3　水泵水轮机“S”特性

3.1　“S”特性简介

与水泵水轮机水泵驼峰区不稳定问题类似，水泵水轮机“S”特性也属于暂态稳定性问题。其原因也比较简单，是因为该问题同样发生在工况调整的过程中。之所以习惯被当做稳态不稳定问题，可能是因为模型“S”特性曲线是在稳态条件下一个工况接一个工况逐点完成的（图5和图6[7]），每个工况点都是稳定后测试的，而不是像甩负荷那样工况在连续、不间断地变化。

水轮机空载工况处于水轮机工况和水轮机制动工况的分界线上。在深入水轮机制动区的过程中，由于水流对转轮的阻挡作用，流量急剧减小，转速由缓慢增加逐渐转变为略有下降；如果流量继续减小，在离心力的作用下流量将出现负值，变成水轮机旋转方向抽水，进入反水泵区，转速也相应增加；在整个过程中，导叶等开度线不可避免地形成“S”形，即所谓的水轮机“S”特性区。若水轮机空载运行的飞逸曲线（水力矩T=0）位于“S”特性曲线的上弯曲部位，则该区域的稳定性即为空载稳定型。图5为典型的稳定型水轮机空载特性曲线，而图6则是典型的不稳定型空载曲线。

“S”特性区在水泵水轮机中普遍存在，即使小导叶开度没有出现，大导叶开度也难以避免。但是，这并不是说一定会出现空载不稳定，关键看其发生部位及和电站运行条件（主要是水头H）的关系。也就是说，只有当“S”形曲线的正斜率段（dQ11/dn11＞0，如图6所示）位于飞逸曲线附近，且曲线段位于电站运行水头H所对应的单位转速n11范围内，才可能出现大幅度转速波动（最大可能达到额定转速的10%左右），造成并网困难或不能并网。

3.2　“S”特性不稳定原因分析

关于水泵水轮机“S”特性区运行不稳定的原因，目前比较普遍的说法是：当“S”形曲线的正斜率段（dQ11/dn11＞0）位于飞逸曲线附近，且曲线段位于电站运行水头H所对应的单位转速n11范围内，在导叶逐渐打开至空载开度时，将可能出现一个n11对应的2～3个单位流量Q11，在一定的外界压力波动的诱发下，机组转速会随着流量的快速变化而上下摆动。

我们认为，该说法需要商榷，没有解释清楚转速大幅度波动的直接诱因。首先，无论流量如何波动，都不可能进入“S”形曲线的正斜率段上方的大流量区；其次，在常规的发电开机过程中，多数在正斜率段波动，只有个别的会进入流量Q等于负值的反水泵区。但即使进入反水泵工况，那也是转速波动的结果，而不是转速波动的原因。

我们的见解是：在导叶进出口等区域内存在较大尺寸的脱流旋涡，极可能在dQ11/dn11＞0区域因涡心压力低而空化，形成空腔；当n11增加时，脱流旋涡增大，涡心压力降低，空化增强，空腔膨胀，因阻塞流道而导致Q11减小；受正斜率曲线影响，随Q11减小n11也相应减小，造成脱流旋涡减小，涡心压力增高，空化减弱，空腔收缩，流道变通畅，Q11掉头增大；与前相似，n11随Q11增大而增大。如此循环往复，便造成了转速的大幅度波动。

换句话说，当水泵水轮机发电开机时，如遇到图6所示正斜率曲线，其真实的“工况点”并非在正斜率段上的某个点，而是围绕某个点沿该线段上下振荡的一“工况范围”；该“工况范围”越宽，转速波动越大，越难以带负荷。当波动范围足够宽时，有可能俯冲到“S”曲线的下方拐点（可能对应空化空腔溃灭）而进入反水泵工况，导致更大不稳定。也可能是甩负荷关机时存在向小流量、低转速的冲击趋势，更容易进入反水泵运行区。

当然，参加过水泵水轮机模型四象限试验的专家可能会问，在进行该“S”特性正斜率段试验时并未发现很大的转速波动，质疑建立在空腔膨胀-收缩影响假设条件下的“正斜率线段内工况往复振荡”假说。其实，大家可能忽略了该类型模型试验和真机启动过程的巨大不相似，即无论是模型飞逸转速试验还是水轮机制动工况试验，模型机组的发电机都是带励磁的，这和真机启动和甩负荷时发电机没有励磁大不相同。真机条件下，唯一能限制转速波动范围的因素是机组的转动惯量；而对于模型机而言，其不仅发电机带励磁，机组转动惯量相对值也大于真机，更不用说模型试验控制系统对转速波动的抑制功能及计算机采集系统对转速、流量的平均计算，这些都造成模型试验时难以见到大幅值转速、流量波动。

此外，由于空化空腔的存在，给流量快速、大幅度变化提供了发展空间，给水体带来了弹性，从而进一步加大了压力振荡，也在一定程度上加剧了转速波动。