高速加閘時機組制動轉矩和逆功率的分析計算

陳靈峰，黃建德

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江省天臺縣 317200）

0 引言

大型水輪發電機在機組正常停機過程中，由于轉動部件的轉動慣量大，長時間在低轉速下運行時，會引起推力瓦和鏡板之間的油膜破壞，造成燒瓦事故。為避免這種情況的發生，在機組停機轉速降到較低程度時，需要投入風閘制動系統，使得機組快速停機。

然而，當機組在高轉速下因某種原因投入風閘時，會引起嚴重后果：轉子因局部高溫而損傷，機組轉動部分及軸瓦損壞，情況嚴重的甚至會造成機組的火災事故等。另外，高速加閘會造成機組的逆功率運行，即由原先的發出有功功率變成吸收有功功率，處于逆功率狀態的機組會產生較大的振擺，損壞機架、滑環等部件。如果吸收的有功功率較大，甚至會對系統穩定產生不利的影響。

本文以某抽水蓄能機組為例，對一定轉速下投入風閘時的力矩進行了分析和計算，對高速加閘時機組出現逆功率的原因進行了定性的分析，并結合實際例子，對高速加閘時機組從系統中吸收的有功功率進行了計算。

1 風閘投入時相關參數的分析和計算

以甲抽水蓄能電站機組為例，其相關參數如表1所示。

表1 機組參數表Table 1 Unit parameter table

續表

當機組在轉速n時，投入風閘制動，此時為了吸收轉子動能而需要的制動力F1如式（1）所示[1]：

式中t——制動時間，min；

g——重力加速度，取9.81m/s2。

根據實測數據，甲電站機組在20%額定轉速和35%額定轉速投入風閘，制動時間分別為0.665min和1.164min。代入式（1），可得：

（1）20%額定轉速時的制動力F1(20%nN)為：

（2）35%額定轉速時的制動力F1(35%nN)為：

另外，考慮到水輪機導水機構漏水會產生一個制動力矩，此力矩大約是額定力矩的1%～1.5%。克服此力矩所需的制動力F2如式（2）所示[2-3]：

導水機構漏水產生的制動力取1.25%額定力矩，并且它是個恒定的量，因此不論在哪個轉速下投入風閘，克服該制動力所需的制動力F2都等于：

因此，在20%和35%額定轉速投入風閘時，產生的總制動力為：

將總制動力轉換成總制動力矩：

根據轉矩和功率、轉速的關系式，如式（3）所示：

可將總制動力矩轉換成額定轉速下的功率：

根據上述分析和計算可知，在允許投入風閘的轉速下，風閘對機組轉動部分產生的制動力、制動力矩都是恒定的。

2 高速加閘時機組逆功率的分析

正常發電運行時，作用在轉子上有兩個力矩：原動機產生的機械力矩Tj和電磁感應產生的電磁力矩Te。其中，電磁力矩Te是制動力矩，它的大小和機械力矩Tj相等，方向相反，從而使得轉子上的受力平衡，以恒定轉速運行。

當機組高速加閘時，調速器運行正常，因此機械力矩Tj不變。轉子在風閘的作用下，產生了一個制動力矩Tf，它和同樣起制動作用的電磁力矩Te疊加，這樣總制動力矩大于原動機產生的機械力矩Tj，也就是：Te+Tf＞Tj破壞了轉子上的受力平衡，使得轉子轉速呈減速趨勢[4-6]。

轉子轉速減小的趨勢，會使得原先正常發電保持恒定的功角δ產生減小的趨勢，當功角δ減小到0，由于機組的慣性，功角δ變繼續向負值增大。

根據發電機的功角特性，P∝ s inδ，功角δ減小，機組送出的有功功率也減小；功角δ為負值時，機組送出的有功功率就變為負值，也就是吸收有功功率，從而使得機組運行在逆功率狀態。

從另一個角度分析，也可得出相同的結論：機組高速加閘瞬間，機組出口斷路器并未斷開，仍然與系統相連，根據轉速與頻率的關系：

式中，p為轉子的極對數，f為機組頻率。

電網頻率保持恒定，即不變，極對數p也不變，則轉子轉速n也保持不變。同時由于機組慣性的原因，也會在加閘瞬間使得轉速保持不變。

要使機組在加閘瞬間轉速保持不變，也就是作用在轉子上的制動力矩Te+Tf和原動機產生的機械力矩相等，即Te+Tf=Tj。由于Tj不變，要使此式成立，就必須減小電磁力矩Te。

再根據電磁力矩與功率、轉速的關系，如式（3）所示，高速加閘瞬間轉子轉速n保持不變，要使電磁力矩Te減小，就必須減小有功功率P。高速加閘產生的制動力矩越大，電磁力矩Te需要減小的幅度越大，相應的，減小的有功功率P也就越大。

這個有功功率P減小的過程，只能依靠機組從系統中吸收有功來實現，這就出現了機組逆功率運行的狀態[7]。

仍以甲抽水蓄能電站為例，假設都在額定轉速300r/min下高速加閘，根據式（1）、式（2）和式（3），可做出制動時間（min）與吸收的有功功率（MW）的關系，如圖1所示。

圖1 制動時間與吸收有功的關系Figure 1 Relation between braking time and active power absorption

圖1中橫軸為制動時間，縱軸為吸收的有功功率。由圖可知，制動時間越短，吸收的有功功率越大；制動時間越長，吸收的有功功率越小。

3 逆功率保護動作特性

如圖2所示，在P—Q平面上，逆功率保護的動作特性用一條平行于Q軸的直線表示。當機組從系統中吸收的有功功率達到直線及直線左側的陰影區域時，逆功率保護動作。[8]

圖2 逆功率保護動作特性Figure 2 Operational characteristics of inverse power protection

4 高速加閘實例

2019年，乙抽水蓄能電站某機組在額定發電工況下，發生高速加閘事故，逆功率保護動作跳機。乙電站機組額定功率300MW，額定轉速250r/min，機端額定電壓16kV，事故前帶300MW負荷運行。

事件列表中顯示：20時18分48秒，機械制動投入；20時19分12秒，逆功率保護動作出口。從機械制動異常投入到逆功率保護動作出口的時間大約為0.4min。根據式（1）、式（2）和式（3），可算出所需吸收的有功功率約為394MW。由于故障前帶300MW負荷運行，因此，理論上吸收的有功應為300-394=-94MW。

根據故障錄波，該抽水蓄能電站逆功率保護動作時的機端電壓和機端電流有效值如表2所示。

表2 機端電壓和機端電流有效值Table 2 RMS of terminal voltage and current

根據表2可知，機端電壓與機端電流的相位角為170°，功率因數由正常發電的正值變成了負值，即發電機由原來的的發出有功功率變成了從系統吸收有功功率，吸收的有功功率P為：

該值與前文的理論計算值-94MW接近。一般情況下，逆功率保護的定值設為-5%PN，因此當吸收的有功功率為91.5MW時，等于-30.5%PN，于是逆功率保護動作出口跳機。

5 結束語

機組高速加閘的危害有：

（1）造成機械制動閘板極大的磨損，嚴重時會因局部高溫而斷裂，由此產生的碎片可能損傷定子線棒。

（2）高速加閘時會產生大量的粉塵，粉塵與風洞里的水蒸氣、油霧混合，附著在發電機定、轉子繞組表面，使發電機絕緣下降。

（3）高速加閘時產生的較大的機械阻力，會造成轉動部分以及相關軸瓦的損壞，情況惡劣時甚至會引起機組火災事故。

（4）高速加閘使機組處于逆功率運行狀態，如果吸收的有功功率較大，會造成機組較大的振擺，從而對機組和系統的安全穩定運行產生不利的影響。

防止高速加閘的建議為：

（1）合理設計、完善機械制動控制邏輯及回路，投入邏輯應設置轉速信號、機組開關位置信號、導葉位置信號等的閉鎖條件；退出邏輯應設置高速加閘保護。

（2）與機械制動控制相關的其他系統，如監控系統，應完善相應的邏輯設計，不能因其故障而造成機組高速加閘事故。