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水电机组逆功率运行时的特性与保护动作分析

2024-11-28 97 上传者：管理员

摘要：水电机组长时间逆功率运行将造成发电机绕组升温过热，并可能造成系统频率降低。通过对一起停机过程中的GCB操作连杆故障模拟仿真分析，揭示了发电机逆功率特性，计算了GCB分闸时刻、稳定时刻的发电机逆功率，最后针对发电机逆功率保护和失灵保护未动作，提出了改进措施。

关键词：
保护动作情况
参数值变化
发电机
水电机组
逆功率保护
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发电机正常并网运行时，将水的能量转换为电能，有功功率大于0,其传输方向为从发电机流向线路。一旦发生逆功率运行，则发电机将吸收有功，转为电动机运行工况[1]。短时间的逆功率运行对发电机及电网影响不大，如果长时间运行，对电网而言，发电机不仅不提供有功，反而吸收有功，有可能造成频率降低；对发电机而言，则有可能导致绕组升温过高，且发电机转为电动机运行过程中会给水轮机一个反向力矩，容易导致水轮机损坏[2]。

对于水轮发电机而言，逆功率一般由误关导叶、误落门等因素引起，此时虽然发电机由发电机工况转为电动机工况，但因为励磁系统尚在正常运行，机端电压得以维持，对系统影响有限。但在特殊情况下，如水电机组在停机过程中，尤其在已经关导叶、灭磁之后，可能因GCB操作机构连杆故障，造成发电机在失去励磁的情况下同时发生逆功率。此时发电机除了作为电动机吸收部分有功功率外，还将作为一个调相机吸收大量无功功率。

除此之外，一次调频、同期参数设置不合理也可能导致发电机进入逆功率运行状态[3-4]。

本文对一起停机过程中的GCB操作连杆故障进行模拟，其状态为GCB异常分闸，导叶关闭，发电机失去源动力进入电动机状态。通过分析此过程，评判发电机保护在各时间段的动作行为，并提出应对措施。

1、故障模拟

对机组启动停机流程，模拟GCB连杆故障，在收到GCB分闸位置节点信息后(GCB一次部分为实际动作),监控系统触发停机、灭磁流程，监控显示GCB开关分闸正常，导叶已全关，转速维持在100%,机端电压由额定电压下降20%左右，机端电流由接近空载状态上升至80%额定电流。至稳定状态后，发电机有功功率为负值，发电机无功功率急剧增大，发电机处于逆功率且吸收无功的异常运行方式。

2、发电机逆功率运行时特性

经故障模拟仿真分析，机组从启动停机，录到GCB分闸时刻到进入逆功率运行期间的电流电压以及有功无功的波形，分析该段时间电流电压特性。

2.1 GCB分闸时刻

从模拟试验得到的故障录波图1中可看出，停机指令发出后，发电机机端电压下降，机端电流由接近空载状态上升至额定值，发电机有功功率下降，无功功率飙升，GCB分闸时刻的逆功率为：P=3×Uϕ×Iϕ×cosϕ=3×11.707 kV×0.572 kA×cos12.263°=19.63 MW,此时还未进入逆功率状态。

图1 GCB分闸时刻波形图

发电机组从系统吸收无功功率，且吸收的无功功率迅速上升；此时导水叶还未完全关闭，加上水轮机惯性，因此有功功率还未完全降低至0。

2.2 稳态时刻

当机组完全进入逆功率状态，发电机有功功率稳定在负值，稳定吸收大量无功功率。模拟试验得到的录波图如图2所示。

此时机端电压和机端电流三相对称，发电机吸收无功功率和有功功率，由发电机模式转为电动机模式。逆功率P=3×Uϕ×Iϕ×cosϕ=3×9.955 kV×20.548 kA×cos(-97.471°)=-79.79 MW,达到逆功率动作定值-5%Pn,延时3 s逆功率报警。

2.3 串内开关跳开时刻

在对串内开关发出远方分闸命令后，励磁开关分闸，机端电压与机端电流迅速降低至0,机组停机。串内开关跳闸后波形如图3所示。

图2 发电机逆功率运行波形

图3 串内开关跳闸后波形

3、发电机逆功率应对措施

3.1 同步发电机功率

发电机功率采用机端电压和机端电流来进行计算，同步发电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机，同步电机处于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间(发电机空载电势E0与机端电压U之间)的夹角δ,即功率角，发电机输出功率为[3]

其中，Xd和Xq为直轴同步电抗和交轴同步电抗，由于Xd和Xq不相等，因此凸极式发电机多了一项与发电机电势无关的两倍功角的正弦项，称为磁阻功率[3]。E0可以通过试验求得，也可以通过机端电压U,引入电势EQ,得到E0为

3.2 发电机逆功率核算

由式(1)可知，发电机处于什么状态是由功率角δ决定，如果Xd=Xq,则发电机组为隐极式发电机，Xd≠Xq为凸极式。若Xd≥Xq,且δ>0,为发电机状态；当δ=0,为补偿机状态；当δ<0,为电动机状态。当机组励磁电压消失进入逆功率状态后，E0=0,式(1)的第一项E0U/Xd×sinδ为0,因此机组逆功率为

/SGN,xd、xq为发电机组的直轴电抗和交轴电抗；SGN和UGN为发电机组的额定容量和额定电压。

在GCB分闸时刻：P1=U

稳定进入逆功率时刻：P2=U

3.3 应对措施

1)针对停机过程中，发电机保护装置只报警而未动作跳闸，导致发电机进入逆功率运行，建议取消保护装置动作逻辑中的GCB位置闭锁条件，或者把GCB位置闭锁做成控制字，逻辑图如图4所示。

2)逆功率期间，电压电流三相对称，没有负序电流，且相电流未达到动作值，所以无法启动失灵保护。针对这种情况，可以考虑在逆功率保护启动后，减小失灵保护相电流定值，动作逻辑如图5所示。

图4 改进后逆功率保护逻辑框图

图5 改进后失灵保护动作逻辑框图

4、结语

水电机组长时间逆功率运行将造成发电机绕组升温过热，吸收大量有功，有可能造成系统频

率降低。结合某水电机组由于停机过程中GCB分闸异常出现的逆功率事件，分析了机组发生逆功率现象的原因，阐述了逆功率保护、失灵保护和阻抗保护的动作过程。针对逆功率期间发电机运行情况，分析发电机机端电压、电流、有功和无功功率的变化。最后，根据此次模拟实验结果，对发电机逆功率保护和失灵保护未动作提出了针对性措施。

参考文献:

[1]周栋.某发电机逆功率保护动作跳机原因分析[J].电工技术,2019(15):104-105.

[2]孟祥萍,高嬿.电力系统分析[M].北京:中国教育出版社,2004.

[3]熊国恩,李雨通,李桃,等.某水电站机组并网瞬间逆功率工况原因分析及对策[J].云南水力发电,2022,38(1):216-219.

[4]李海峰,梁朝弼,章海春.一起水轮发电机逆功率保护动作分析及解决方法[J].云南水力发电,2022,38(10):249-252.

[5]张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005.

文章来源:袁岳,郭文,李秋良,等.水电机组逆功率运行时的特性与保护动作分析[J].水电与新能源,2024,38(11):72-74+78.