機(jī)組報(bào)濺水功率保護(hù)啟動(dòng)的原因分析

陳 騁，馮 斕

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺(tái)317200）

1 引言

華東桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺(tái)縣境內(nèi)，電站接入華東電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相以及事故備用的任務(wù)。電站裝設(shè)了4臺(tái)300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)，總裝機(jī)容量1 200 MW，年平均發(fā)電量20億kW·h，年抽水電量28億kW·h。機(jī)組除了有發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相4種正常運(yùn)行工況外，還有水輪機(jī)、線路充電和水泵拖動(dòng)3種特殊運(yùn)行工況。機(jī)組設(shè)置濺水功率保護(hù)（37 G2-B，37 M2-B），濺水功率保護(hù)在機(jī)組抽水調(diào)相運(yùn)行過程中投入，主要是為了避免機(jī)組因?yàn)闉R水而從系統(tǒng)中吸收過多的有功功率。其判斷依據(jù)是機(jī)組吸收的有功功率P，大于12%機(jī)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(shí)，延時(shí)1.0 s，動(dòng)作濺水功率保護(hù)（37 G2-B，37 M2-B），該保護(hù)出口動(dòng)作跳閘機(jī)組開關(guān)、滅磁開關(guān)以及SFC輸入開關(guān)，報(bào)警跳閘，啟動(dòng)故障錄波。因此，濺水功率保護(hù)（37 G2-B，37 M2-B）啟動(dòng)信號(hào)格外“引人注目”。

2 濺水功率保護(hù)的分析

濺水功率保護(hù)（37 G2-B，37 M2-B）是調(diào)相穩(wěn)態(tài)特有的保護(hù)，該保護(hù)分發(fā)電調(diào)相時(shí)的濺水功率保護(hù)（37 G2-B）以及抽水調(diào)相時(shí)的濺水功率保護(hù)（37 M2-B），2個(gè)保護(hù)均只是在調(diào)相穩(wěn)態(tài)才會(huì)投入，由換相刀合閘相序的不同來相互閉鎖。濺水功率保護(hù)（37 G2-B，37 M2-B）主要是為了避免機(jī)組因?yàn)闉R水而從系統(tǒng)中吸收過多的有功功率，因此其判斷條件是機(jī)組吸收的有功功率P＞12%Pn（36 MW），延時(shí)1.0 s動(dòng)作跳閘。當(dāng)球閥或者導(dǎo)葉打開時(shí)閉鎖該保護(hù)的投入。由于抽水蓄能電站抽水運(yùn)行的次數(shù)多，因此本次討論抽水調(diào)相時(shí)的濺水功率保護(hù)（37 M2-B），也就是電動(dòng)機(jī)的方向。

某日我廠2號(hào)機(jī)組在正常抽水調(diào)相開機(jī)過程中，發(fā)生了電動(dòng)機(jī)濺水功率保護(hù)（37 M2-B）啟動(dòng)信號(hào)報(bào)警，具體的事件列表如下：

00：08：42.255 2 號(hào)機(jī)尾水管水位高 是。

00：08：42.826 2號(hào)機(jī)充氣壓水補(bǔ)氣閥位置 打開。

00：08：43.827 2 號(hào)機(jī)尾水管水位高 否。

00：08：49.553 2號(hào)機(jī)AI1304同期條件滿足 動(dòng)作。

00：08：49.685 2 號(hào) 機(jī) 同 期 裝 置 輸 出 合 閘 令（K1010） 動(dòng)作。

00：08：49.714 2號(hào)機(jī)GCB合閘回路監(jiān)視繼電器（K1013） 動(dòng)作。

00：08：49.757 2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)位置 合閘。

00：08：49.773 2號(hào)機(jī)抽水方向?yàn)R水功率保護(hù)37 M-B啟動(dòng) 啟動(dòng)。

00：08：49.815 2號(hào)機(jī)抽水方向?yàn)R水功率保護(hù)37 M-B啟動(dòng) 復(fù)歸。

00：08：51.020 2 號(hào)機(jī)抽水調(diào)相工況 是。

從以上事件列表中可以看到00：08：49.773“2號(hào)機(jī)抽水方向?yàn)R水功率保護(hù)37 M-B啟動(dòng)”信號(hào)，報(bào)“啟動(dòng)”。隨后在00：08：49.815“2號(hào)機(jī)抽水方向?yàn)R水功率保護(hù)37 M-B啟動(dòng)”信號(hào)，報(bào)“復(fù)歸”，此時(shí)，由于保護(hù)只是啟動(dòng)，之后瞬時(shí)復(fù)歸，未動(dòng)作出口。

00：08：51.020“2號(hào)機(jī)抽水調(diào)相工況”信號(hào)報(bào)“是”，此信號(hào)由于信號(hào)傳輸問題發(fā)生了延遲，但是機(jī)組開關(guān)（后稱 GCB），在 00：08：49.757“2 號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)位置”信號(hào)報(bào)“合閘”，此時(shí)已經(jīng)判斷機(jī)組進(jìn)入抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài)，電動(dòng)機(jī)濺水功率保護(hù)（37 M2-B）正常投入，并在投入后報(bào)“啟動(dòng)”信號(hào)。

相關(guān)保護(hù)專業(yè)人員在調(diào)取2號(hào)機(jī)機(jī)組故障錄波器信息后，整理了如圖1桐柏2號(hào)機(jī)故障錄波器記錄。

圖1 桐柏2號(hào)機(jī)故障錄波器記錄

從保護(hù)錄波中可以看出，濺水功率保護(hù)（37 M2-B）啟動(dòng)時(shí)2號(hào)機(jī)A相電流有效值已達(dá)到12.4%In，而此時(shí)機(jī)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(jīng)滿足濺水功率保護(hù)（37 M2-B）啟動(dòng)條件，該保護(hù)啟動(dòng)。此時(shí)判斷濺水功率保護(hù)（37 M2-B）正確啟動(dòng)。隨后因2號(hào)機(jī)組達(dá)到一個(gè)相對(duì)更穩(wěn)定的抽水調(diào)相狀態(tài)，其A B C三相的電流都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，A相更是下降至12%In以下，機(jī)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(dòng)條件，且這個(gè)過程的時(shí)間不滿足1.0 s，濺水功率保護(hù)（37 M2-B）不會(huì)出口跳閘。（圖1中每個(gè)方格為10 ms）。

根據(jù)圖1故障錄波器記錄的情況看，2號(hào)機(jī)A相的電流有效值達(dá)到了12.4%In，也就是說此時(shí)A相功率值P確實(shí)超過了12%Pn（達(dá)到12.4%Pn），濺水功率保護(hù)是正常啟動(dòng)，但是保護(hù)設(shè)置了1.0 s延時(shí)，在1.0 s內(nèi)機(jī)組有功功率下降至12%Pn以下，濺水功率保護(hù)復(fù)歸，未動(dòng)作出口跳閘。符合當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3 濺水功率保護(hù)啟動(dòng)原因

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

（1）由于機(jī)組補(bǔ)氣的問題，導(dǎo)致2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪部分葉片正好觸及到水面，產(chǎn)生濺水從而消耗有功。

（2）由于機(jī)組冷卻水產(chǎn)生的水環(huán)過厚，碰到機(jī)組轉(zhuǎn)輪，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致吸收更多的有功功率。

（3）機(jī)組同期并網(wǎng)點(diǎn)存在較大偏差，使得機(jī)組需要吸收更多的有功，達(dá)到系統(tǒng)同步頻率。

4 各原因分析

（1）由于機(jī)組補(bǔ)氣的問題，導(dǎo)致2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪部分葉片正好觸及到水面，產(chǎn)生濺水從而消耗有功。

分析：此種情況需要考慮當(dāng)時(shí)的水位。

從事件列表00：08：43.827“2號(hào)機(jī)尾水管水位高”信號(hào)報(bào)“否”可以看出當(dāng)時(shí)尾水管水位應(yīng)該在高與低之間，從機(jī)組尾水管布置圖可以看出當(dāng)尾水在低與高之間時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有碰到水輪機(jī)葉片，此距離至少有1.3 m，當(dāng)然更不會(huì)產(chǎn)生濺水現(xiàn)象了，就不會(huì)影響機(jī)組的有功功率，因此排除此種情況。

（2）由于機(jī)組冷卻水產(chǎn)生的水環(huán)過厚，碰到了機(jī)組的轉(zhuǎn)輪，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了阻力，導(dǎo)致吸收更多的有功功率。

分析：此種情況的出現(xiàn)主要是2號(hào)機(jī)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(jìn)入轉(zhuǎn)輪，由于蝸殼泄壓閥始終是打開著的，機(jī)組的蝸殼和轉(zhuǎn)輪室存在著壓力差，可以使部分水環(huán)中的水流通過導(dǎo)葉端部的縫隙，進(jìn)入到蝸殼，從蝸殼泄壓閥中流走，從而保證水環(huán)不會(huì)太厚，不影響水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。但是當(dāng)水環(huán)達(dá)到一定厚度之后，從導(dǎo)葉端部的縫隙中流出的水流量有限，那么水環(huán)很有可能對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)機(jī)組消耗的有功功率產(chǎn)生影響。聯(lián)系當(dāng)時(shí)合閘并網(wǎng)瞬間報(bào)濺水功率保護(hù)（37 M2-B）啟動(dòng)，并且只在并網(wǎng)瞬間會(huì)有此現(xiàn)象，若是水環(huán)導(dǎo)致的，那么這個(gè)過程應(yīng)該是持續(xù)的，并且不會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，因此水環(huán)造成的機(jī)組吸收有功過大與機(jī)組并網(wǎng)聯(lián)系不大，因此排除此種情況。

（3）機(jī)組同期并網(wǎng)點(diǎn)存在較大偏差，使得機(jī)組需要吸收更多的有功，達(dá)到系統(tǒng)同步頻率。

分析：2號(hào)機(jī)組同期合閘令的發(fā)出是有一定的提前性的，簡單地說，就是同期裝置預(yù)判下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)可以進(jìn)行合閘并網(wǎng)，那么就會(huì)提前一定量下達(dá)合閘令，以保證合閘信號(hào)在傳輸給繼電器——繼電器動(dòng)作——開關(guān)合閘過程中所消耗的時(shí)間內(nèi)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(jī)端電壓向量Ug與系統(tǒng)電壓向量Us之間會(huì)存在一個(gè)角度θ，并隨著頻率的變化周期性變化（頻率會(huì)改變其加速度與旋轉(zhuǎn)的方向）。當(dāng)同期裝置發(fā)出合閘令之后，機(jī)組快速反應(yīng)將出口開關(guān)合閘，此時(shí)這個(gè)角度θ可大可小，但只要在同期裝置設(shè)定的允許范圍（通過人為計(jì)算和試驗(yàn)得出的一個(gè)范圍）內(nèi)即可，此時(shí)角度θ若是較小，則不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生較為明顯的影響，但是此時(shí)角度θ若是較大，則機(jī)組將會(huì)從系統(tǒng)中吸收更多的有功功率，從而使得機(jī)組與系統(tǒng)同步，這個(gè)過程是自整步的一個(gè)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(tài)決定。

根據(jù)水泵水輪機(jī)的特性，大多情況下機(jī)組發(fā)電時(shí)Ug-Us＞0（機(jī)組機(jī)端電壓向量超前），機(jī)組抽水時(shí)Ug-Us＜0（機(jī)組機(jī)端電壓向量滯后），所以當(dāng)抽水調(diào)相并網(wǎng)時(shí)，Ug小于Us，那么系統(tǒng)將拖著機(jī)組旋轉(zhuǎn)，將機(jī)組拖入同步狀態(tài)，在這個(gè)過程中機(jī)組必須從系統(tǒng)中吸收有功功率。因此，2號(hào)機(jī)組同期并網(wǎng)的瞬間，Ug與Us角度θ過大（在范圍內(nèi)），則機(jī)組吸收了更多的有功功率，會(huì)達(dá)到濺水功率保護(hù)啟動(dòng)值，之后機(jī)組立刻被系統(tǒng)帶入同步，運(yùn)行狀態(tài)更是趨于穩(wěn)定，濺水功率保護(hù)（37 M2-B）只啟動(dòng)未動(dòng)作，最后機(jī)組只要消耗一小部分有功便可以維持旋轉(zhuǎn)。

我們接下來分析抽水調(diào)相并網(wǎng)時(shí)角度θ過大的原因，由于機(jī)組抽水時(shí)Ug-Us＜0，那么可以分析出2個(gè)原因：

（1）同期裝置過早合閘

由于同期裝置過早合閘，導(dǎo)致的角度θ過大可能性較小，因?yàn)楹祥l信號(hào)的傳輸會(huì)有一定的延時(shí)，并且開關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作也會(huì)有延時(shí)，因此即使同期裝置有提前發(fā)令也不太可能造成合閘過早的情況。

（2）系統(tǒng)頻率合閘瞬間升高，Ug角度變化，使得角度θ絕對(duì)值增大。

由于系統(tǒng)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(duì)值會(huì)變得更大，角度θ絕對(duì)值也會(huì)變大。

5 分析建議

（1）重新整定機(jī)組濺水功率保護(hù)啟動(dòng)值。

（2）重新整定同期合閘時(shí)間（提前量應(yīng)考慮信號(hào)與操作機(jī)構(gòu)的延時(shí)，以及合閘允許范圍與最優(yōu)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(zhǔn)同期精度。

6 結(jié)論

通過如上分析，我們更加傾向于由于系統(tǒng)頻率在2號(hào)機(jī)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(duì)值會(huì)變得更大，角度θ絕對(duì)值也會(huì)變大。當(dāng)角度θ較大時(shí)，則機(jī)組將會(huì)從系統(tǒng)中吸收更多的有功功率，將本機(jī)組拖入與系統(tǒng)同步狀態(tài)，但是這個(gè)過程極為簡短，從而導(dǎo)致了濺水功率保護(hù)（37 M2-B）只啟動(dòng)未動(dòng)作的情況發(fā)生。