抽水蓄能電站逆功率現象的淺析與認識

摘 要：某抽水蓄能電站發電工況并網初期向系統吸收較大有功功率，發生逆功率現象。按照逆功率及逆功率保護的定義及原理，通過分析確認該異常現象發生的原因以及對設備產生的影響。為今后對抽水蓄能電站機組逆功率現象的認識及應對提供幫助和借鑒。

關鍵詞：抽水蓄能電站；逆功率；逆功率保護；導葉開度；分析

1 概述

某大型抽水蓄能電站機組發電工況并網初期出現逆功率現象，故障現象為：最高逆功率達到190MW，逆功率保護未動作，監控系統未收到調速器根據靜水頭將導葉開限控制到17%至25.67%之間信號（DI1230 77W-ma2），隨后機組功率逐漸上升至設定范圍，機組帶負荷運行正常。對于抽水蓄能電站來說，逆功率保護屬于工況保護，僅設置于發電工況，所以針對該異常情況，根據逆功率及逆功率保護的原理，分析可能發生原因，影響及后果。

2 逆功率產生原因分析

抽水蓄能電站機組一般水頭較高對調速器系統的控制精度要求高。機組并網后，導葉異常擺動、關閉（或導葉持續保持空載開度）或打開較慢，可能會造成短時逆功率。電網頻率偏高或同期機組頻率低，導葉開度無法維持機組額定轉速，機組需要吸收部分有功來維持50Hz的頻率。球閥異常關閉，斷路器未跳開，發電機運行維持額定轉速，會向系統吸收功率。同期瞬間導葉開度小于設定開度，導致機組吸收負荷，可能出現逆功率現象。同期并網時間較短，轉速慣性上升后，導葉開度回調過快，導致機組吸收負荷保持額定轉速。發電機失磁引發振蕩，造成功率變化，可能吸收有功出現逆功率現象。當發電機電壓互感器（VT）二次回路出現異常情況，由于輸入到逆功率元件的電壓、電流相位角發生變化，可能引起逆功率保護誤動。機組事故的情況下突然甩負荷使導葉全關后，斷路器沒有跳開，而機組轉速下降較慢，就會使機組吸收電網功率變為電動機運行而引起逆功率現象。

3 逆功率的影響

當抽水蓄能電站機組發生逆功率現象，即發電工況轉為電動工況運行，從電磁力矩、水流流向、電網潮流等方面就會發生影響變化。發生后可能會短時恢復，也可能引發逆功率保護動作，具體不同情況下可能會對發電電動機、水泵水輪機及附屬設備造成造成以下影響。

發電機逆功率情況下，低水流量的微觀水擊作用會產生氣蝕現象，最終致導葉損傷，對原動機造成損害；機組的振動、擺度會增大（會跟機組抽水啟動過程從調相轉抽水時，排氣完成后相當）；逆功率就是機組由發電機變為電動機運行，即吸收系統的有功，來克服水輪機的阻力，可能對水導瓦、下導及推力瓦會有磨損；大的逆功率變化可能引起系統潮流改變、頻率下降。當電網薄弱或發生異常時甚至會拖垮電網；對于發電機短時間逆功率運行是不會有任何影響的。但是因為從電網倒吸有功及無功，同時會造成電機發熱等現象。當發電機長時間逆功率運行時，勵磁的無功從網上倒吸，等于是進相運行，這時候定子磁場在端部磁密最大，有可能會造成端部發熱。

4 逆功率現象的分析

4.1 電站逆功率保護設置

該電站逆功率保護電壓量取自機端VT，電流量取自機端CT。共設置機組電氣保護和機組機械保護（程序跳閘），機組機械保護做為機組電氣保護的補充保護配置。

4.1.1 機組電氣保護。為防止發電電動機在發電工況下出現深度反水泵運行狀態并向系統吸收有功功率而裝設電氣逆功率保護，即檢測發電工況時由系統流向發電電動機的有功功率大于90MW，導葉開度大于30%時，保護延時60s動作緊急停機。在電動工況時閉鎖該保護。

4.1.2 機組機械保護。為防止逆功率現場吸收有功過大，而長時間逆功率運行，故設置機組機械保護。發電工況下機組向吸收有功功率大于120MW、導葉開度大于30%（74P-ma3）、機組開關GCB合閘位、球閥在中間開位（21-ma），監控系統延時10s，發91G動作緊急停機。

4.2 現象分析

4.2.1 保護未動作邏輯解釋。經查閱監控信息發現，本次異常現象發生過程中，球閥中間位置（21-ma）信號滿足，機組吸收功率190MW大于120MW且持續時間大于60s，但導葉開度導葉開度>30%（74P-ma3）不滿足條件，對比保護動作邏輯圖，說明機組逆功率電氣保護（32G）與機組機械逆功率保護（91G）動作條件不滿足，故說明該次異常現象保護未動作符合邏輯。

4.2.2 監控信號異常分析。經檢查發現機組啟機過程中監控未收到DI1230 77W-ma2信號（根據靜水頭調速器空載開度將導葉開限控制到17%至25.67%之間），經檢查發現調速器回路相應信號上送繼電器D024故障，導致77W-ma2信號未能上送至監控系統。監控不能收到DI1230 77W-ma2信號，則監控系統不會發降低導葉開限令至調速器系統。所以，調速器系統導葉開限77保持發電工況導葉初始開限（根據靜水頭調速器開機開度將導葉開限控制到22.49%至30.88%之間）。但導葉開限僅用于控制導葉開度上限，不會控制導葉開度的關閉，故該繼電器故障并不能引起逆功率現象的發生，而本該繼電器故障與本次逆功率現象同時發生，屬于偶然情況。

4.2.3 導葉開度控制的說明。機組在發電工況開機過程中，對于導葉開度的調節主要分為三個間段。第一間段即從開機至同期裝置啟動，由速率調節65F完成，設定調節目標范圍為99.6%至99.8%額定轉速；第二間段即同期過程中，由同期裝置根據系統頻率調節機組轉速；第三間段即機組并網以后，由功率調節65P和速率調節65F共同完成。當導葉開度大于60%時，再次由監控令對65F進行調節，至在99.8%與100.2%范圍內。機組開關合上并網以后，當發電功率小于15MW時，調速器根據監控令（65PR）調節65P增加功率；當發電功率大于15MW，同時執行AGC命令后，65P跟隨AGC功率設定值進行調節。

4.2.4 導葉開度控制對比。結合異常現象發生間段，符合第三間段調速器導葉開度控制控制。當導葉開度小于60%，由監控系統發令對65F進行調節，但設定調節目標范圍仍然為99.6%至99.8%額定轉速。對比轉速曲線并網過程中瞬時轉速達100.1%額定轉速，轉速滿足并網條件即機網瞬間頻差小于Δf=0.15Hz，機組快速并網正常，而65F未及時參與調節轉速至目標范圍。并網后65F才受初始調節要求關閉導葉，將轉速控制在目標范圍。同時，65P根據監控指令增加導葉開度，滿足負荷增加要求。但65F調節直接通過電調發出，而65P則在電調接收監控指令后才執行，所以65F調節降低導葉開度較65P調節增加導葉開度更早執行，所以導致逆功率現象發生，而之后負荷增加至AGC設定值。

故本次異常逆功率異常情況屬于偶發現象，即在發電工況同期裝置啟動短時間內機組同期并網條件滿足（相角相同、電壓相同、頻率相同），而同期裝置未對機組轉速調節至100%額定轉速。導致并網初期轉速下調導葉關閉量較大，而維持額定轉速向系統吸收有功功率，發生逆功率現象。

5 結束語

發電機在并網的瞬間，或者電網可能存在波動等原因，暫時出現逆功率現象。如果負荷增加太慢，就可能會擴大逆功率現象，過延時造成逆功率跳閘。應根據機組特性及固有保護設定，設定機組逆功率長時間運行的大小及時長，密切監視機組功率負荷情況，若發現長時間逆功率且保護未動作，應考慮手動停機。同時對可能影響的部件全面檢查。通過文章的分析簡述，希望從理論和實踐方面，為今后抽水蓄能機組逆功率現象發生的分析提供一定的借鑒意義。

參考文獻

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[2]賀家李.電力系統機電保護原理[M].中國電力出版社，2010.

[3]王維儉.發電機變壓器繼電保護應用[M].中國電力出版社，2005.

作者簡介：王瑞棟（1983-），男，山西省忻州市人，機電運維班長，工程師，本科，主要研究方向：抽水蓄能電站電氣控制運維檢修。