轴流转桨式水轮机组逆功率保护配置探讨

轴流转桨式水轮机组逆功率保护配置探讨

刘亚明

挂治水电厂 贵州 锦屏 556700

摘要：本文结合实际探究轴流转浆式机组配置逆功率保护的必要性，介绍了逆功率保护原理及定值整定原则，结合轴流转桨式机组特点，说明逆功率保护可以有效避免该类型机组可能出现的逆功率运行状态导致的设备损坏，提高事故应急处置效率，并可以产生一定的经济效益。

关键词：轴流转桨式机组  逆功率   保护 

Discussiononreversepowerprotectionconfigurationofaxial-flowpropellerturbine

Liu Yaming

(Guazhi Hydro-electric  Power  Station，Jinping 556700,China)

Abstract:Thispaperexploresthenecessityofconfiguringreversepowerprotectionforaxial-flowpaddleunits,introducestheprincipleofreversepowerprotectionandthesettingprinciple,andexplainsthatreversepowerprotectioncaneffectivelyavoidthepossiblereversepoweroperationstateoftheunits,improvetheemergencydisposalefficiency,andgeneratecertaineconomicbenefits.

Keyword: Axialflowpropellerunit,reversepower,protection

0 引言

发电机正常并网运行时，转子在水轮机或汽轮机的驱动作用下以同步转速旋转，形成转子旋转磁场Qf，此时定子线圈内流过频率为50Hz的交变电流，交变电流在线圈两端产生磁动势，形成定子交变磁场Qδ。发电机正常运行时，转子磁场Qf属于驱动磁场，Qf超前于Qδ一个角度，即功角δ（δ反映出发电机所带负荷的大小），转子磁场拖着定子交变磁场Qδ以同步转速旋转，从而形成稳定发电状态，向系统输送有功功率。当导叶或汽门全关时，转子上的输入功率为零，转子的阻尼绕组就成为转子的负载，使得功角δ为“负”，即转子磁场Qf变为落后于定子电枢磁场Qδ，使得Qδ拖着Qf转动，定子电枢磁场转矩变为驱动转矩，发电机运行在空载电动机状态，空载损耗由电网供给，如果电机转轴上叠加机械负载转矩（即发电机转子带动转轮旋转），转子磁场就更加落后，使功角δ的负值增大，为了达到新的功角平衡，定子电枢磁场转矩也增大，此时定子、转子电流增大，发电机将水轮机作为自身的负载运行在电动机状态，从系统吸收有功功率，称为发电机的逆功率运行。

1 轴流转桨式机组逆功率保护配置的必要性探讨

GB/T14285《继电保护和安全自动装置技术规程》、SL455《水利水电工程继电保护设计规程》等标准对汽轮机及贯流式和斜流式等低水头水轮发电机组逆功率保护配置进行了要求。但相关标准对轴流转桨式机组逆功率保护配置要求均未进行说明，因此我国许多轴流转桨式水轮发电机未装设逆功率保护。

为适应系统调节需求及协联关系需要，轴流转桨式机组导、桨叶均参与功率调节，电气及机械元器件均动作频繁，导致调速器系统出现故障的频率较高，某厂就曾多次出现比例伺服阀发卡、PLC控制模块故障等情况，引起导叶全关，机组逆功率运行。由于轴流转桨式机组水头低、流量大，逆功率运行时转轮在尾水中旋转，易在转轮表面形成汽泡或汽穴，造成频率很高、压力很大的微观水击，致使转轮叶片表面产生疲劳损坏、温度升高，产生电离和化学腐蚀，损坏叶片；同时旋转的叶片使水流产生很大的压力，作用在密封装置上容易导致设备损坏，旋转的水流在转轮室和尾水管中行程旋转脉动势能，造成水轮机产生较大振动，从而损坏水导轴承、组合轴承、转轮室，甚至影响受油器、发电机等部件，因此机组不宜长时间逆功率运行。NB/T35010《水力发电厂继电保护设计规范》也要求：逆功率保护对于发电机有可能变电动机运行的异常运行方式，宜装设逆功率保护，保护带时限动作于解列。

2 逆功率保护原理

挂治水电厂位于沅水干流上游河段清水江的中下游，坝址位于贵州省黔东南苗族侗族自治州锦屏县境内，是沅水已开发梯级的第2级电站。电厂总装机容量为150MW，采用3台单机容量50MW的轴流转桨式机组，水轮机型号为ZZ－LH－580。水轮机、发电机由浙江富春江水电设备有限公司设计、制造，额定水头为20.7m，额定流量为270.4m³/s，转轮中心高程为290.39，尾水位为295-300m。

机组投产时机组未配置逆功率保护，运行中曾出现调速器系统故障引起导叶全关，机组逆功率运行的情况。后经计算论证，对发电机保护装置进行改造，增加了逆功率保护，在出现逆功率时保护延时动作，及时结束了机组的不正常运行状态，提高了应急处置效率，有效保护了机组安全稳定运行。

2.1 逆功率保护原理

　　逆功率保护一般设有一段两时限，短延时发信，长延时跳闸，电压取自发电机机端TV，电流取自发电机中性点处TA。保护装置对内部测量级TA和保护级TA通过软切换，在小电流下采用测量级 TA 采样通道、大电流下采用保护级TA通道，保证电流的测量精度。同时采取多级角度补偿的方法，保证了在无功 宽范围下对功率测量时的高精度（精度可达 0.5%）。功率的计算采用两表法，即：P=RE{UABIA+UＣＢIＣ}，逆功率保护受 TV 断线闭锁。

发电机逆功率保护逻辑框图

2.2 逆功率保护定值

逆功率动作功率定值计算公式：Pop=Krel（P1+P2）PGE，

其中Krel为可靠系数，一般取0.5~0.8；

P1 为水轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2%~4%；

P2为发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般取P2≈（1-Ƞ）PGE，Ƞ为发电机效率，一般取 98.6%~98.7%；

PGE为发电机额定功率。

已知发电机额定运行时的效率不小于 98.03%，水轮机在逆功率运行时的最小损耗约为（导水叶关闭后，水轮机的叶片在水面以下）10%PGE，故逆功率保护的动作值为

Pop=Krel{10%+(1-98.03%)}PGE，

可靠系数Krel取0.5,Pop取6%PGE，发信延时t1取3s,跳闸延时t2取6s。

3 逆功率保护动作分析

2020年10月16日13点40分。电厂1号机组调速器在运行过程中A套所有PLC模块失电，调速器自动切换至B套运行，检查发现A套PLC的电源模块损坏，更换模块后连接PLC发现CPU程序丢失。恢复程序后，在机组带5MW负荷左右时，手动将B套主用切换至A套主用，随后导叶全关，逆功率保护动作（查看动作报告逆功率达到20%PGE）。

分析保护动作原因为由于1号机调速器PLC型号老旧，内置供电电池装于电源模块，CPU模块无单独供电电池，当电源模块损坏后，电池无法继续给CPU模块供电，导致程序丢失。更换电源模块后，将备份程序导入A套CPU，并将B套主用切换至A套主用时，A套程序导入，此时A套程序未履行一个完整的开停机流程，判定机组处于不定态，所以在切换至A套主用后导叶全关，机组进入逆功率运行状态，达到动作定值后发电机保护装置正确动作停机。

4 结论

轴流转桨式机组是双调机组，设备元器件多、调节程序复杂，相应的故障率也较高，机组逆功率运行几率也较大，逆功率运行时机组温度振动较大，不利于设备安全，同时对于无人值班电站，也将产生较大的电量损失。因此有必要配置合理的逆功率保护，及时停止机组不正常运行状态，将产生一定的安全和经济效益，对其他类似机组具有借鉴意义。

参考文献：

【1】《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》DL/T 684-2012

【2】《三峡水力发电厂水轮发电机组逆功率保护应用分析》金建波

作者简介：

刘亚明：河南安阳人，1986年出生，工程师，从事电力系统电气设备维护、检修工作

通讯地址： 贵州省锦屏县挂治水电厂（邮编556700）