棒電源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)優(yōu)化及探討

許 亮

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

棒電源系統(tǒng)為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈提供連續(xù)供電，由兩套帶飛輪的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成，輸出額定電壓為260 V，當(dāng)2 套機(jī)組都發(fā)生失效會(huì)導(dǎo)致核電站控制棒落棒事故進(jìn)而導(dǎo)致停堆。每套棒電源系統(tǒng)配備的儲(chǔ)能飛輪，雙機(jī)組并聯(lián)工況下，能確保1 臺(tái)機(jī)組在電動(dòng)機(jī)電源發(fā)生故障或者擾動(dòng)后的1.2 s 內(nèi)，利用自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率和特性維持在可接受的限值范圍內(nèi)。當(dāng)持續(xù)發(fā)生電源失去或電機(jī)本體故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出有功功率，逆功率則觸發(fā)動(dòng)作，避免發(fā)電機(jī)損耗和消除1 臺(tái)機(jī)組受電源擾動(dòng)導(dǎo)致正常電動(dòng)發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)。

1 棒電源系統(tǒng)及逆功率保護(hù)概況

棒電源系統(tǒng)配置2 套完全相同的機(jī)組，每套機(jī)組含1 臺(tái)臥式鼠籠式異步電機(jī)和1 臺(tái)帶電壓調(diào)節(jié)器的三相無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，異步電機(jī)額定功率135 kW，額定電流244 A，同步發(fā)電機(jī)容量為400 kVA，額定電流888 A，額定有功功率為100 kW，滿負(fù)載效率大于0.76，功率因數(shù)0.25。

在每套棒電源機(jī)組的控制柜內(nèi)，配備有1 只功逆功率保護(hù)的功率繼電器，為Woodward 廠家生產(chǎn)，型號(hào)XP2-R，逆功率動(dòng)作功率設(shè)定在-9 kW。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)發(fā)生逆功率工況，逆功率繼電器能準(zhǔn)確動(dòng)作，及時(shí)切斷故障機(jī)組的上游接觸器和下游斷路器，隔離故障機(jī)組，避免發(fā)電機(jī)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，干擾正常的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。

2 逆功率保護(hù)原理及危害

2.1 保護(hù)原理

逆功率繼電器通過采集電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部微處理器計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的功率，計(jì)算公式為：

當(dāng)計(jì)算出來的功率和設(shè)定功率參數(shù)進(jìn)行比較，超過或低于設(shè)定功率值，則會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。以其逆功率檢測(cè)功能而言，當(dāng)在1 個(gè)周期內(nèi)，計(jì)算出來的功率超過逆功率設(shè)定值，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，則會(huì)觸發(fā)逆功率動(dòng)作。

該功率繼電器有3 種采集模式，既可采集三相三線制中的相電流、線電壓，也可采集三相四線制中的相電流、線電壓或相電流、相電壓。棒電源系統(tǒng)為三相四線系統(tǒng)，采集方式通過采集相電流、線電壓值來進(jìn)行功率計(jì)算，當(dāng)逆功率動(dòng)作時(shí)，由一副常閉觸點(diǎn)方式串入回路實(shí)現(xiàn)回路斷開功能，工作原理如圖1 所示。

圖1 逆功率繼電器工作原理

2.2 危害

當(dāng)棒電源系統(tǒng)發(fā)生逆功率的異常工況，發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，會(huì)存在以下危害：

（1）當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，上游保護(hù)無法立即切除，則會(huì)導(dǎo)致巨大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)過載。

（2）當(dāng)電機(jī)上游電源頻率降低時(shí)，會(huì)形成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響機(jī)組正常運(yùn)行。

（3）當(dāng)由于電機(jī)電源失去導(dǎo)致了逆功率，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生機(jī)械損耗。

3 拒動(dòng)現(xiàn)象和原因分析

3.1 逆功率未動(dòng)作情況

在執(zhí)行棒電源機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)帶恒定負(fù)載的情況下，當(dāng)電機(jī)失去上游電源時(shí)，通過觀察顯示屏上的功率值，發(fā)電機(jī)檢測(cè)到的功率情況如圖2 所示。顯然可見，逆功率工況下，捕捉到的發(fā)電機(jī)功率數(shù)值在-7 kW 到-8 kW 間波動(dòng)。目前逆功率繼電器動(dòng)作定值為-9 kW，逆功率繼電器保護(hù)不動(dòng)作。

圖2 逆功率工況下功率波動(dòng)

3.2 逆功率拒動(dòng)可能原因

3.2.1 顯示儀表觀察到的功率和實(shí)際功率存在偏差

試驗(yàn)時(shí)通過綜合電量顯示儀表實(shí)時(shí)顯示的功率值功率為-7 kW 到-8 kW，逆功率未動(dòng)作。推斷可能原因是測(cè)量有偏差，導(dǎo)致顯示的功率值和實(shí)際達(dá)到的逆功率動(dòng)作值有差異。

通過外部給定綜合電量顯示儀測(cè)量信號(hào)，比較電量顯示儀上顯示的值，平均偏差在2%以內(nèi)，對(duì)綜合電量測(cè)量回路進(jìn)行校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不存在回路接線問題，排除了測(cè)量偏差導(dǎo)致顯示不準(zhǔn)確問題?？梢哉J(rèn)為，綜合電量顯示屏上顯示的值和實(shí)際值可以等同。

3.2.2 逆功率繼電器發(fā)生損壞或校驗(yàn)有誤

經(jīng)對(duì)逆功率繼電器重新單獨(dú)進(jìn)行校驗(yàn)，給定整定值都能準(zhǔn)確發(fā)生動(dòng)作。重復(fù)進(jìn)行了多次校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)出的動(dòng)作值，和整定值偏差在允許范圍以內(nèi)，符合該繼電器的動(dòng)作范圍，逆功率繼電器可判定未發(fā)生損壞。

3.2.3 逆功率定值設(shè)定不合理

經(jīng)過上述的分析，目前在發(fā)生發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況逆功率繼電器不發(fā)生動(dòng)作的可能性是，當(dāng)前控制柜逆功率設(shè)定值相對(duì)偏大或者動(dòng)作延時(shí)時(shí)間過長，導(dǎo)致逆功率在延時(shí)時(shí)間內(nèi)不能準(zhǔn)確觸發(fā)動(dòng)作。

4 逆功率保護(hù)優(yōu)化

4.1 定值核算

根據(jù)DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》：300 MW 及以上發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率P 和逆功率繼電器Pop的動(dòng)作功率有以下關(guān)系：

針對(duì)逆功率繼電器動(dòng)作功率，則有：

式中，Krel 為可靠系數(shù)，取0.5 到0.8；P1為汽輪機(jī)在逆功率運(yùn)行時(shí)的最小損耗，一般取額定功率的1%～4%；P2為發(fā)電機(jī)在逆功率運(yùn)行時(shí)的最小損耗，一般取P2=（1-n）Pgn，其中，n 為發(fā)電機(jī)效率，取98.6%～98.7%（分別對(duì)應(yīng)300 MW 及600 MW），Pgn為發(fā)電機(jī)額定功率。

根據(jù)該導(dǎo)則整定計(jì)算，棒電源機(jī)組逆功率動(dòng)作功率為：（-11.675～-21.9）kW。

該導(dǎo)則中，P1值主要考慮汽輪機(jī)葉片在逆功率運(yùn)行狀態(tài)下尾部蒸汽摩擦導(dǎo)致的損耗。而棒電源機(jī)組電動(dòng)發(fā)電機(jī)，電機(jī)無葉片摩擦損壞，損耗很小，可以忽略不計(jì)，因此導(dǎo)則中公式不適用于棒電源發(fā)電機(jī)組的逆功率計(jì)算。

棒電源機(jī)組損耗主要集中在發(fā)電機(jī)的鐵耗和機(jī)械磨損，故逆功率運(yùn)行狀態(tài)下，損耗公式可取Pop=Krel×P2進(jìn)行計(jì)算。由棒電源機(jī)組發(fā)電機(jī)額定功率為100 kW，效率為0.78，Pop=Krel×P2，逆功率繼電器動(dòng)作功率區(qū)間應(yīng)在（-11～-17.6）kW。

4.2 棒電源機(jī)組逆功率工況和動(dòng)作功率分析

由《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》寫明，逆功率保護(hù)定值應(yīng)根據(jù)保護(hù)裝置的實(shí)測(cè)逆功率值進(jìn)行校核。

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)時(shí)功率監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)電機(jī)作為電機(jī)運(yùn)行時(shí)，棒電源機(jī)組逆功率動(dòng)作值穩(wěn)定在（-6～8）kW 左右。在完成1 臺(tái)棒電源機(jī)組模擬逆功率動(dòng)作情況后，對(duì)剩余該電站的另外3 臺(tái)棒電源機(jī)組做同樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)同樣情況，棒電源機(jī)組逆功率動(dòng)作值穩(wěn)定在（-6～8）kW 左右。

即棒電源機(jī)組在逆功率工況下，發(fā)電機(jī)運(yùn)行損耗取P2=（-6～8）kW，Krel 取0.5～0.8，則核算出棒電源機(jī)組逆功率實(shí)際動(dòng)作定值應(yīng)在（-3～6.4）kW 之間。

4.3 逆功率繼電器定值進(jìn)行優(yōu)化

經(jīng)對(duì)棒電源機(jī)組逆功率工況和動(dòng)作功率分析，考慮到在發(fā)生逆功率工況時(shí)，逆功率繼電器能及時(shí)出口動(dòng)作，可以采用兩種辦法來進(jìn)行保護(hù)優(yōu)化：

調(diào)整逆功率保護(hù)動(dòng)作定值或縮短動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。目前逆功率動(dòng)作延時(shí)時(shí)間設(shè)定在4 s，考慮到在發(fā)生電源切換或電源擾動(dòng)的恢復(fù)時(shí)間，將動(dòng)作延時(shí)時(shí)間縮短，不能保證因電源切換或擾動(dòng)短時(shí)內(nèi)引起的逆功率工況下對(duì)發(fā)電機(jī)組正常工作能力的影響。

故可以通過采取將逆功率繼電器定值適當(dāng)減小的辦法來進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)整定逆功率動(dòng)作功率在-6 kW，發(fā)電機(jī)能準(zhǔn)確切斷上下游開關(guān)，同時(shí)該定值也符合整定計(jì)算導(dǎo)則中對(duì)逆功率保護(hù)動(dòng)作動(dòng)率定值一般整定為（0.5%～2%）Pgn 的要求。

5 結(jié)束語

通過對(duì)棒電源機(jī)組逆功率動(dòng)作定值的優(yōu)化改進(jìn)，在棒電源發(fā)電機(jī)組發(fā)生逆功率工況下，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障機(jī)組隔離，避免了棒電源機(jī)組在發(fā)電機(jī)變成電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)電機(jī)造成的損壞，提升了逆功率動(dòng)作的靈敏性。調(diào)試階段通過對(duì)棒電源逆功率保護(hù)定值進(jìn)行了優(yōu)化后，既能準(zhǔn)確保護(hù)動(dòng)作，目前也已穩(wěn)定運(yùn)行1 年左右，可見當(dāng)前的優(yōu)化是合理和可靠的，對(duì)M310 型核電機(jī)組棒電源系統(tǒng)或同類型電動(dòng)發(fā)電機(jī)組逆功率保護(hù)優(yōu)化極具借鑒意義。