逆功率運行

逆功率運行是指發電機從電網吸收有功帶動汽輪機運行，即發電機以電動機方式運行。從電磁關係來分析，當功角δ為“正”時，同步發電機作為發電機運行，當功角δ為“負”時，同步發電機作為電動機運行，即發電機逆功率運行。逆功率運行有別於調相運行，調相運行是發電機在設計範圍內的可控的一種運行狀態，而逆功率運行對於貫流式機組而言危害極大，它本身就是一種故障運行狀態，給機組安全運行帶來嚴重威脅。

基本介紹

• 中文名：逆功率運行
• 外文名：motoringoperation
• 方式：電動機方式
• 範圍：電力系統
• 學科：電力工程
• 領域：能源

簡介

同步發電機一般作為發電機運行，也可作為電動機、調相機運行，這主要取決於作用在發電機轉軸上的外加機械轉矩是驅動性質的還是制動性質的。從電磁關係來分析，當功角δ為“正”時，同步發電機作為發電機運行，當功角δ為“負”時，同步發電機作為電動機運行，即發電機逆功率運行。逆功率運行有別於調相運行，調相運行是發電機在設計範圍內的可控的一種運行狀態，而逆功率運行對於貫流式機組而言危害極大，它本身就是一種故障運行狀態，給機組安全運行帶來嚴重威脅。

發電機逆功率運行狀態的能量轉換

發電機併網運行時，轉子在原動輪驅動作用下以同步轉速旋轉，形成轉子旋轉磁場Qf，而此時定子線圈內流過頻率為50Hz的交變電流，此交變電流線上圈兩端產生磁動勢，形成定子交變磁場Qδ。發電機正常運行時，帶一定有功功率，此時轉子磁場Qf屬於驅動磁場，Qf超前於Qδ一個角度（即功角δ），轉子磁場拖著定子交變磁場Qδ以同步轉速旋轉，從而形成穩定發電狀態。功角δ反映出發電機所帶負荷的大小。

當原動力減少時，轉子旋轉磁場與定子電樞磁場平衡被打破，功角δ逐步減小，發電機向電網輸送的功率也減少，直至轉子旋轉磁場與定子電樞磁場形成新的穩定夾角，此時發電機的功角δ和輸出的電功率較小。當發電機輸入的功率僅能抵消空載損耗時，功角δ趨於零，發電機處於空載運行狀態，不向電網輸送有功功率。

當轉子上的輸入功率為零時，轉子的阻尼繞組就成為轉子的負載，使得功角δ為“負”，即轉子磁場Qf變為落後於定子電樞磁場Qδ，使得Qδ拖著Qf轉動，定子電樞磁場轉矩變為驅動轉矩，發電機運行在空載電動機狀態，空載損耗由電網供給。

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

貫流式機組逆功率運行的常見原因

貫流式機組逆功率保護動作事件時有發生，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，是在機組併網發電的情況下，導葉因某種非正常原因關閉，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，調速器部件所需驅動力要求較大，容易造成導水葉控制系統在運行中穩定性相對較差。同時，機組在運行過程中由於水頭變化率較大，調速器為適應穩定的負荷輸出和最優效率，導葉、槳葉調節都較為頻繁，導致調速器系統出現故障的次數增加。由此可見，貫流式機組特有的設計、安裝和水流特性，會使導葉非正常關閉的可能性增加，機組出現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，對於單機容量較小的發電機逆功率保護裝置的設計，國內水輪發電機保護方面的標準並未做要求，因此裝機容量較小的貫流式機組一般不設定發電機逆功率保護功能，或不投入逆功率保護。設計上的缺陷使貫流式機組在出現逆功率運行時不能瞬時跳閘，給機組安全帶來一定隱患。

發電機逆功率運行對貫流式機組的危害

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

立式水輪機在設計時往往已經考慮調相運行工況，在必要時，將壓縮空氣壓入轉輪室，使轉輪輪葉在空氣里轉動，此時水輪機在發電機電磁力矩的牽引下繼續旋轉，不帶機械負載，阻力小，運行平穩。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，機組轉速本身相對較低，且機組均安裝在尾水面負高程，採取水平臥式安裝，整個轉輪室充滿有壓的水。貫流式機組若發生逆功率運行，旋轉的葉片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。同時，旋轉水流在轉輪室和尾水管中形成旋轉脈動勢能，造成水輪機產生較大震動，從而損壞水導軸承、轉輪室以至受油器、發電機等機械部件。

逆功率運行的預防及處理措施

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

2）從實踐經驗上看，部分電廠針對貫流式機組的特點，充分利用監控系統的數據採集功能，在監控系統上增設機組逆功率運行時自動停機的判據，當收到導葉全關信號，判斷機組出口斷路器仍在“合位”時自動啟動停機流程。這種方式對於早期投產的未設定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，值得借鑑。

3）加強人員業務技能培訓，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。