棒電源系統發電機逆功率保護優化及探討

許 亮

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

棒電源系統為控制棒驅動機構線圈提供連續供電，由兩套帶飛輪的電動發電機組組成，輸出額定電壓為260 V，當2 套機組都發生失效會導致核電站控制棒落棒事故進而導致停堆。每套棒電源系統配備的儲能飛輪，雙機組并聯工況下，能確保1 臺機組在電動機電源發生故障或者擾動后的1.2 s 內，利用自身的轉動慣量將發電機輸出電壓的頻率和特性維持在可接受的限值范圍內。當持續發生電源失去或電機本體故障，導致發電機輸出有功功率，逆功率則觸發動作，避免發電機損耗和消除1 臺機組受電源擾動導致正常電動發電機機組發生故障風險。

1 棒電源系統及逆功率保護概況

棒電源系統配置2 套完全相同的機組，每套機組含1 臺臥式鼠籠式異步電機和1 臺帶電壓調節器的三相無刷勵磁同步發電機，異步電機額定功率135 kW，額定電流244 A，同步發電機容量為400 kVA，額定電流888 A，額定有功功率為100 kW，滿負載效率大于0.76，功率因數0.25。

在每套棒電源機組的控制柜內，配備有1 只功逆功率保護的功率繼電器，為Woodward 廠家生產，型號XP2-R，逆功率動作功率設定在-9 kW。根據設計要求，當發生逆功率工況，逆功率繼電器能準確動作，及時切斷故障機組的上游接觸器和下游斷路器，隔離故障機組，避免發電機當同步電動機運行，干擾正常的發電機組運行。

2 逆功率保護原理及危害

2.1 保護原理

逆功率繼電器通過采集電壓和電流信號，經過內部微處理器計算一個周期內的功率，計算公式為：

當計算出來的功率和設定功率參數進行比較，超過或低于設定功率值，則會觸發對應的動作。以其逆功率檢測功能而言，當在1 個周期內，計算出來的功率超過逆功率設定值，當延時時間到達時，則會觸發逆功率動作。

該功率繼電器有3 種采集模式，既可采集三相三線制中的相電流、線電壓，也可采集三相四線制中的相電流、線電壓或相電流、相電壓。棒電源系統為三相四線系統，采集方式通過采集相電流、線電壓值來進行功率計算，當逆功率動作時，由一副常閉觸點方式串入回路實現回路斷開功能，工作原理如圖1 所示。

圖1 逆功率繼電器工作原理

2.2 危害

當棒電源系統發生逆功率的異常工況，發電機作為同步電機運行，會存在以下危害：

（1）當電機發生堵轉時，上游保護無法立即切除，則會導致巨大制動轉矩，使得正常運行的發電機過載。

（2）當電機上游電源頻率降低時，會形成制動轉矩，影響機組正常運行。

（3）當由于電機電源失去導致了逆功率，則會導致發電機發生機械損耗。

3 拒動現象和原因分析

3.1 逆功率未動作情況

在執行棒電源機組負載試驗時，發電機帶恒定負載的情況下，當電機失去上游電源時，通過觀察顯示屏上的功率值，發電機檢測到的功率情況如圖2 所示。顯然可見，逆功率工況下，捕捉到的發電機功率數值在-7 kW 到-8 kW 間波動。目前逆功率繼電器動作定值為-9 kW，逆功率繼電器保護不動作。

圖2 逆功率工況下功率波動

3.2 逆功率拒動可能原因

3.2.1 顯示儀表觀察到的功率和實際功率存在偏差

試驗時通過綜合電量顯示儀表實時顯示的功率值功率為-7 kW 到-8 kW，逆功率未動作。推斷可能原因是測量有偏差，導致顯示的功率值和實際達到的逆功率動作值有差異。

通過外部給定綜合電量顯示儀測量信號，比較電量顯示儀上顯示的值，平均偏差在2%以內，對綜合電量測量回路進行校驗，發現不存在回路接線問題，排除了測量偏差導致顯示不準確問題。可以認為，綜合電量顯示屏上顯示的值和實際值可以等同。

3.2.2 逆功率繼電器發生損壞或校驗有誤

經對逆功率繼電器重新單獨進行校驗，給定整定值都能準確發生動作。重復進行了多次校驗，發現校驗出的動作值，和整定值偏差在允許范圍以內，符合該繼電器的動作范圍，逆功率繼電器可判定未發生損壞。

3.2.3 逆功率定值設定不合理

經過上述的分析，目前在發生發電機作為同步電機運轉情況逆功率繼電器不發生動作的可能性是，當前控制柜逆功率設定值相對偏大或者動作延時時間過長，導致逆功率在延時時間內不能準確觸發動作。

4 逆功率保護優化

4.1 定值核算

根據DL/T 684—2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》：300 MW 及以上發電機逆功率運行時，發電機有功功率P 和逆功率繼電器Pop的動作功率有以下關系：

針對逆功率繼電器動作功率，則有：

式中，Krel 為可靠系數，取0.5 到0.8；P1為汽輪機在逆功率運行時的最小損耗，一般取額定功率的1%～4%；P2為發電機在逆功率運行時的最小損耗，一般取P2=（1-n）Pgn，其中，n 為發電機效率，取98.6%～98.7%（分別對應300 MW 及600 MW），Pgn為發電機額定功率。

根據該導則整定計算，棒電源機組逆功率動作功率為：（-11.675～-21.9）kW。

該導則中，P1值主要考慮汽輪機葉片在逆功率運行狀態下尾部蒸汽摩擦導致的損耗。而棒電源機組電動發電機，電機無葉片摩擦損壞，損耗很小，可以忽略不計，因此導則中公式不適用于棒電源發電機組的逆功率計算。

棒電源機組損耗主要集中在發電機的鐵耗和機械磨損，故逆功率運行狀態下，損耗公式可取Pop=Krel×P2進行計算。由棒電源機組發電機額定功率為100 kW，效率為0.78，Pop=Krel×P2，逆功率繼電器動作功率區間應在（-11～-17.6）kW。

4.2 棒電源機組逆功率工況和動作功率分析

由《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》寫明，逆功率保護定值應根據保護裝置的實測逆功率值進行校核。

根據對試驗時功率監測，當發電機作為電機運行時，棒電源機組逆功率動作值穩定在（-6～8）kW 左右。在完成1 臺棒電源機組模擬逆功率動作情況后，對剩余該電站的另外3 臺棒電源機組做同樣試驗，發現，出現同樣情況，棒電源機組逆功率動作值穩定在（-6～8）kW 左右。

即棒電源機組在逆功率工況下，發電機運行損耗取P2=（-6～8）kW，Krel 取0.5～0.8，則核算出棒電源機組逆功率實際動作定值應在（-3～6.4）kW 之間。

4.3 逆功率繼電器定值進行優化

經對棒電源機組逆功率工況和動作功率分析，考慮到在發生逆功率工況時，逆功率繼電器能及時出口動作，可以采用兩種辦法來進行保護優化：

調整逆功率保護動作定值或縮短動作延時時間。目前逆功率動作延時時間設定在4 s，考慮到在發生電源切換或電源擾動的恢復時間，將動作延時時間縮短，不能保證因電源切換或擾動短時內引起的逆功率工況下對發電機組正常工作能力的影響。

故可以通過采取將逆功率繼電器定值適當減小的辦法來進行優化，經過試驗驗證，當整定逆功率動作功率在-6 kW，發電機能準確切斷上下游開關，同時該定值也符合整定計算導則中對逆功率保護動作動率定值一般整定為（0.5%～2%）Pgn 的要求。

5 結束語

通過對棒電源機組逆功率動作定值的優化改進，在棒電源發電機組發生逆功率工況下，能準確實現故障機組隔離，避免了棒電源機組在發電機變成電機運行時對電機造成的損壞，提升了逆功率動作的靈敏性。調試階段通過對棒電源逆功率保護定值進行了優化后，既能準確保護動作，目前也已穩定運行1 年左右，可見當前的優化是合理和可靠的，對M310 型核電機組棒電源系統或同類型電動發電機組逆功率保護優化極具借鑒意義。