三峡水力发电厂水轮发电机组逆功率保护应用分析

2010-07-30金建波董晓英李志超

综合智慧能源 2010年3期

金建波,董晓英,李志超

(1.三峡水力发电厂,湖北宜昌 443133;2.中国长江电力股份有限公司检修厂宜昌 443000)

1 逆功率保护应用现状

发电机是向电力系统输送有功功率的电气设备,如果出现系统向发电机倒送有功功率,即发电机变成电动机运行,就是逆功率异常工况。作为汽轮发电机,当转入逆功率异常运行状态时,由于汽轮机主汽门已关闭,汽轮机尾部叶片与残留蒸汽产生摩擦而形成鼓风损耗,此时汽轮机尾部叶片极易因过热而损坏。灯泡式和斜流式等低水头水轮机在逆功率工况下,低水流量的微观水击作用会产生气蚀现象,最终致导水叶损伤。这些发电机组在逆功率运行状态下均会对发电机的原动机造成伤害,因此,宜装设逆功率保护[1]。但 GB 14285—2006《继电保护技术规程》中未对除抽水蓄能以外的水轮机是否应装设逆功率保护做明确说明,因此,我国许多水轮发电机未装设逆功率保护。

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。从三峡电站已投运单机 700MW的水轮发电机组的运行情况来看,大容量水轮发电机组在进入逆功率情况下引起的振动及一系列问题不容忽视。本文结合三峡水轮发电机组投产运行情况,讨论大容量水轮发电机组装设逆功率保护的必要性及应用过程中的一些注意事项。

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。

保护原理:逆功率保护反映发电机从系统吸收有功功率的大小。电压取自发电机机端 TV,电流取自发电机机端(或中性点)TA。保护按三相接线,有功功率为

式中:φ为电压超前电流的角度;动作判据为|P|＞Pset,Pset为逆功率保护动作整定值。

保护动作特性如图 1所示,保护逻辑框图如图2所示。

3 水轮发电机组装设逆功率保护的分析

三峡水力发电厂 700MW大型水轮发电机组在设计时未装设逆功率保护,机组无逆功率保护运行。在#2机组调试期间,机组并网带小负荷运行,机组调速器电液伺服阀故障,使机组进入逆功率状态运行,功率进相达 150MW。机组逆功率运行时振动特别大,机组发出轰鸣声,振动使调速器电气柜上调速器开机令保持继电器节点抖动,调速器开机令复归,水轮机导叶全关且无跳闸命令,机组无法返回正常发电状态,最后手动紧急停机。

经过初次事故后,经与机组生产厂家商定,三峡水力发电厂水轮发电机组加装逆功率保护。三峡水力发电厂水轮发电机组单机容量700MW,水轮机转轮直径 10.6m,转动惯量大。机组逆功率运行时,现场实测机组振动摆度很大。机组的大振动摆度会对机组的上机架、下机架及滑环产生破坏性的损坏,会使各部导瓦温度急剧上升而烧坏导瓦,还会使保护、自动元器件误动,对机组乃至系统产生不可预见的危害。可见,装设逆功率保护以降低发电机组逆功率运行造成的损害是非常必要的。

三峡水力发电厂水轮发电机组在加装逆功率保护时,针对二滩水电站水轮发电机组逆功率保护误动情况,参照汽轮机逆功率动作一般为主汽门关闭开关量和逆功率 1组成“与”门,经 0.5s出口跳主断路器和灭磁开关,提出了在逆功率保护动作条件中增加水轮机导叶开度闭锁条件。经分析,由于三峡水力发电厂水轮机转动惯量很大,机组在并网时,导叶开度小于空载开度时机组即进入逆功率运行,只有增加导叶空载开度节点闭锁才可行,但导叶空载开度节点的可靠性不高。三峡水力发电厂水轮机机组调速器的特性比较稳定,大型水轮机进入逆功率状态需要一个时延,机组可以承受短时小负荷的逆功率,决定取消不可靠的闭锁条件,采用短延时出口。

三峡水力发电厂在机组投产初期均加装逆功率保护,动作值为 3%Pn,延时 5 s跳闸。2003年10月,3F进行动应力试验,有功进相23MW左右,逆功率保护动作,动作值为 3%Pn,折算成一次侧值为3%Pn=3%×700MW=21MW,保护正确动作。

后来考虑到机组调速器短时扰动后会很快恢复,对调速器的抗扰动性能进行了试验,证明了三峡水力发电厂水轮发电机组调速器的抗扰动性能很强。根据水轮机导叶从全开到全关需要 30 s,作者认为机组可以承受短时 3%Pn逆功率运行,决定将逆功率保护设 2段定值:I段,3%Pn,延时 3 s报警,给调速器一个恢复时间;在逆功率较深时,缩短延时时间快速跳闸,将第 II段定值设为 5%Pn,延时 3 s跳闸。定值更改后保护曾正确动作 3次。

逆功率保护按新定值投运 1年多后,出现了另一个新的问题。2006年2月,#9机组调速器故障造成导叶全关,引起逆功率保护动作,机组解列。经检查发现,#9机组调速器 TR10电液伺服阀线圈开路造成导叶全关,同时#9励磁调节器报励磁故障(为 V/H限制动作),机组保护 A,B套失磁动作。运行人员通过监控机组控制画面发现#9机组转速从 30%额定转速持续上升,#9机组自行开机至97%转速空转,运行人员立即到现场手动停机。现场检查发现:#9机组调速器故障,但调速器开机令未复归,停机流程未启动。事故后对动作过程进行分析发现,逆功率保护跳闸后,动作出口只跳发电机出口开关,不灭磁、停机。机组转速降低是因为调速器故障,而不是发停机令停机。调速器故障复归以后,由于有调速器开机令,调速器自行开机,当时励磁系统故障未复归,未加励磁。

为防止在逆功率保护动作后可能因停机令未复归而导致调速器自动开机的问题再次发生,决定将左岸电站机组逆功率保护 II段出口方式由5%Pn,延时 3s“跳闸 ”改为 5%Pn,延时 3 s“跳闸、灭磁、跳厂用变压器、停机”。调整后,逆功率保护至今运行良好。

三峡水力发电厂水轮发电机组装设逆功率保护后,避免了在机组有功进相运行时调速器故障使水轮机导叶来回摆动而对系统和其他机组安全运行造成影响,避免了机组振动摆度加大对机组上机架、下机架、滑环、各部导瓦的损坏,对大容量水轮发电机组进行了有效保护。