白河（夾河）水電站逆功率保護(hù)動(dòng)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(jí)梯級(jí)水電站開發(fā)中的最后一級(jí)。工程規(guī)模為大（2）型,水庫(kù)總庫(kù)容2.67億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容2142萬(wàn)m3,水庫(kù)調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié),電站裝機(jī)180Mw,裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為45Mw的燈泡貫流式機(jī)組,其發(fā)電機(jī)型號(hào)為sFwG45-68/7750,發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置為北京四方GFH306E-103型發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置,以一回220kV出線接入湖北省電網(wǎng)。

機(jī)組投運(yùn)一年多來(lái),多次發(fā)生因機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作引起事故停機(jī)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(yīng)預(yù)防措施。

1發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作原理及運(yùn)行危害

發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)又稱"功率方向保護(hù)"。發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行工況下,功率由發(fā)電機(jī)流向母線,發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送有功功率。但當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁或調(diào)速器導(dǎo)葉異常關(guān)閉等原因?qū)е逻\(yùn)行中發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷到0時(shí),若發(fā)電機(jī)依然與電網(wǎng)并列,則會(huì)從電網(wǎng)吸收功率,發(fā)電機(jī)依然保持旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速與周波相對(duì)應(yīng)。此時(shí)發(fā)電機(jī)有可能變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行,即從電網(wǎng)中吸收有功功率,這就是逆功率。當(dāng)發(fā)生逆功率運(yùn)行情況時(shí),若機(jī)組較大,則從網(wǎng)上吸電能較多,對(duì)正常運(yùn)行的電網(wǎng)有一定影響,從發(fā)電機(jī)方面來(lái)說(shuō)影響不是很大,但對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)影響則很大,因?yàn)槠啓C(jī)逆功率運(yùn)行,就是在無(wú)蒸汽下運(yùn)行,由于汽輪機(jī)主汽門已關(guān)閉,汽機(jī)尾部葉片與殘留蒸汽產(chǎn)生摩擦而形成鼓風(fēng)損耗,低壓缸末幾級(jí)葉片在沒有蒸汽冷卻下發(fā)熱很大且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)機(jī)組的安全工況不利。

對(duì)于汽輪機(jī)小機(jī)組來(lái)說(shuō),一般都規(guī)定了無(wú)蒸汽運(yùn)行的最長(zhǎng)允許時(shí)間,通常為3～5min,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)如不能重新帶上負(fù)荷就必須解列停機(jī):對(duì)于汽輪機(jī)大機(jī)組來(lái)說(shuō),則裝有逆功率保護(hù),當(dāng)發(fā)生逆功率運(yùn)行情況時(shí),直接動(dòng)作于解列發(fā)電機(jī)。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的逆功率運(yùn)行與火電機(jī)組有很大區(qū)別:燈泡貫流式水輪機(jī)多安裝在大流量、低水頭的水電站,機(jī)組轉(zhuǎn)速較低,并且采取水平臥式安裝在水面負(fù)高程,整個(gè)轉(zhuǎn)輪室浸泡在水中。燈泡貫流式機(jī)組若發(fā)生逆功率運(yùn)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(dǎo)葉和水輪機(jī)的密封裝置上容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。低水流量使內(nèi)部壓力降低到某一限度,會(huì)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(huì)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(xué)腐蝕等作用,即"汽蝕現(xiàn)象"。同時(shí),旋轉(zhuǎn)水流會(huì)在轉(zhuǎn)輪室和尾水管中形成旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)勢(shì)能,使水輪機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng),從而損壞組合軸承、水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室以及受油器、發(fā)電機(jī)等機(jī)械部件。故燈泡貫流式機(jī)組也要設(shè)置逆功率保護(hù)。

為防止轉(zhuǎn)輪葉片的汽蝕和機(jī)組振動(dòng)過(guò)大,當(dāng)逆功率達(dá)到一定值時(shí),發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作,逆功率保護(hù)設(shè)有一段兩時(shí)限,短延時(shí)發(fā)信,長(zhǎng)延時(shí)跳閘。逆功率保護(hù)的電壓取自發(fā)電機(jī)機(jī)端PT,電流取自發(fā)電機(jī)機(jī)端CT,邏輯框圖如圖1所示。

燈泡貫流式機(jī)組逆功率保護(hù)定值為10%左右,逆功率跳閘延時(shí)根據(jù)需要,一般為5s左右。本站發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作整定值如下:逆功率保護(hù)功率為10%PGe（PGe為機(jī)組額定功率）,告警時(shí)間（短延時(shí)）為3s,長(zhǎng)延時(shí)段時(shí)間為6s,動(dòng)作出口跳閘。

2逆功率保護(hù)動(dòng)作原因及分析

2.1施工人員誤碰重錘關(guān)機(jī)電磁閥引起逆功率保護(hù)動(dòng)作的事故停機(jī)

2.1.1事故情況

2020年7月某日,電廠#1機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行,機(jī)組負(fù)荷為17Mw。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出告警信號(hào),上報(bào)"#1機(jī)組有功越下限動(dòng)作""#1機(jī)組機(jī)端電壓越下限""#1機(jī)組轉(zhuǎn)子電流低報(bào)警,閉鎖減磁""#1機(jī)組非發(fā)電態(tài)動(dòng)作""#1機(jī)組有功減至空載動(dòng)作"等報(bào)警信息,此時(shí)#1機(jī)組振動(dòng)增大,并發(fā)出轟鳴聲。運(yùn)行值班人員觀察機(jī)組負(fù)荷快速降低,此時(shí)減少至-2Mw。接著上位機(jī)監(jiān)控上報(bào)"#1機(jī)組逆功率告警""#1機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作"等信息。#1機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作后,觸發(fā)事故停機(jī)流程:機(jī)端出口開關(guān)"夾o1"分閘,機(jī)組滅磁開關(guān)分閘動(dòng)作,調(diào)速器停機(jī)令動(dòng)作,重錘下落動(dòng)作。停機(jī)后,運(yùn)行人員立即對(duì)機(jī)組進(jìn)行初步檢查,未許可關(guān)于#1機(jī)組的工作票,查看#1機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置"逆功率動(dòng)作",其他設(shè)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(chǎng)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)表,在#1機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作前,#1機(jī)組運(yùn)行正常,無(wú)設(shè)備故障、告警等信息。從16:38:27開始,#1機(jī)組導(dǎo)葉開度迅速減小,有功功率也從17.2Mw快速下降。16:38:36.664報(bào)發(fā)電機(jī)保護(hù)啟動(dòng),16:38:39.646逆功率保護(hù)告警,逆功率發(fā)信P=-25.25%,保護(hù)啟動(dòng)后6002ms逆功率出口為P=-27.25%,逆功率保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)文分析,在未有任何負(fù)荷調(diào)整或故障報(bào)警的情況下,機(jī)組導(dǎo)葉突然關(guān)閉,初步判定是導(dǎo)葉控制系統(tǒng)誤動(dòng)或接力器突然失壓引起。著重對(duì)#1機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行檢查,調(diào)速器電調(diào)柜顯示屏無(wú)告警信息,PLC運(yùn)行正常,接力器油管路無(wú)噴油或漏油現(xiàn)象,油管路壓力正常。導(dǎo)葉主配壓力油控制回路無(wú)漏油,重錘關(guān)閉電磁閥也無(wú)漏油現(xiàn)象。手動(dòng)將機(jī)組導(dǎo)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(dǎo)葉自動(dòng)關(guān)閉的原因。運(yùn)行人員查看各個(gè)設(shè)備監(jiān)控發(fā)現(xiàn),在#1機(jī)組重錘關(guān)機(jī)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(wèn)得知施工人員誤碰了重錘關(guān)機(jī)電磁按鈕。重錘關(guān)機(jī)電磁閥動(dòng)作后,觸發(fā)重錘落下,強(qiáng)制將導(dǎo)葉全關(guān)。此時(shí)#1機(jī)組出口開關(guān)"夾01"還在合閘位置,在導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中,機(jī)組出力從17.2Mw逐步減少至0,導(dǎo)葉全關(guān)時(shí),發(fā)電機(jī)組開始從系統(tǒng)吸收有功。在發(fā)電機(jī)組吸收有功超過(guò)10%PGe(-4.5Mw）時(shí),逆功率保護(hù)啟動(dòng)并延時(shí)3s告警,保護(hù)啟動(dòng)6s后,發(fā)電機(jī)吸收有功值12.02Mw,滿足逆功率保護(hù)動(dòng)作條件,逆功率保護(hù)動(dòng)作并觸發(fā)停機(jī)流程。查清逆功率保護(hù)動(dòng)作原因后,確認(rèn)為非設(shè)備故障引起的事故停機(jī),組織維護(hù)人員檢查機(jī)組各轉(zhuǎn)動(dòng)部件,確認(rèn)無(wú)損傷、漏油現(xiàn)象后,向省調(diào)申請(qǐng)開機(jī)并網(wǎng),機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行正常,振動(dòng)較之前無(wú)較大變化。

2.2人為誤操作引起逆功率保護(hù)動(dòng)作的事故停機(jī)

2.2.1事故情況

2021年5月某日,運(yùn)行人員向省調(diào)申請(qǐng)#1機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電,20:40完成機(jī)組并網(wǎng),進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時(shí),上位機(jī)下發(fā)"增開度指令",計(jì)算機(jī)監(jiān)控簡(jiǎn)報(bào)彈出"增開度指令復(fù)歸",負(fù)荷一直維持在3.9Mw左右,上位機(jī)又下發(fā)幾次增加負(fù)荷指令,負(fù)荷依然在3.9Mw左右?，F(xiàn)地檢查調(diào)速器電調(diào)柜及調(diào)速器機(jī)調(diào)柜,未發(fā)現(xiàn)有故障報(bào)警。于是將調(diào)速器控制方式切至"電手動(dòng)"進(jìn)行導(dǎo)葉開度現(xiàn)地調(diào)整,導(dǎo)葉開度依然為24%,負(fù)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(dǎo)葉無(wú)法打開。運(yùn)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(dǎo)葉開度至30%、40%,導(dǎo)葉開度按照預(yù)定值增加,然后通知中控室值班人員在上位機(jī)下發(fā)負(fù)荷調(diào)整令,將負(fù)荷調(diào)整為26Mw,導(dǎo)葉開度由30%開至71.1%,機(jī)組及調(diào)速器裝置運(yùn)行正常,穩(wěn)定運(yùn)行2min后,現(xiàn)場(chǎng)人員將調(diào)速器電調(diào)柜上正在運(yùn)行的A套裝置切換至B套裝置時(shí),導(dǎo)葉開度立即由71.1%快速降至22%,十幾秒后,#1機(jī)組逆功率保護(hù)動(dòng)作,引起事故停機(jī)。

2.2.2事故處理及原因分析

逆功率保護(hù)動(dòng)作后,立即開展事故原因調(diào)查。調(diào)閱20:51:28.882監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),運(yùn)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(shí),導(dǎo)葉開度立即由71.1%快速降至22%,此時(shí)負(fù)荷由26.2Mw迅速下降,20:51:33.699負(fù)荷降至-7.1Mw,20:51:35.699負(fù)荷降至最低點(diǎn)-7.2Mw,20:51:39.641回升至-5.13Mw。#1發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置顯示20:51:33.699發(fā)電機(jī)保護(hù)啟動(dòng),20:51:36.333逆功率告警發(fā)信,此時(shí)功率P=-16.13%,保護(hù)啟動(dòng)6056ms后,負(fù)荷P=-10.88%,滿足逆功率保護(hù)動(dòng)作條件,逆功率保護(hù)動(dòng)作,觸發(fā)發(fā)電機(jī)組事故停機(jī)。事故停機(jī)后,電氣人員檢查#1機(jī)組事故停機(jī)流程執(zhí)行正常。監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)#1機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)令,檢查調(diào)速器無(wú)故障報(bào)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(dǎo)葉開度,判斷為調(diào)速器機(jī)端合閘信號(hào)斷線,導(dǎo)致調(diào)速器電調(diào)柜無(wú)法收到合閘信號(hào),默認(rèn)機(jī)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(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整。從#1機(jī)端斷路器輔助觸點(diǎn)短接合閘信號(hào)給調(diào)速器電調(diào)柜,發(fā)現(xiàn)調(diào)速器無(wú)法收到合閘信號(hào),查找發(fā)現(xiàn)引入電調(diào)柜合閘信號(hào)線接線端子松動(dòng),致使調(diào)速器無(wú)法收到合閘信號(hào)。由于運(yùn)行人員將調(diào)速器電調(diào)柜裝置由A套切至B套運(yùn)行時(shí),B套最大電氣開限依然是25%,導(dǎo)葉開度立即由A套開度71.1%陡降至B套默認(rèn)的空轉(zhuǎn)開度22%。此時(shí)在高負(fù)荷、導(dǎo)葉開度快速關(guān)閉下機(jī)組負(fù)荷下降過(guò)快,導(dǎo)致從電網(wǎng)倒吸有功,倒吸有功功率數(shù)值達(dá)到逆功率保護(hù)動(dòng)作定值,保護(hù)正確動(dòng)作,觸發(fā)事故停機(jī)。

2.3防范措施

(1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工加強(qiáng)安全管理,嚴(yán)格執(zhí)行兩票制度,工作中嚴(yán)格執(zhí)行工作規(guī)程,并設(shè)專人監(jiān)護(hù),禁止違章作業(yè)、無(wú)監(jiān)護(hù)操作,誤碰設(shè)備時(shí)及時(shí)匯報(bào)中控室值班人員,以便運(yùn)行人員能夠快速進(jìn)行處理。

(2）加強(qiáng)電氣設(shè)備定期維護(hù)、檢查,每年定期對(duì)各設(shè)備端子排進(jìn)行緊固接線和檢查,對(duì)易松動(dòng)的接線、虛接線做專門處理。對(duì)重要開關(guān)、按鈕進(jìn)行防護(hù),并張貼醒目標(biāo)志警示,防止因誤碰引起事故停機(jī)。

(3）開展有針對(duì)性的技術(shù)培訓(xùn)工作,運(yùn)行人員應(yīng)掌握燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行工況及特點(diǎn),熟悉調(diào)速器操作規(guī)程,具備故障現(xiàn)場(chǎng)分析能力、保護(hù)動(dòng)作事故應(yīng)急處理能力,以便在保護(hù)失靈的狀態(tài)下迅速將機(jī)組安全停機(jī),以免事故擴(kuò)大。

(4）縮短調(diào)速器維護(hù)周期,根據(jù)運(yùn)行規(guī)程及設(shè)備管理等要求,應(yīng)避免調(diào)速器控制油路中的濾過(guò)器長(zhǎng)期在一路運(yùn)行,應(yīng)定期化驗(yàn)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(guò)器前后壓差超過(guò)0.5MPa時(shí)應(yīng)及時(shí)清洗濾過(guò)器。

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

3結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)低水頭徑流式水電站的開發(fā),燈泡貫流式機(jī)組應(yīng)用越來(lái)越廣泛,投產(chǎn)的機(jī)組容量也越來(lái)越大。逆功率保護(hù)是燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組不可或缺的保護(hù),在機(jī)組運(yùn)行中加強(qiáng)運(yùn)行分析,并采取有效的預(yù)防措施降低逆功率保護(hù)動(dòng)作事故概率,對(duì)于提高燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性,保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有著重要意義。