逆功率運(yùn)行簡介

同步發(fā)電機(jī)一般作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作為電動機(jī)、調(diào)相機(jī)運(yùn)行，這主要取決于作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的外加機(jī)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(dāng)功角δ為“正”時(shí)，同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)功角δ為“負(fù)”時(shí)，同步發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行，即發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行。逆功率運(yùn)行有別于調(diào)相運(yùn)行，調(diào)相運(yùn)行是發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的可控的一種運(yùn)行狀態(tài)，而逆功率運(yùn)行對于貫流式機(jī)組而言危害極大，它本身就是一種故障運(yùn)行狀態(tài)，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅 。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)，帶一定有功功率，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場Qf屬于驅(qū)動磁場，Qf超前于Qδ一個(gè)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(jī)所帶負(fù)荷的大小。

當(dāng)原動力減少時(shí)，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(jī)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(shí)發(fā)電機(jī)的功角δ和輸出的電功率較小。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸入的功率僅能抵消空載損耗時(shí)，功角δ趨于零，發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，不向電網(wǎng)輸送有功功率。

當(dāng)轉(zhuǎn)子上的輸入功率為零時(shí)，轉(zhuǎn)子的阻尼繞組就成為轉(zhuǎn)子的負(fù)載，使得功角δ為“負(fù)”，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(jī)運(yùn)行在空載電動機(jī)狀態(tài)，空載損耗由電網(wǎng)供給。

如果電機(jī)轉(zhuǎn)軸上疊加機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩（即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動水輪機(jī)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(fù)值增大，為了達(dá)到新的功角平衡，定子電樞磁場轉(zhuǎn)矩也增大，此時(shí)定子、轉(zhuǎn)子電流增大，發(fā)電機(jī)將水輪機(jī)作為自身的負(fù)載運(yùn)行在電動機(jī)狀態(tài)，所有的能量均從系統(tǒng)中吸取，這就稱為發(fā)電機(jī)的逆功率運(yùn)行 。

貫流式機(jī)組逆功率保護(hù)動作事件時(shí)有發(fā)生，特別是早期投運(yùn)的部分機(jī)組，其逆功率保護(hù)功能不完善，機(jī)組逆功率運(yùn)行時(shí)未能及時(shí)跳閘，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

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

1）貫流式機(jī)組設(shè)計(jì)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(dǎo)水葉控制系統(tǒng)在運(yùn)行中穩(wěn)定性相對較差。同時(shí)，機(jī)組在運(yùn)行過程中由于水頭變化率較大，調(diào)速器為適應(yīng)穩(wěn)定的負(fù)荷輸出和最優(yōu)效率，導(dǎo)葉、槳葉調(diào)節(jié)都較為頻繁，導(dǎo)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(jī)組特有的設(shè)計(jì)、安裝和水流特性，會使導(dǎo)葉非正常關(guān)閉的可能性增加，機(jī)組出現(xiàn)逆功率運(yùn)行的幾率相對較大，是貫流式機(jī)組逆功率運(yùn)行的主要原因。

2）2003年以前，對于單機(jī)容量較小的發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)保護(hù)方面的標(biāo)準(zhǔn)并未做要求，因此裝機(jī)容量較小的貫流式機(jī)組一般不設(shè)置發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)功能，或不投入逆功率保護(hù)。設(shè)計(jì)上的缺陷使貫流式機(jī)組在出現(xiàn)逆功率運(yùn)行時(shí)不能瞬時(shí)跳閘，給機(jī)組安全帶來一定隱患 。

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

立式水輪機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往已經(jīng)考慮調(diào)相運(yùn)行工況，在必要時(shí)，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(shí)水輪機(jī)在發(fā)電機(jī)電磁力矩的牽引下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，不帶機(jī)械負(fù)載，阻力小，運(yùn)行平穩(wěn)。而與立式水輪機(jī)不同，貫流式水輪機(jī)多安裝在低水頭、大流量電站，機(jī)組轉(zhuǎn)速本身相對較低，且機(jī)組均安裝在尾水面負(fù)高程，采取水平臥式安裝，整個(gè)轉(zhuǎn)輪室充滿有壓的水。貫流式機(jī)組若發(fā)生逆功率運(yùn)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(dǎo)葉和水輪機(jī)的密封裝置上容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。同時(shí)，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(jī)產(chǎn)生較大震動，從而損壞水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室以至受油器、發(fā)電機(jī)等機(jī)械部件。

1）GB 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)逆功率保護(hù)，DL/T 5177—2003《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》第5.14條要求貫流式機(jī)組的逆功率保護(hù)應(yīng)作用于跳閘。而早期安裝的大部分貫流式機(jī)組未裝設(shè)逆功率保護(hù)，或逆功率保護(hù)未作用于跳閘，只發(fā)信號，這些機(jī)組的保護(hù)裝置應(yīng)擇期實(shí)施改造。

2）從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上看，部分電廠針對貫流式機(jī)組的特點(diǎn)，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(jī)組逆功率運(yùn)行時(shí)自動停機(jī)的判據(jù)，當(dāng)收到導(dǎo)葉全關(guān)信號，判斷機(jī)組出口斷路器仍在“合位”時(shí)自動啟動停機(jī)流程。這種方式對于早期投產(chǎn)的未設(shè)置逆功率保護(hù)功能的貫流式機(jī)組來說，操作簡單，也能切實(shí)有效地防止有功功率深度進(jìn)相，值得借鑒。

3）加強(qiáng)人員業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)，運(yùn)行人員應(yīng)掌握貫流式機(jī)組逆功率運(yùn)行的判斷依據(jù)以及應(yīng)急處理方式，以便在保護(hù)失效的情況下能迅速地將機(jī)組安全停機(jī) 。2100433B

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)又稱功率方向保護(hù)。一般而言，發(fā)電機(jī)的功率方向應(yīng)該為由發(fā)電機(jī)流向母線，但是當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁或其他某種原因，發(fā)電機(jī)有可能變?yōu)殡妱訖C(jī)運(yùn)行，即從系統(tǒng)中吸取有功功率。這就是逆功率。當(dāng)逆功率達(dá)到一定值時(shí)，發(fā)電機(jī)的保護(hù)動作，或動作于發(fā)信號或動作于跳閘 。

如果一臺發(fā)電機(jī)組沒有運(yùn)轉(zhuǎn)，并且沒有逆功率繼電器保護(hù)，運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)組就會驅(qū)動這個(gè)機(jī)組，這臺機(jī)組上的發(fā)電機(jī)則變成電動機(jī)運(yùn)行。