逆功率運行發(fā)電機逆功率運行狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換

發(fā)電機并網(wǎng)運行時，轉(zhuǎn)子在原動輪驅(qū)動作用下以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場Qf，而此時定子線圈內(nèi)流過頻率為50Hz的交變電流，此交變電流在線圈兩端產(chǎn)生磁動勢，形成定子交變磁場Qδ。發(fā)電機正常運行時，帶一定有功功率，此時轉(zhuǎn)子磁場Qf屬于驅(qū)動磁場，Qf超前于Qδ一個角度（即功角δ），轉(zhuǎn)子磁場拖著定子交變磁場Qδ以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而形成穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。功角δ反映出發(fā)電機所帶負荷的大小。

當原動力減少時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與定子電樞磁場平衡被打破，功角δ逐步減小，發(fā)電機向電網(wǎng)輸送的功率也減少，直至轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與定子電樞磁場形成新的穩(wěn)定夾角，此時發(fā)電機的功角δ和輸出的電功率較小。當發(fā)電機輸入的功率僅能抵消空載損耗時，功角δ趨于零，發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)，不向電網(wǎng)輸送有功功率。

當轉(zhuǎn)子上的輸入功率為零時，轉(zhuǎn)子的阻尼繞組就成為轉(zhuǎn)子的負載，使得功角δ為“負”，即轉(zhuǎn)子磁場Qf變?yōu)槁浜笥诙ㄗ与姌写艌鯭δ，使得Qδ拖著Qf轉(zhuǎn)動，定子電樞磁場轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機運行在空載電動機狀態(tài)，空載損耗由電網(wǎng)供給。

如果電機轉(zhuǎn)軸上疊加機械負載轉(zhuǎn)矩（即發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶動水輪機轉(zhuǎn)輪在水中旋轉(zhuǎn)），轉(zhuǎn)子磁場就更加落后，使功角δ的負值增大，為了達到新的功角平衡，定子電樞磁場轉(zhuǎn)矩也增大，此時定子、轉(zhuǎn)子電流增大，發(fā)電機將水輪機作為自身的負載運行在電動機狀態(tài)，所有的能量均從系統(tǒng)中吸取，這就稱為發(fā)電機的逆功率運行 。

同步發(fā)電機一般作為發(fā)電機運行，也可作為電動機、調(diào)相機運行，這主要取決于作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的外加機械轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的還是制動性質(zhì)的。從電磁關(guān)系來分析，當功角δ為“正”時，同步發(fā)電機作為發(fā)電機運行，當功角δ為“負”時，同步發(fā)電機作為電動機運行，即發(fā)電機逆功率運行。逆功率運行有別于調(diào)相運行，調(diào)相運行是發(fā)電機在設(shè)計范圍內(nèi)的可控的一種運行狀態(tài)，而逆功率運行對于貫流式機組而言危害極大，它本身就是一種故障運行狀態(tài)，給機組安全運行帶來嚴重威脅 。

貫流式機組逆功率保護動作事件時有發(fā)生，特別是早期投運的部分機組，其逆功率保護功能不完善，機組逆功率運行時未能及時跳閘，給機組安全運行帶來嚴重威脅。

機組逆功率運行，是在機組并網(wǎng)發(fā)電的情況下，導葉因某種非正常原因關(guān)閉，導致機組失去原動力，而機組出口斷路器又未及時跳閘引起的有功進相運行方式。歸納起來，造成貫流式機組逆功率運行的常見原因有：

1）貫流式機組設(shè)計水頭低、引用流量大、過流部件尺寸較大，且主軸為臥式布置，調(diào)速器部件所需驅(qū)動力要求較大，容易造成導水葉控制系統(tǒng)在運行中穩(wěn)定性相對較差。同時，機組在運行過程中由于水頭變化率較大，調(diào)速器為適應穩(wěn)定的負荷輸出和最優(yōu)效率，導葉、槳葉調(diào)節(jié)都較為頻繁，導致調(diào)速器系統(tǒng)出現(xiàn)故障的次數(shù)增加。由此可見，貫流式機組特有的設(shè)計、安裝和水流特性，會使導葉非正常關(guān)閉的可能性增加，機組出現(xiàn)逆功率運行的幾率相對較大，是貫流式機組逆功率運行的主要原因。

2）2003年以前，對于單機容量較小的發(fā)電機逆功率保護裝置的設(shè)計，國內(nèi)水輪發(fā)電機保護方面的標準并未做要求，因此裝機容量較小的貫流式機組一般不設(shè)置發(fā)電機逆功率保護功能，或不投入逆功率保護。設(shè)計上的缺陷使貫流式機組在出現(xiàn)逆功率運行時不能瞬時跳閘，給機組安全帶來一定隱患 。

理論上發(fā)電機逆功率運行只是一種電動機運行方式，對發(fā)電機不會造成嚴重危害，然而對于貫流式水輪機組而言，則可能造成嚴重的水力機械損害。

立式水輪機在設(shè)計時往往已經(jīng)考慮調(diào)相運行工況，在必要時，將壓縮空氣壓入轉(zhuǎn)輪室，使轉(zhuǎn)輪輪葉在空氣里轉(zhuǎn)動，此時水輪機在發(fā)電機電磁力矩的牽引下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，不帶機械負載，阻力小，運行平穩(wěn)。而與立式水輪機不同，貫流式水輪機多安裝在低水頭、大流量電站，機組轉(zhuǎn)速本身相對較低，且機組均安裝在尾水面負高程，采取水平臥式安裝，整個轉(zhuǎn)輪室充滿有壓的水。貫流式機組若發(fā)生逆功率運行，旋轉(zhuǎn)的葉片使水流產(chǎn)生很大的壓力，而壓力作用在導葉和水輪機的密封裝置上容易導致設(shè)備損壞。同時，旋轉(zhuǎn)水流在轉(zhuǎn)輪室和尾水管中形成旋轉(zhuǎn)脈動勢能，造成水輪機產(chǎn)生較大震動，從而損壞水導軸承、轉(zhuǎn)輪室以至受油器、發(fā)電機等機械部件。

1）GB 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定發(fā)電機應裝設(shè)逆功率保護，DL/T 5177—2003《水力發(fā)電廠繼電保護設(shè)計導則》第5.14條要求貫流式機組的逆功率保護應作用于跳閘。而早期安裝的大部分貫流式機組未裝設(shè)逆功率保護，或逆功率保護未作用于跳閘，只發(fā)信號，這些機組的保護裝置應擇期實施改造。

2）從實踐經(jīng)驗上看，部分電廠針對貫流式機組的特點，充分利用監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能，在監(jiān)控系統(tǒng)上增設(shè)機組逆功率運行時自動停機的判據(jù)，當收到導葉全關(guān)信號，判斷機組出口斷路器仍在“合位”時自動啟動停機流程。這種方式對于早期投產(chǎn)的未設(shè)置逆功率保護功能的貫流式機組來說，操作簡單，也能切實有效地防止有功功率深度進相，值得借鑒。

3）加強人員業(yè)務技能培訓，運行人員應掌握貫流式機組逆功率運行的判斷依據(jù)以及應急處理方式，以便在保護失效的情況下能迅速地將機組安全停機 。2100433B

發(fā)電機逆功率保護又稱功率方向保護。一般而言，發(fā)電機的功率方向應該為由發(fā)電機流向母線，但是當發(fā)電機失磁或其他某種原因，發(fā)電機有可能變?yōu)殡妱訖C運行，即從系統(tǒng)中吸取有功功率。這就是逆功率。當逆功率達到一定值時，發(fā)電機的保護動作，或動作于發(fā)信號或動作于跳閘 。

如果一臺發(fā)電機組沒有運轉(zhuǎn)，并且沒有逆功率繼電器保護，運轉(zhuǎn)的機組就會驅(qū)動這個機組，這臺機組上的發(fā)電機則變成電動機運行。