機組報濺水功率保護啟動的原因分析

陳 騁，馮 斕

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺317200）

1 引言

華東桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺縣境內，電站接入華東電網，在電網中承擔調峰填谷、調頻調相以及事故備用的任務。電站裝設了4臺300 MW的可逆式水泵水輪機，總裝機容量1 200 MW，年平均發電量20億kW·h，年抽水電量28億kW·h。機組除了有發電、發電調相、抽水、抽水調相4種正常運行工況外，還有水輪機、線路充電和水泵拖動3種特殊運行工況。機組設置濺水功率保護（37 G2-B，37 M2-B），濺水功率保護在機組抽水調相運行過程中投入，主要是為了避免機組因為濺水而從系統中吸收過多的有功功率。其判斷依據是機組吸收的有功功率P，大于12%機組額定總有功Pn=300 MW，即吸收的有功P＞12%Pn（0.12×300 MW=36 MW）時，延時1.0 s，動作濺水功率保護（37 G2-B，37 M2-B），該保護出口動作跳閘機組開關、滅磁開關以及SFC輸入開關，報警跳閘，啟動故障錄波。因此，濺水功率保護（37 G2-B，37 M2-B）啟動信號格外“引人注目”。

2 濺水功率保護的分析

濺水功率保護（37 G2-B，37 M2-B）是調相穩態特有的保護，該保護分發電調相時的濺水功率保護（37 G2-B）以及抽水調相時的濺水功率保護（37 M2-B），2個保護均只是在調相穩態才會投入，由換相刀合閘相序的不同來相互閉鎖。濺水功率保護（37 G2-B，37 M2-B）主要是為了避免機組因為濺水而從系統中吸收過多的有功功率，因此其判斷條件是機組吸收的有功功率P＞12%Pn（36 MW），延時1.0 s動作跳閘。當球閥或者導葉打開時閉鎖該保護的投入。由于抽水蓄能電站抽水運行的次數多，因此本次討論抽水調相時的濺水功率保護（37 M2-B），也就是電動機的方向。

某日我廠2號機組在正常抽水調相開機過程中，發生了電動機濺水功率保護（37 M2-B）啟動信號報警，具體的事件列表如下：

00：08：42.255 2 號機尾水管水位高 是。

00：08：42.826 2號機充氣壓水補氣閥位置 打開。

00：08：43.827 2 號機尾水管水位高 否。

00：08：49.553 2號機AI1304同期條件滿足 動作。

00：08：49.685 2 號 機 同 期 裝 置 輸 出 合 閘 令（K1010） 動作。

00：08：49.714 2號機GCB合閘回路監視繼電器（K1013） 動作。

00：08：49.757 2號機發電機出口開關位置 合閘。

00：08：49.773 2號機抽水方向濺水功率保護37 M-B啟動 啟動。

00：08：49.815 2號機抽水方向濺水功率保護37 M-B啟動 復歸。

00：08：51.020 2 號機抽水調相工況 是。

從以上事件列表中可以看到00：08：49.773“2號機抽水方向濺水功率保護37 M-B啟動”信號，報“啟動”。隨后在00：08：49.815“2號機抽水方向濺水功率保護37 M-B啟動”信號，報“復歸”，此時，由于保護只是啟動，之后瞬時復歸，未動作出口。

00：08：51.020“2號機抽水調相工況”信號報“是”，此信號由于信號傳輸問題發生了延遲，但是機組開關（后稱 GCB），在 00：08：49.757“2 號機發電機出口開關位置”信號報“合閘”，此時已經判斷機組進入抽水調相穩態，電動機濺水功率保護（37 M2-B）正常投入，并在投入后報“啟動”信號。

相關保護專業人員在調取2號機機組故障錄波器信息后，整理了如圖1桐柏2號機故障錄波器記錄。

圖1 桐柏2號機故障錄波器記錄

從保護錄波中可以看出，濺水功率保護（37 M2-B）啟動時2號機A相電流有效值已達到12.4%In，而此時機端三相電壓均在100%Un，因此A相功率值P=UI=12.4%Pn＞12%Pn，即已經滿足濺水功率保護（37 M2-B）啟動條件，該保護啟動。此時判斷濺水功率保護（37 M2-B）正確啟動。隨后因2號機組達到一個相對更穩定的抽水調相狀態，其A B C三相的電流都呈現出下降趨勢，A相更是下降至12%In以下，機端三相電壓維持不變。所以三相功率均不滿足大于12%Pn的啟動條件，且這個過程的時間不滿足1.0 s，濺水功率保護（37 M2-B）不會出口跳閘。（圖1中每個方格為10 ms）。

根據圖1故障錄波器記錄的情況看，2號機A相的電流有效值達到了12.4%In，也就是說此時A相功率值P確實超過了12%Pn（達到12.4%Pn），濺水功率保護是正常啟動，但是保護設置了1.0 s延時，在1.0 s內機組有功功率下降至12%Pn以下，濺水功率保護復歸，未動作出口跳閘。符合當時現場實際情況。

3 濺水功率保護啟動原因

這里排除了監控方面的失真、誤報等因素，造成濺水功率保護啟動的原因只能是此時的機組消耗了電網過多的有功，即P超過了12%Pn（36 MW）。消耗機組有功功率是通過影響機組正常的電流大小、機端電壓大小，本次濺水功率保護（37 M2-B）啟動時，故障錄波顯示機端電壓是100%Un，只有電流值偏大，通過對抽水蓄能機組的正常分析，影響機組電流的可能原因有以下幾種：

（1）由于機組補氣的問題，導致2號機轉輪部分葉片正好觸及到水面，產生濺水從而消耗有功。

（2）由于機組冷卻水產生的水環過厚，碰到機組轉輪，對機組轉動產生阻力，導致吸收更多的有功功率。

（3）機組同期并網點存在較大偏差，使得機組需要吸收更多的有功，達到系統同步頻率。

4 各原因分析

（1）由于機組補氣的問題，導致2號機轉輪部分葉片正好觸及到水面，產生濺水從而消耗有功。

分析：此種情況需要考慮當時的水位。

從事件列表00：08：43.827“2號機尾水管水位高”信號報“否”可以看出當時尾水管水位應該在高與低之間，從機組尾水管布置圖可以看出當尾水在低與高之間時，遠遠沒有碰到水輪機葉片，此距離至少有1.3 m，當然更不會產生濺水現象了，就不會影響機組的有功功率，因此排除此種情況。

（2）由于機組冷卻水產生的水環過厚，碰到了機組的轉輪，對機組轉動產生了阻力，導致吸收更多的有功功率。

分析：此種情況的出現主要是2號機組冷卻水中的上下迷宮冷卻水流量增加，迷宮密封中過多的冷卻水滲漏進入轉輪，由于蝸殼泄壓閥始終是打開著的，機組的蝸殼和轉輪室存在著壓力差，可以使部分水環中的水流通過導葉端部的縫隙，進入到蝸殼，從蝸殼泄壓閥中流走，從而保證水環不會太厚，不影響水輪機轉輪的運轉。但是當水環達到一定厚度之后，從導葉端部的縫隙中流出的水流量有限，那么水環很有可能對水輪機的轉輪產生影響，進而對機組消耗的有功功率產生影響。聯系當時合閘并網瞬間報濺水功率保護（37 M2-B）啟動，并且只在并網瞬間會有此現象，若是水環導致的，那么這個過程應該是持續的，并且不會在極短時間內恢復正常，因此水環造成的機組吸收有功過大與機組并網聯系不大，因此排除此種情況。

（3）機組同期并網點存在較大偏差，使得機組需要吸收更多的有功，達到系統同步頻率。

分析：2號機組同期合閘令的發出是有一定的提前性的，簡單地說，就是同期裝置預判下一個時間點可以進行合閘并網，那么就會提前一定量下達合閘令，以保證合閘信號在傳輸給繼電器——繼電器動作——開關合閘過程中所消耗的時間內依然滿足同期合閘的條件。

但是同期合閘包含了很多不確定性，機端電壓向量Ug與系統電壓向量Us之間會存在一個角度θ，并隨著頻率的變化周期性變化（頻率會改變其加速度與旋轉的方向）。當同期裝置發出合閘令之后，機組快速反應將出口開關合閘，此時這個角度θ可大可小，但只要在同期裝置設定的允許范圍（通過人為計算和試驗得出的一個范圍）內即可，此時角度θ若是較小，則不會對機組產生較為明顯的影響，但是此時角度θ若是較大，則機組將會從系統中吸收更多的有功功率，從而使得機組與系統同步，這個過程是自整步的一個過程，其消耗的有功功率完全是不確定的，由同期瞬間的狀態決定。

根據水泵水輪機的特性，大多情況下機組發電時Ug-Us＞0（機組機端電壓向量超前），機組抽水時Ug-Us＜0（機組機端電壓向量滯后），所以當抽水調相并網時，Ug小于Us，那么系統將拖著機組旋轉，將機組拖入同步狀態，在這個過程中機組必須從系統中吸收有功功率。因此，2號機組同期并網的瞬間，Ug與Us角度θ過大（在范圍內），則機組吸收了更多的有功功率，會達到濺水功率保護啟動值，之后機組立刻被系統帶入同步，運行狀態更是趨于穩定，濺水功率保護（37 M2-B）只啟動未動作，最后機組只要消耗一小部分有功便可以維持旋轉。

我們接下來分析抽水調相并網時角度θ過大的原因，由于機組抽水時Ug-Us＜0，那么可以分析出2個原因：

（1）同期裝置過早合閘

由于同期裝置過早合閘，導致的角度θ過大可能性較小，因為合閘信號的傳輸會有一定的延時，并且開關機構動作也會有延時，因此即使同期裝置有提前發令也不太可能造成合閘過早的情況。

（2）系統頻率合閘瞬間升高，Ug角度變化，使得角度θ絕對值增大。

由于系統頻率在合閘瞬間的升高，且由于Us大于Ug，那么合閘瞬間Ug-Us的絕對值會變得更大，角度θ絕對值也會變大。

5 分析建議

（1）重新整定機組濺水功率保護啟動值。

（2）重新整定同期合閘時間（提前量應考慮信號與操作機構的延時，以及合閘允許范圍與最優合閘范圍的大小）。

（3）更換同期裝置，采用新型的同期裝置，提高準同期精度。

6 結論

通過如上分析，我們更加傾向于由于系統頻率在2號機組合閘瞬間的升高，抽水方向原本Us就是大于Ug的，那么合閘瞬間Ug-Us的絕對值會變得更大，角度θ絕對值也會變大。當角度θ較大時，則機組將會從系統中吸收更多的有功功率，將本機組拖入與系統同步狀態，但是這個過程極為簡短，從而導致了濺水功率保護（37 M2-B）只啟動未動作的情況發生。