机组报溅水功率保护启动的原因分析

陈 骋，冯 斓

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台317200）

1 引言

华东桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县境内，电站接入华东电网，在电网中承担调峰填谷、调频调相以及事故备用的任务。电站装设了4台300 MW的可逆式水泵水轮机，总装机容量1 200 MW，年平均发电量20亿kW·h，年抽水电量28亿kW·h。机组除了有发电、发电调相、抽水、抽水调相4种正常运行工况外，还有水轮机、线路充电和水泵拖动3种特殊运行工况。机组设置溅水功率保护（37 G2-B，37 M2-B），溅水功率保护在机组抽水调相运行过程中投入，主要是为了避免机组因为溅水而从系统中吸收过多的有功功率。其判断依据是机组吸收的有功功率P，大于12%机组额定总有功Pn=300 MW，即吸收的有功P＞12%Pn（0.12×300 MW=36 MW）时，延时1.0 s，动作溅水功率保护（37 G2-B，37 M2-B），该保护出口动作跳闸机组开关、灭磁开关以及SFC输入开关，报警跳闸，启动故障录波。因此，溅水功率保护（37 G2-B，37 M2-B）启动信号格外“引人注目”。

2 溅水功率保护的分析

溅水功率保护（37 G2-B，37 M2-B）是调相稳态特有的保护，该保护分发电调相时的溅水功率保护（37 G2-B）以及抽水调相时的溅水功率保护（37 M2-B），2个保护均只是在调相稳态才会投入，由换相刀合闸相序的不同来相互闭锁。溅水功率保护（37 G2-B，37 M2-B）主要是为了避免机组因为溅水而从系统中吸收过多的有功功率，因此其判断条件是机组吸收的有功功率P＞12%Pn（36 MW），延时1.0 s动作跳闸。当球阀或者导叶打开时闭锁该保护的投入。由于抽水蓄能电站抽水运行的次数多，因此本次讨论抽水调相时的溅水功率保护（37 M2-B），也就是电动机的方向。

某日我厂2号机组在正常抽水调相开机过程中，发生了电动机溅水功率保护（37 M2-B）启动信号报警，具体的事件列表如下：

00：08：42.255 2 号机尾水管水位高 是。

00：08：42.826 2号机充气压水补气阀位置 打开。

00：08：43.827 2 号机尾水管水位高 否。

00：08：49.553 2号机AI1304同期条件满足 动作。

00：08：49.685 2 号 机 同 期 装 置 输 出 合 闸 令（K1010） 动作。

00：08：49.714 2号机GCB合闸回路监视继电器（K1013） 动作。

00：08：49.757 2号机发电机出口开关位置 合闸。

00：08：49.773 2号机抽水方向溅水功率保护37 M-B启动 启动。

00：08：49.815 2号机抽水方向溅水功率保护37 M-B启动 复归。

00：08：51.020 2 号机抽水调相工况 是。

从以上事件列表中可以看到00：08：49.773“2号机抽水方向溅水功率保护37 M-B启动”信号，报“启动”。随后在00：08：49.815“2号机抽水方向溅水功率保护37 M-B启动”信号，报“复归”，此时，由于保护只是启动，之后瞬时复归，未动作出口。

00：08：51.020“2号机抽水调相工况”信号报“是”，此信号由于信号传输问题发生了延迟，但是机组开关（后称 GCB），在 00：08：49.757“2 号机发电机出口开关位置”信号报“合闸”，此时已经判断机组进入抽水调相稳态，电动机溅水功率保护（37 M2-B）正常投入，并在投入后报“启动”信号。

相关保护专业人员在调取2号机机组故障录波器信息后，整理了如图1桐柏2号机故障录波器记录。

图1 桐柏2号机故障录波器记录

从保护录波中可以看出，溅水功率保护（37 M2-B）启动时2号机A相电流有效值已达到12.4%In，而此时机端三相电压均在100%Un，因此A相功率值P=UI=12.4%Pn＞12%Pn，即已经满足溅水功率保护（37 M2-B）启动条件，该保护启动。此时判断溅水功率保护（37 M2-B）正确启动。随后因2号机组达到一个相对更稳定的抽水调相状态，其A B C三相的电流都呈现出下降趋势，A相更是下降至12%In以下，机端三相电压维持不变。所以三相功率均不满足大于12%Pn的启动条件，且这个过程的时间不满足1.0 s，溅水功率保护（37 M2-B）不会出口跳闸。（图1中每个方格为10 ms）。

根据图1故障录波器记录的情况看，2号机A相的电流有效值达到了12.4%In，也就是说此时A相功率值P确实超过了12%Pn（达到12.4%Pn），溅水功率保护是正常启动，但是保护设置了1.0 s延时，在1.0 s内机组有功功率下降至12%Pn以下，溅水功率保护复归，未动作出口跳闸。符合当时现场实际情况。

3 溅水功率保护启动原因

这里排除了监控方面的失真、误报等因素，造成溅水功率保护启动的原因只能是此时的机组消耗了电网过多的有功，即P超过了12%Pn（36 MW）。消耗机组有功功率是通过影响机组正常的电流大小、机端电压大小，本次溅水功率保护（37 M2-B）启动时，故障录波显示机端电压是100%Un，只有电流值偏大，通过对抽水蓄能机组的正常分析，影响机组电流的可能原因有以下几种：

（1）由于机组补气的问题，导致2号机转轮部分叶片正好触及到水面，产生溅水从而消耗有功。

（2）由于机组冷却水产生的水环过厚，碰到机组转轮，对机组转动产生阻力，导致吸收更多的有功功率。

（3）机组同期并网点存在较大偏差，使得机组需要吸收更多的有功，达到系统同步频率。

4 各原因分析

（1）由于机组补气的问题，导致2号机转轮部分叶片正好触及到水面，产生溅水从而消耗有功。

分析：此种情况需要考虑当时的水位。

从事件列表00：08：43.827“2号机尾水管水位高”信号报“否”可以看出当时尾水管水位应该在高与低之间，从机组尾水管布置图可以看出当尾水在低与高之间时，远远没有碰到水轮机叶片，此距离至少有1.3 m，当然更不会产生溅水现象了，就不会影响机组的有功功率，因此排除此种情况。

（2）由于机组冷却水产生的水环过厚，碰到了机组的转轮，对机组转动产生了阻力，导致吸收更多的有功功率。

分析：此种情况的出现主要是2号机组冷却水中的上下迷宫冷却水流量增加，迷宫密封中过多的冷却水渗漏进入转轮，由于蜗壳泄压阀始终是打开着的，机组的蜗壳和转轮室存在着压力差，可以使部分水环中的水流通过导叶端部的缝隙，进入到蜗壳，从蜗壳泄压阀中流走，从而保证水环不会太厚，不影响水轮机转轮的运转。但是当水环达到一定厚度之后，从导叶端部的缝隙中流出的水流量有限，那么水环很有可能对水轮机的转轮产生影响，进而对机组消耗的有功功率产生影响。联系当时合闸并网瞬间报溅水功率保护（37 M2-B）启动，并且只在并网瞬间会有此现象，若是水环导致的，那么这个过程应该是持续的，并且不会在极短时间内恢复正常，因此水环造成的机组吸收有功过大与机组并网联系不大，因此排除此种情况。

（3）机组同期并网点存在较大偏差，使得机组需要吸收更多的有功，达到系统同步频率。

分析：2号机组同期合闸令的发出是有一定的提前性的，简单地说，就是同期装置预判下一个时间点可以进行合闸并网，那么就会提前一定量下达合闸令，以保证合闸信号在传输给继电器——继电器动作——开关合闸过程中所消耗的时间内依然满足同期合闸的条件。

但是同期合闸包含了很多不确定性，机端电压向量Ug与系统电压向量Us之间会存在一个角度θ，并随着频率的变化周期性变化（频率会改变其加速度与旋转的方向）。当同期装置发出合闸令之后，机组快速反应将出口开关合闸，此时这个角度θ可大可小，但只要在同期装置设定的允许范围（通过人为计算和试验得出的一个范围）内即可，此时角度θ若是较小，则不会对机组产生较为明显的影响，但是此时角度θ若是较大，则机组将会从系统中吸收更多的有功功率，从而使得机组与系统同步，这个过程是自整步的一个过程，其消耗的有功功率完全是不确定的，由同期瞬间的状态决定。

根据水泵水轮机的特性，大多情况下机组发电时Ug-Us＞0（机组机端电压向量超前），机组抽水时Ug-Us＜0（机组机端电压向量滞后），所以当抽水调相并网时，Ug小于Us，那么系统将拖着机组旋转，将机组拖入同步状态，在这个过程中机组必须从系统中吸收有功功率。因此，2号机组同期并网的瞬间，Ug与Us角度θ过大（在范围内），则机组吸收了更多的有功功率，会达到溅水功率保护启动值，之后机组立刻被系统带入同步，运行状态更是趋于稳定，溅水功率保护（37 M2-B）只启动未动作，最后机组只要消耗一小部分有功便可以维持旋转。

我们接下来分析抽水调相并网时角度θ过大的原因，由于机组抽水时Ug-Us＜0，那么可以分析出2个原因：

（1）同期装置过早合闸

由于同期装置过早合闸，导致的角度θ过大可能性较小，因为合闸信号的传输会有一定的延时，并且开关机构动作也会有延时，因此即使同期装置有提前发令也不太可能造成合闸过早的情况。

（2）系统频率合闸瞬间升高，Ug角度变化，使得角度θ绝对值增大。

由于系统频率在合闸瞬间的升高，且由于Us大于Ug，那么合闸瞬间Ug-Us的绝对值会变得更大，角度θ绝对值也会变大。

5 分析建议

（1）重新整定机组溅水功率保护启动值。

（2）重新整定同期合闸时间（提前量应考虑信号与操作机构的延时，以及合闸允许范围与最优合闸范围的大小）。

（3）更换同期装置，采用新型的同期装置，提高准同期精度。

6 结论

通过如上分析，我们更加倾向于由于系统频率在2号机组合闸瞬间的升高，抽水方向原本Us就是大于Ug的，那么合闸瞬间Ug-Us的绝对值会变得更大，角度θ绝对值也会变大。当角度θ较大时，则机组将会从系统中吸收更多的有功功率，将本机组拖入与系统同步状态，但是这个过程极为简短，从而导致了溅水功率保护（37 M2-B）只启动未动作的情况发生。