引言

漢江白河（夾河）水電站位于漢江上游干流,東距湖北省十堰市78km,西距陜西省安康市146km,是漢江上游7級梯級水電站開發(fā)中的最后一級。工程規(guī)模為大（2）型,水庫總庫容2.67億m3,調節(jié)庫容2142萬m3,水庫調節(jié)性能為日調節(jié),電站裝機180Mw,裝設4臺單機容量為45Mw的燈泡貫流式機組,其發(fā)電機型號為sFwG45-68/7750,發(fā)電機保護裝置為北京四方GFH306E-103型發(fā)電機保護裝置,以一回220kV出線接入湖北省電網。

機組投運一年多來,多次發(fā)生因機組逆功率保護動作引起事故停機事件,為防范此類事件的發(fā)生,特分析兩起事故原因,并提出相應預防措施。

1發(fā)電機組逆功率保護動作原理及運行危害

發(fā)電機組逆功率保護又稱"功率方向保護"。發(fā)電機組正常運行工況下,功率由發(fā)電機流向母線,發(fā)電機向系統(tǒng)輸送有功功率。但當發(fā)電機失磁或調速器導葉異常關閉等原因導致運行中發(fā)電機甩負荷到0時,若發(fā)電機依然與電網并列,則會從電網吸收功率,發(fā)電機依然保持旋轉,其轉速與周波相對應。此時發(fā)電機有可能變?yōu)殡妱訖C運行,即從電網中吸收有功功率,這就是逆功率。當發(fā)生逆功率運行情況時,若機組較大,則從網上吸電能較多,對正常運行的電網有一定影響,從發(fā)電機方面來說影響不是很大,但對于汽輪機來說影響則很大,因為汽輪機逆功率運行,就是在無蒸汽下運行,由于汽輪機主汽門已關閉,汽機尾部葉片與殘留蒸汽產生摩擦而形成鼓風損耗,低壓缸末幾級葉片在沒有蒸汽冷卻下發(fā)熱很大且長時間運行對機組的安全工況不利。

對于汽輪機小機組來說,一般都規(guī)定了無蒸汽運行的最長允許時間,通常為3～5min,在規(guī)定時間內如不能重新帶上負荷就必須解列停機:對于汽輪機大機組來說,則裝有逆功率保護,當發(fā)生逆功率運行情況時,直接動作于解列發(fā)電機。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的逆功率運行與火電機組有很大區(qū)別:燈泡貫流式水輪機多安裝在大流量、低水頭的水電站,機組轉速較低,并且采取水平臥式安裝在水面負高程,整個轉輪室浸泡在水中。燈泡貫流式機組若發(fā)生逆功率運行,旋轉的葉片將使水流產生很大的壓力,而壓力作用在導葉和水輪機的密封裝置上容易導致設備損壞。低水流量使內部壓力降低到某一限度,會在局部形成汽泡或汽穴,而后在壓力升高的地方汽穴重新凝聚、消失,會造成頻率很高、壓力很大的微觀水擊,致使轉輪葉片表面產生疲勞破壞、溫度升高、電離和化學腐蝕等作用,即"汽蝕現象"。同時,旋轉水流會在轉輪室和尾水管中形成旋轉脈動勢能,使水輪機產生較大振動,從而損壞組合軸承、水導軸承、轉輪室以及受油器、發(fā)電機等機械部件。故燈泡貫流式機組也要設置逆功率保護。

為防止轉輪葉片的汽蝕和機組振動過大,當逆功率達到一定值時,發(fā)電機保護動作,逆功率保護設有一段兩時限,短延時發(fā)信,長延時跳閘。逆功率保護的電壓取自發(fā)電機機端PT,電流取自發(fā)電機機端CT,邏輯框圖如圖1所示。

燈泡貫流式機組逆功率保護定值為10%左右,逆功率跳閘延時根據需要,一般為5s左右。本站發(fā)電機逆功率保護動作整定值如下:逆功率保護功率為10%PGe（PGe為機組額定功率）,告警時間（短延時）為3s,長延時段時間為6s,動作出口跳閘。

2逆功率保護動作原因及分析

2.1施工人員誤碰重錘關機電磁閥引起逆功率保護動作的事故停機

2.1.1事故情況

2020年7月某日,電廠#1機組并網發(fā)電運行,機組負荷為17Mw。上位機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出告警信號,上報"#1機組有功越下限動作""#1機組機端電壓越下限""#1機組轉子電流低報警,閉鎖減磁""#1機組非發(fā)電態(tài)動作""#1機組有功減至空載動作"等報警信息,此時#1機組振動增大,并發(fā)出轟鳴聲。運行值班人員觀察機組負荷快速降低,此時減少至-2Mw。接著上位機監(jiān)控上報"#1機組逆功率告警""#1機組逆功率保護動作"等信息。#1機組逆功率保護動作后,觸發(fā)事故停機流程:機端出口開關"夾o1"分閘,機組滅磁開關分閘動作,調速器停機令動作,重錘下落動作。停機后,運行人員立即對機組進行初步檢查,未許可關于#1機組的工作票,查看#1機組發(fā)電機保護裝置"逆功率動作",其他設備未出現故障、告警等信息。將此情況通知電氣人員,以便現場查找并分析事故原因。

2.1.2事故處理及原因分析

電氣人員查看計算機監(jiān)控系統(tǒng)報表,在#1機組逆功率保護動作前,#1機組運行正常,無設備故障、告警等信息。從16:38:27開始,#1機組導葉開度迅速減小,有功功率也從17.2Mw快速下降。16:38:36.664報發(fā)電機保護啟動,16:38:39.646逆功率保護告警,逆功率發(fā)信P=-25.25%,保護啟動后6002ms逆功率出口為P=-27.25%,逆功率保護動作。根據監(jiān)控系統(tǒng)報文分析,在未有任何負荷調整或故障報警的情況下,機組導葉突然關閉,初步判定是導葉控制系統(tǒng)誤動或接力器突然失壓引起。著重對#1機組調速系統(tǒng)進行檢查,調速器電調柜顯示屏無告警信息,PLC運行正常,接力器油管路無噴油或漏油現象,油管路壓力正常。導葉主配壓力油控制回路無漏油,重錘關閉電磁閥也無漏油現象。手動將機組導葉緩慢打開,然后關閉。調速器主配未發(fā)現卡滯或油路堵塞現象,經檢查未找出引起導葉自動關閉的原因。運行人員查看各個設備監(jiān)控發(fā)現,在#1機組重錘關機電磁閥附近有施工人員在施工,且重錘關閉電磁閥上有腳印,后詢問得知施工人員誤碰了重錘關機電磁按鈕。重錘關機電磁閥動作后,觸發(fā)重錘落下,強制將導葉全關。此時#1機組出口開關"夾01"還在合閘位置,在導葉關閉過程中,機組出力從17.2Mw逐步減少至0,導葉全關時,發(fā)電機組開始從系統(tǒng)吸收有功。在發(fā)電機組吸收有功超過10%PGe(-4.5Mw）時,逆功率保護啟動并延時3s告警,保護啟動6s后,發(fā)電機吸收有功值12.02Mw,滿足逆功率保護動作條件,逆功率保護動作并觸發(fā)停機流程。查清逆功率保護動作原因后,確認為非設備故障引起的事故停機,組織維護人員檢查機組各轉動部件,確認無損傷、漏油現象后,向省調申請開機并網,機組帶負荷運行正常,振動較之前無較大變化。

2.2人為誤操作引起逆功率保護動作的事故停機

2.2.1事故情況

2021年5月某日,運行人員向省調申請#1機組并網發(fā)電,20:40完成機組并網,進行負荷調整時,上位機下發(fā)"增開度指令",計算機監(jiān)控簡報彈出"增開度指令復歸",負荷一直維持在3.9Mw左右,上位機又下發(fā)幾次增加負荷指令,負荷依然在3.9Mw左右?，F地檢查調速器電調柜及調速器機調柜,未發(fā)現有故障報警。于是將調速器控制方式切至"電手動"進行導葉開度現地調整,導葉開度依然為24%,負荷在3.9Mw左右。查看參數得知,電氣開限定值為25%,因電氣開限的限制,導葉無法打開。運行人員將調速器電調柜上A套裝置電氣開限調整為80%,現地增加導葉開度至30%、40%,導葉開度按照預定值增加,然后通知中控室值班人員在上位機下發(fā)負荷調整令,將負荷調整為26Mw,導葉開度由30%開至71.1%,機組及調速器裝置運行正常,穩(wěn)定運行2min后,現場人員將調速器電調柜上正在運行的A套裝置切換至B套裝置時,導葉開度立即由71.1%快速降至22%,十幾秒后,#1機組逆功率保護動作,引起事故停機。

2.2.2事故處理及原因分析

逆功率保護動作后,立即開展事故原因調查。調閱20:51:28.882監(jiān)控數據,運行人員將調速器電調柜上A套裝置切換至B套裝置時,導葉開度立即由71.1%快速降至22%,此時負荷由26.2Mw迅速下降,20:51:33.699負荷降至-7.1Mw,20:51:35.699負荷降至最低點-7.2Mw,20:51:39.641回升至-5.13Mw。#1發(fā)電機保護裝置顯示20:51:33.699發(fā)電機保護啟動,20:51:36.333逆功率告警發(fā)信,此時功率P=-16.13%,保護啟動6056ms后,負荷P=-10.88%,滿足逆功率保護動作條件,逆功率保護動作,觸發(fā)發(fā)電機組事故停機。事故停機后,電氣人員檢查#1機組事故停機流程執(zhí)行正常。監(jiān)控系統(tǒng)無#1機組負荷調節(jié)令,檢查調速器無故障報警信息。

分析監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的告警信息、有功功率和導葉開度,判斷為調速器機端合閘信號斷線,導致調速器電調柜無法收到合閘信號,默認機組依然處于空轉狀態(tài),電氣開限限制在25%以內的空轉開限,故無法實現負荷調整。從#1機端斷路器輔助觸點短接合閘信號給調速器電調柜,發(fā)現調速器無法收到合閘信號,查找發(fā)現引入電調柜合閘信號線接線端子松動,致使調速器無法收到合閘信號。由于運行人員將調速器電調柜裝置由A套切至B套運行時,B套最大電氣開限依然是25%,導葉開度立即由A套開度71.1%陡降至B套默認的空轉開度22%。此時在高負荷、導葉開度快速關閉下機組負荷下降過快,導致從電網倒吸有功,倒吸有功功率數值達到逆功率保護動作定值,保護正確動作,觸發(fā)事故停機。

2.3防范措施

(1）對現場施工加強安全管理,嚴格執(zhí)行兩票制度,工作中嚴格執(zhí)行工作規(guī)程,并設專人監(jiān)護,禁止違章作業(yè)、無監(jiān)護操作,誤碰設備時及時匯報中控室值班人員,以便運行人員能夠快速進行處理。

(2）加強電氣設備定期維護、檢查,每年定期對各設備端子排進行緊固接線和檢查,對易松動的接線、虛接線做專門處理。對重要開關、按鈕進行防護,并張貼醒目標志警示,防止因誤碰引起事故停機。

(3）開展有針對性的技術培訓工作,運行人員應掌握燈泡貫流式機組運行工況及特點,熟悉調速器操作規(guī)程,具備故障現場分析能力、保護動作事故應急處理能力,以便在保護失靈的狀態(tài)下迅速將機組安全停機,以免事故擴大。

(4）縮短調速器維護周期,根據運行規(guī)程及設備管理等要求,應避免調速器控制油路中的濾過器長期在一路運行,應定期化驗調速器油樣,保證油質合格:調速器控制油路上的濾過器前后壓差超過0.5MPa時應及時清洗濾過器。

以上措施可以大大降低調速器控制油路濾過器堵塞及調速器比例閥發(fā)卡、主配發(fā)卡概率。應定期檢查維護調速器系統(tǒng)元器件,及時清掃盤柜,防止因調速器故障引起導葉全關而觸發(fā)逆功率保護動作。

3結語

隨著我國對低水頭徑流式水電站的開發(fā),燈泡貫流式機組應用越來越廣泛,投產的機組容量也越來越大。逆功率保護是燈泡貫流式水輪發(fā)電機組不可或缺的保護,在機組運行中加強運行分析,并采取有效的預防措施降低逆功率保護動作事故概率,對于提高燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的運行可靠性,保證電力系統(tǒng)安全運行有著重要意義。