[科普中国]-逆功率运行-

逆功率运行是指发电机从电网吸收有功带动汽轮机运行，即发电机以电动机方式运行。从电磁关系来分析，当功角δ为“正”时，同步发电机作为发电机运行，当功角δ为“负”时，同步发电机作为电动机运行，即发电机逆功率运行。逆功率运行有别于调相运行，调相运行是发电机在设计范围内的可控的一种运行状态，而逆功率运行对于贯流式机组而言危害极大，它本身就是一种故障运行状态，给机组安全运行带来严重威胁。

简介同步发电机一般作为发电机运行，也可作为电动机、调相机运行，这主要取决于作用在发电机转轴上的外加机械转矩是驱动性质的还是制动性质的。从电磁关系来分析，当功角δ为“正”时，同步发电机作为发电机运行，当功角δ为“负”时，同步发电机作为电动机运行，即发电机逆功率运行。逆功率运行有别于调相运行，调相运行是发电机在设计范围内的可控的一种运行状态，而逆功率运行对于贯流式机组而言危害极大，它本身就是一种故障运行状态，给机组安全运行带来严重威胁1。

发电机逆功率运行状态的能量转换发电机并网运行时，转子在原动轮驱动作用下以同步转速旋转，形成转子旋转磁场Qf，而此时定子线圈内流过频率为50Hz的交变电流，此交变电流在线圈两端产生磁动势，形成定子交变磁场Qδ。发电机正常运行时，带一定有功功率，此时转子磁场Qf属于驱动磁场，Qf超前于Qδ一个角度（即功角δ），转子磁场拖着定子交变磁场Qδ以同步转速旋转，从而形成稳定发电状态。功角δ反映出发电机所带负荷的大小。

当原动力减少时，转子旋转磁场与定子电枢磁场平衡被打破，功角δ逐步减小，发电机向电网输送的功率也减少，直至转子旋转磁场与定子电枢磁场形成新的稳定夹角，此时发电机的功角δ和输出的电功率较小。当发电机输入的功率仅能抵消空载损耗时，功角δ趋于零，发电机处于空载运行状态，不向电网输送有功功率。

当转子上的输入功率为零时，转子的阻尼绕组就成为转子的负载，使得功角δ为“负”，即转子磁场Qf变为落后于定子电枢磁场Qδ，使得Qδ拖着Qf转动，定子电枢磁场转矩变为驱动转矩，发电机运行在空载电动机状态，空载损耗由电网供给。

如果电机转轴上叠加机械负载转矩（即发电机转子带动水轮机转轮在水中旋转），转子磁场就更加落后，使功角δ的负值增大，为了达到新的功角平衡，定子电枢磁场转矩也增大，此时定子、转子电流增大，发电机将水轮机作为自身的负载运行在电动机状态，所有的能量均从系统中吸取，这就称为发电机的逆功率运行1。

贯流式机组逆功率运行的常见原因贯流式机组逆功率保护动作事件时有发生，特别是早期投运的部分机组，其逆功率保护功能不完善，机组逆功率运行时未能及时跳闸，给机组安全运行带来严重威胁。

机组逆功率运行，是在机组并网发电的情况下，导叶因某种非正常原因关闭，导致机组失去原动力，而机组出口断路器又未及时跳闸引起的有功进相运行方式。归纳起来，造成贯流式机组逆功率运行的常见原因有：

1）贯流式机组设计水头低、引用流量大、过流部件尺寸较大，且主轴为卧式布置，调速器部件所需驱动力要求较大，容易造成导水叶控制系统在运行中稳定性相对较差。同时，机组在运行过程中由于水头变化率较大，调速器为适应稳定的负荷输出和最优效率，导叶、桨叶调节都较为频繁，导致调速器系统出现故障的次数增加。由此可见，贯流式机组特有的设计、安装和水流特性，会使导叶非正常关闭的可能性增加，机组出现逆功率运行的几率相对较大，是贯流式机组逆功率运行的主要原因。

2）2003年以前，对于单机容量较小的发电机逆功率保护装置的设计，国内水轮发电机保护方面的标准并未做要求，因此装机容量较小的贯流式机组一般不设置发电机逆功率保护功能，或不投入逆功率保护。设计上的缺陷使贯流式机组在出现逆功率运行时不能瞬时跳闸，给机组安全带来一定隐患1。

发电机逆功率运行对贯流式机组的危害理论上发电机逆功率运行只是一种电动机运行方式，对发电机不会造成严重危害，然而对于贯流式水轮机组而言，则可能造成严重的水力机械损害。

立式水轮机在设计时往往已经考虑调相运行工况，在必要时，将压缩空气压入转轮室，使转轮轮叶在空气里转动，此时水轮机在发电机电磁力矩的牵引下继续旋转，不带机械负载，阻力小，运行平稳。而与立式水轮机不同，贯流式水轮机多安装在低水头、大流量电站，机组转速本身相对较低，且机组均安装在尾水面负高程，采取水平卧式安装，整个转轮室充满有压的水。贯流式机组若发生逆功率运行，旋转的叶片使水流产生很大的压力，而压力作用在导叶和水轮机的密封装置上容易导致设备损坏。同时，旋转水流在转轮室和尾水管中形成旋转脉动势能，造成水轮机产生较大震动，从而损坏水导轴承、转轮室以至受油器、发电机等机械部件。

逆功率运行的预防及处理措施1）GB 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》明确规定发电机应装设逆功率保护，DL/T 5177—2003《水力发电厂继电保护设计导则》第5.14条要求贯流式机组的逆功率保护应作用于跳闸。而早期安装的大部分贯流式机组未装设逆功率保护，或逆功率保护未作用于跳闸，只发信号，这些机组的保护装置应择期实施改造。

2）从实践经验上看，部分电厂针对贯流式机组的特点，充分利用监控系统的数据采集功能，在监控系统上增设机组逆功率运行时自动停机的判据，当收到导叶全关信号，判断机组出口断路器仍在“合位”时自动启动停机流程。这种方式对于早期投产的未设置逆功率保护功能的贯流式机组来说，操作简单，也能切实有效地防止有功功率深度进相，值得借鉴。

3）加强人员业务技能培训，运行人员应掌握贯流式机组逆功率运行的判断依据以及应急处理方式，以便在保护失效的情况下能迅速地将机组安全停机2。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学