白河（夾河）水電站逆功率保護動作分析

引言

漢江白河（夾河）水電站位于漢江上游干流,東距湖北省十堰市78km,西距陜西省安康市146km,是漢江上游7級梯級水電站開發(fā)中的最后一級。工程規(guī)模為大（2）型,水庫總庫容2.67億m3,調(diào)節(jié)庫容2142萬m3,水庫調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié),電站裝機180Mw,裝設4臺單機容量為45Mw的燈泡貫流式機組,其發(fā)電機型號為sFwG45-68/7750,發(fā)電機保護裝置為北京四方GFH306E-103型發(fā)電機保護裝置,以一回220kV出線接入湖北省電網(wǎng)。

機組投運一年多來,多次發(fā)生因機組逆功率保護動作引起事故停機事件,為防范此類事件的發(fā)生,特分析兩起事故原因,并提出相應預防措施。

1發(fā)電機組逆功率保護動作原理及運行危害

發(fā)電機組逆功率保護又稱"功率方向保護"。發(fā)電機組正常運行工況下,功率由發(fā)電機流向母線,發(fā)電機向系統(tǒng)輸送有功功率。但當發(fā)電機失磁或調(diào)速器導葉異常關(guān)閉等原因?qū)е逻\行中發(fā)電機甩負荷到0時,若發(fā)電機依然與電網(wǎng)并列,則會從電網(wǎng)吸收功率,發(fā)電機依然保持旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速與周波相對應。此時發(fā)電機有可能變?yōu)殡妱訖C運行,即從電網(wǎng)中吸收有功功率,這就是逆功率。當發(fā)生逆功率運行情況時,若機組較大,則從網(wǎng)上吸電能較多,對正常運行的電網(wǎng)有一定影響,從發(fā)電機方面來說影響不是很大,但對于汽輪機來說影響則很大,因為汽輪機逆功率運行,就是在無蒸汽下運行,由于汽輪機主汽門已關(guān)閉,汽機尾部葉片與殘留蒸汽產(chǎn)生摩擦而形成鼓風損耗,低壓缸末幾級葉片在沒有蒸汽冷卻下發(fā)熱很大且長時間運行對機組的安全工況不利。

對于汽輪機小機組來說,一般都規(guī)定了無蒸汽運行的最長允許時間,通常為3～5min,在規(guī)定時間內(nèi)如不能重新帶上負荷就必須解列停機:對于汽輪機大機組來說,則裝有逆功率保護,當發(fā)生逆功率運行情況時,直接動作于解列發(fā)電機。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的逆功率運行與火電機組有很大區(qū)別:燈泡貫流式水輪機多安裝在大流量、低水頭的水電站,機組轉(zhuǎn)速較低,并且采取水平臥式安裝在水面負高程,整個轉(zhuǎn)輪室浸泡在水中。燈泡貫流式機組若發(fā)生逆功率運行,旋轉(zhuǎn)的葉片將使水流產(chǎn)生很大的壓力,而壓力作用在導葉和水輪機的密封裝置上容易導致設備損壞。低水流量使內(nèi)部壓力降低到某一限度,會在局部形成汽泡或汽穴,而后在壓力升高的地方汽穴重新凝聚、消失,會造成頻率很高、壓力很大的微觀水擊,致使轉(zhuǎn)輪葉片表面產(chǎn)生疲勞破壞、溫度升高、電離和化學腐蝕等作用,即"汽蝕現(xiàn)象"。同時,旋轉(zhuǎn)水流會在轉(zhuǎn)輪室和尾水管中形成旋轉(zhuǎn)脈動勢能,使水輪機產(chǎn)生較大振動,從而損壞組合軸承、水導軸承、轉(zhuǎn)輪室以及受油器、發(fā)電機等機械部件。故燈泡貫流式機組也要設置逆功率保護。

為防止轉(zhuǎn)輪葉片的汽蝕和機組振動過大,當逆功率達到一定值時,發(fā)電機保護動作,逆功率保護設有一段兩時限,短延時發(fā)信,長延時跳閘。逆功率保護的電壓取自發(fā)電機機端PT,電流取自發(fā)電機機端CT,邏輯框圖如圖1所示。

燈泡貫流式機組逆功率保護定值為10%左右,逆功率跳閘延時根據(jù)需要,一般為5s左右。本站發(fā)電機逆功率保護動作整定值如下:逆功率保護功率為10%PGe（PGe為機組額定功率）,告警時間（短延時）為3s,長延時段時間為6s,動作出口跳閘。

2逆功率保護動作原因及分析

2.1施工人員誤碰重錘關(guān)機電磁閥引起逆功率保護動作的事故停機

2.1.1事故情況

2020年7月某日,電廠#1機組并網(wǎng)發(fā)電運行,機組負荷為17Mw。上位機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出告警信號,上報"#1機組有功越下限動作""#1機組機端電壓越下限""#1機組轉(zhuǎn)子電流低報警,閉鎖減磁""#1機組非發(fā)電態(tài)動作""#1機組有功減至空載動作"等報警信息,此時#1機組振動增大,并發(fā)出轟鳴聲。運行值班人員觀察機組負荷快速降低,此時減少至-2Mw。接著上位機監(jiān)控上報"#1機組逆功率告警""#1機組逆功率保護動作"等信息。#1機組逆功率保護動作后,觸發(fā)事故停機流程:機端出口開關(guān)"夾o1"分閘,機組滅磁開關(guān)分閘動作,調(diào)速器停機令動作,重錘下落動作。停機后,運行人員立即對機組進行初步檢查,未許可關(guān)于#1機組的工作票,查看#1機組發(fā)電機保護裝置"逆功率動作",其他設備未出現(xiàn)故障、告警等信息。將此情況通知電氣人員,以便現(xiàn)場查找并分析事故原因。

2.1.2事故處理及原因分析

電氣人員查看計算機監(jiān)控系統(tǒng)報表,在#1機組逆功率保護動作前,#1機組運行正常,無設備故障、告警等信息。從16:38:27開始,#1機組導葉開度迅速減小,有功功率也從17.2Mw快速下降。16:38:36.664報發(fā)電機保護啟動,16:38:39.646逆功率保護告警,逆功率發(fā)信P=-25.25%,保護啟動后6002ms逆功率出口為P=-27.25%,逆功率保護動作。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)報文分析,在未有任何負荷調(diào)整或故障報警的情況下,機組導葉突然關(guān)閉,初步判定是導葉控制系統(tǒng)誤動或接力器突然失壓引起。著重對#1機組調(diào)速系統(tǒng)進行檢查,調(diào)速器電調(diào)柜顯示屏無告警信息,PLC運行正常,接力器油管路無噴油或漏油現(xiàn)象,油管路壓力正常。導葉主配壓力油控制回路無漏油,重錘關(guān)閉電磁閥也無漏油現(xiàn)象。手動將機組導葉緩慢打開,然后關(guān)閉。調(diào)速器主配未發(fā)現(xiàn)卡滯或油路堵塞現(xiàn)象,經(jīng)檢查未找出引起導葉自動關(guān)閉的原因。運行人員查看各個設備監(jiān)控發(fā)現(xiàn),在#1機組重錘關(guān)機電磁閥附近有施工人員在施工,且重錘關(guān)閉電磁閥上有腳印,后詢問得知施工人員誤碰了重錘關(guān)機電磁按鈕。重錘關(guān)機電磁閥動作后,觸發(fā)重錘落下,強制將導葉全關(guān)。此時#1機組出口開關(guān)"夾01"還在合閘位置,在導葉關(guān)閉過程中,機組出力從17.2Mw逐步減少至0,導葉全關(guān)時,發(fā)電機組開始從系統(tǒng)吸收有功。在發(fā)電機組吸收有功超過10%PGe(-4.5Mw）時,逆功率保護啟動并延時3s告警,保護啟動6s后,發(fā)電機吸收有功值12.02Mw,滿足逆功率保護動作條件,逆功率保護動作并觸發(fā)停機流程。查清逆功率保護動作原因后,確認為非設備故障引起的事故停機,組織維護人員檢查機組各轉(zhuǎn)動部件,確認無損傷、漏油現(xiàn)象后,向省調(diào)申請開機并網(wǎng),機組帶負荷運行正常,振動較之前無較大變化。

2.2人為誤操作引起逆功率保護動作的事故停機

2.2.1事故情況

2021年5月某日,運行人員向省調(diào)申請#1機組并網(wǎng)發(fā)電,20:40完成機組并網(wǎng),進行負荷調(diào)整時,上位機下發(fā)"增開度指令",計算機監(jiān)控簡報彈出"增開度指令復歸",負荷一直維持在3.9Mw左右,上位機又下發(fā)幾次增加負荷指令,負荷依然在3.9Mw左右。現(xiàn)地檢查調(diào)速器電調(diào)柜及調(diào)速器機調(diào)柜,未發(fā)現(xiàn)有故障報警。于是將調(diào)速器控制方式切至"電手動"進行導葉開度現(xiàn)地調(diào)整,導葉開度依然為24%,負荷在3.9Mw左右。查看參數(shù)得知,電氣開限定值為25%,因電氣開限的限制,導葉無法打開。運行人員將調(diào)速器電調(diào)柜上A套裝置電氣開限調(diào)整為80%,現(xiàn)地增加導葉開度至30%、40%,導葉開度按照預定值增加,然后通知中控室值班人員在上位機下發(fā)負荷調(diào)整令,將負荷調(diào)整為26Mw,導葉開度由30%開至71.1%,機組及調(diào)速器裝置運行正常,穩(wěn)定運行2min后,現(xiàn)場人員將調(diào)速器電調(diào)柜上正在運行的A套裝置切換至B套裝置時,導葉開度立即由71.1%快速降至22%,十幾秒后,#1機組逆功率保護動作,引起事故停機。

2.2.2事故處理及原因分析

逆功率保護動作后,立即開展事故原因調(diào)查。調(diào)閱20:51:28.882監(jiān)控數(shù)據(jù),運行人員將調(diào)速器電調(diào)柜上A套裝置切換至B套裝置時,導葉開度立即由71.1%快速降至22%,此時負荷由26.2Mw迅速下降,20:51:33.699負荷降至-7.1Mw,20:51:35.699負荷降至最低點-7.2Mw,20:51:39.641回升至-5.13Mw。#1發(fā)電機保護裝置顯示20:51:33.699發(fā)電機保護啟動,20:51:36.333逆功率告警發(fā)信,此時功率P=-16.13%,保護啟動6056ms后,負荷P=-10.88%,滿足逆功率保護動作條件,逆功率保護動作,觸發(fā)發(fā)電機組事故停機。事故停機后,電氣人員檢查#1機組事故停機流程執(zhí)行正常。監(jiān)控系統(tǒng)無#1機組負荷調(diào)節(jié)令,檢查調(diào)速器無故障報警信息。

分析監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的告警信息、有功功率和導葉開度,判斷為調(diào)速器機端合閘信號斷線,導致調(diào)速器電調(diào)柜無法收到合閘信號,默認機組依然處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),電氣開限限制在25%以內(nèi)的空轉(zhuǎn)開限,故無法實現(xiàn)負荷調(diào)整。從#1機端斷路器輔助觸點短接合閘信號給調(diào)速器電調(diào)柜,發(fā)現(xiàn)調(diào)速器無法收到合閘信號,查找發(fā)現(xiàn)引入電調(diào)柜合閘信號線接線端子松動,致使調(diào)速器無法收到合閘信號。由于運行人員將調(diào)速器電調(diào)柜裝置由A套切至B套運行時,B套最大電氣開限依然是25%,導葉開度立即由A套開度71.1%陡降至B套默認的空轉(zhuǎn)開度22%。此時在高負荷、導葉開度快速關(guān)閉下機組負荷下降過快,導致從電網(wǎng)倒吸有功,倒吸有功功率數(shù)值達到逆功率保護動作定值,保護正確動作,觸發(fā)事故停機。

2.3防范措施

(1）對現(xiàn)場施工加強安全管理,嚴格執(zhí)行兩票制度,工作中嚴格執(zhí)行工作規(guī)程,并設專人監(jiān)護,禁止違章作業(yè)、無監(jiān)護操作,誤碰設備時及時匯報中控室值班人員,以便運行人員能夠快速進行處理。

(2）加強電氣設備定期維護、檢查,每年定期對各設備端子排進行緊固接線和檢查,對易松動的接線、虛接線做專門處理。對重要開關(guān)、按鈕進行防護,并張貼醒目標志警示,防止因誤碰引起事故停機。

(3）開展有針對性的技術(shù)培訓工作,運行人員應掌握燈泡貫流式機組運行工況及特點,熟悉調(diào)速器操作規(guī)程,具備故障現(xiàn)場分析能力、保護動作事故應急處理能力,以便在保護失靈的狀態(tài)下迅速將機組安全停機,以免事故擴大。

(4）縮短調(diào)速器維護周期,根據(jù)運行規(guī)程及設備管理等要求,應避免調(diào)速器控制油路中的濾過器長期在一路運行,應定期化驗調(diào)速器油樣,保證油質(zhì)合格:調(diào)速器控制油路上的濾過器前后壓差超過0.5MPa時應及時清洗濾過器。

以上措施可以大大降低調(diào)速器控制油路濾過器堵塞及調(diào)速器比例閥發(fā)卡、主配發(fā)卡概率。應定期檢查維護調(diào)速器系統(tǒng)元器件,及時清掃盤柜,防止因調(diào)速器故障引起導葉全關(guān)而觸發(fā)逆功率保護動作。

3結(jié)語

隨著我國對低水頭徑流式水電站的開發(fā),燈泡貫流式機組應用越來越廣泛,投產(chǎn)的機組容量也越來越大。逆功率保護是燈泡貫流式水輪發(fā)電機組不可或缺的保護,在機組運行中加強運行分析,并采取有效的預防措施降低逆功率保護動作事故概率,對于提高燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的運行可靠性,保證電力系統(tǒng)安全運行有著重要意義。