝設(shè)逆功率保護(hù)做明確說明,因此,我國許多水輪發(fā)電機(jī)未裝設(shè)逆功率保護(hù)。

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。從三峽電站已投運(yùn)單機(jī) 700MW的水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況來看,大容量水輪發(fā)電機(jī)組在進(jìn)入逆功率情況下引起的振動及一系列問題不容忽視。本文結(jié)合三峽水輪發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行情況,討論大容量水輪發(fā)電機(jī)組裝設(shè)逆功率保護(hù)的必要性及應(yīng)用過程中的一些注意事項(xiàng)。

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。

保護(hù)原理:逆功率保護(hù)反映發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收有功功率的大小。電壓取自發(fā)電機(jī)機(jī)端 TV,電流取自發(fā)電機(jī)機(jī)端(或中性點(diǎn))TA。保護(hù)按三相接線,有功功率為

式中:φ為電壓超前電流的角度;動作判據(jù)為|P|＞Pset,Pset為逆功率保護(hù)動作整定值。

保護(hù)動作特性如圖 1所示,保護(hù)邏輯框圖如圖2所示。

3 水輪發(fā)電機(jī)組裝設(shè)逆功率保護(hù)的分析

三峽水力發(fā)電廠 700MW大型水輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)時未裝設(shè)逆功率保護(hù),機(jī)組無逆功率保護(hù)運(yùn)行。在#2機(jī)組調(diào)試期間,機(jī)組并網(wǎng)帶小負(fù)荷運(yùn)行,機(jī)組調(diào)速器電液伺服閥故障,使機(jī)組進(jìn)入逆功率狀態(tài)運(yùn)行,功率進(jìn)相達(dá) 150MW。機(jī)組逆功率運(yùn)行時振動特別大,機(jī)組發(fā)出轟鳴聲,振動使調(diào)速器電氣柜上調(diào)速器開機(jī)令保持繼電器節(jié)點(diǎn)抖動,調(diào)速器開機(jī)令復(fù)歸,水輪機(jī)導(dǎo)葉全關(guān)且無跳閘命令,機(jī)組無法返回正常發(fā)電狀態(tài),最后手動緊急停機(jī)。

經(jīng)過初次事故后,經(jīng)與機(jī)組生產(chǎn)廠家商定,三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組加裝逆功率保護(hù)。三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量700MW,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑 10.6m,轉(zhuǎn)動慣量大。機(jī)組逆功率運(yùn)行時,現(xiàn)場實(shí)測機(jī)組振動擺度很大。機(jī)組的大振動擺度會對機(jī)組的上機(jī)架、下機(jī)架及滑環(huán)產(chǎn)生破壞性的損壞,會使各部導(dǎo)瓦溫度急劇上升而燒壞導(dǎo)瓦,還會使保護(hù)、自動元器件誤動,對機(jī)組乃至系統(tǒng)產(chǎn)生不可預(yù)見的危害。可見,裝設(shè)逆功率保護(hù)以降低發(fā)電機(jī)組逆功率運(yùn)行造成的損害是非常必要的。

三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組在加裝逆功率保護(hù)時,針對二灘水電站水輪發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)誤動情況,參照汽輪機(jī)逆功率動作一般為主汽門關(guān)閉開關(guān)量和逆功率 1組成“與”門,經(jīng) 0.5s出口跳主斷路器和滅磁開關(guān),提出了在逆功率保護(hù)動作條件中增加水輪機(jī)導(dǎo)葉開度閉鎖條件。經(jīng)分析,由于三峽水力發(fā)電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很大,機(jī)組在并網(wǎng)時,導(dǎo)葉開度小于空載開度時機(jī)組即進(jìn)入逆功率運(yùn)行,只有增加導(dǎo)葉空載開度節(jié)點(diǎn)閉鎖才可行,但導(dǎo)葉空載開度節(jié)點(diǎn)的可靠性不高。三峽水力發(fā)電廠水輪機(jī)機(jī)組調(diào)速器的特性比較穩(wěn)定,大型水輪機(jī)進(jìn)入逆功率狀態(tài)需要一個時延,機(jī)組可以承受短時小負(fù)荷的逆功率,決定取消不可靠的閉鎖條件,采用短延時出口。

三峽水力發(fā)電廠在機(jī)組投產(chǎn)初期均加裝逆功率保護(hù),動作值為 3%Pn,延時 5 s跳閘。2003年10月,3F進(jìn)行動應(yīng)力試驗(yàn),有功進(jìn)相23MW左右,逆功率保護(hù)動作,動作值為 3%Pn,折算成一次側(cè)值為3%Pn=3%×700MW=21MW,保護(hù)正確動作。

后來考慮到機(jī)組調(diào)速器短時擾動后會很快恢復(fù),對調(diào)速器的抗擾動性能進(jìn)行了試驗(yàn),證明了三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的抗擾動性能很強(qiáng)。根據(jù)水輪機(jī)導(dǎo)葉從全開到全關(guān)需要 30 s,作者認(rèn)為機(jī)組可以承受短時 3%Pn逆功率運(yùn)行,決定將逆功率保護(hù)設(shè) 2段定值:I段,3%Pn,延時 3 s報警,給調(diào)速器一個恢復(fù)時間;在逆功率較深時,縮短延時時間快速跳閘,將第 II段定值設(shè)為 5%Pn,延時 3 s跳閘。定值更改后保護(hù)曾正確動作 3次。

逆功率保護(hù)按新定值投運(yùn) 1年多后,出現(xiàn)了另一個新的問題。2006年2月,#9機(jī)組調(diào)速器故障造成導(dǎo)葉全關(guān),引起逆功率保護(hù)動作,機(jī)組解列。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),#9機(jī)組調(diào)速器 TR10電液伺服閥線圈開路造成導(dǎo)葉全關(guān),同時#9勵磁調(diào)節(jié)器報勵磁故障(為 V/H限制動作),機(jī)組保護(hù) A,B套失磁動作。運(yùn)行人員通過監(jiān)控機(jī)組控制畫面發(fā)現(xiàn)#9機(jī)組轉(zhuǎn)速從 30%額定轉(zhuǎn)速持續(xù)上升,#9機(jī)組自行開機(jī)至97%轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn),運(yùn)行人員立即到現(xiàn)場手動停機(jī)。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn):#9機(jī)組調(diào)速器故障,但調(diào)速器開機(jī)令未復(fù)歸,停機(jī)流程未啟動。事故后對動作過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),逆功率保護(hù)跳閘后,動作出口只跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān),不滅磁、停機(jī)。機(jī)組轉(zhuǎn)速降低是因?yàn)檎{(diào)速器故障,而不是發(fā)停機(jī)令停機(jī)。調(diào)速器故障復(fù)歸以后,由于有調(diào)速器開機(jī)令,調(diào)速器自行開機(jī),當(dāng)時勵磁系統(tǒng)故障未復(fù)歸,未加勵磁。

為防止在逆功率保護(hù)動作后可能因停機(jī)令未復(fù)歸而導(dǎo)致調(diào)速器自動開機(jī)的問題再次發(fā)生,決定將左岸電站機(jī)組逆功率保護(hù) II段出口方式由5%Pn,延時 3s“跳閘 ”改為 5%Pn,延時 3 s“跳閘、滅磁、跳廠用變壓器、停機(jī)”。調(diào)整后,逆功率保護(hù)至今運(yùn)行良好。

三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組裝設(shè)逆功率保護(hù)后,避免了在機(jī)組有功進(jìn)相運(yùn)行時調(diào)速器故障使水輪機(jī)導(dǎo)葉來回擺動而對系統(tǒng)和其他機(jī)組安全運(yùn)行造成影響,避免了機(jī)組振動擺度加大對機(jī)組上機(jī)架、下機(jī)架、滑環(huán)、各部導(dǎo)瓦的損壞,對大容量水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了有效保護(hù)。

4 結(jié)論

三峽水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)運(yùn)行、動作情況及采用技術(shù)改造措施后的運(yùn)行狀況進(jìn)一步說明,大型水輪發(fā)電機(jī)裝設(shè)機(jī)組逆功率保護(hù)是非常必要的,在調(diào)速器系統(tǒng)故障時可以與系統(tǒng)快速隔離,保護(hù)機(jī)組的安全,保證電網(wǎng)安全。逆功率定值要根據(jù)機(jī)組的容量和進(jìn)相深度來綜合考慮,保護(hù)出口以停機(jī)、跳閘、滅磁為最優(yōu)。

[1]王維儉,侯炳蘊(yùn).大型機(jī)組保護(hù)繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)[M].北京:水利電力出版社,1982.