葛洲壩電廠水輪發電機組過速保護系統改造

摘 要：隨著科學技術的發展，水電站控制系統自動化程度不斷提高，國內早期建成的水輪發電機組，其過速保護系統的自動化程度和可靠性較低。本文介紹了葛洲壩電廠原過速保護系統的工作原理及存在的安全隱患，并闡述了葛洲壩電廠過速保護系統改造后的工作原理及特點分析。

關鍵詞：過速保護系統 機械過速 設備匹配 水輪發電機組 改造

中圖分類號:TM61 文獻標識碼:A 文章編號:1674-198X(2011)10(b)-0000-00

隨著科學技術的發展，水電站控制系統自動化程度不斷提高，國內早期建成的大型水力發電廠也不斷對水輪發電機組的控制系統進行著升級改造工作。在水輪發電機組控制系統中，過速保護系統作為機組控制系統的重要組成部分，用于防止機組出現飛逸事故對機組造成的重大損害；當機組出現事故停機或者甩負荷時，如果調速器出現故障拒動或者導葉關閉速度過慢等事故，過速保護啟動，開啟事故配壓閥直接關閉導葉。國內、外水電站曾多次出現因機組過速、飛逸造成的重大事故[1]，因此提高水電機組過速保護系統的可靠性，具有重要的意義。

1 葛洲壩原過速系統的工作原理及安全隱患分析

葛洲壩電站的機組主要分為東方電機和哈爾濱電機，機組控制系統根據機型的不同存在較大差異。

1.1 東方電機廠機型

原過速系統采用雙電磁閥結構，其原理如圖1所示。當機組轉速上升至115%額定轉速，若此時調速器故障（例如：主配壓閥拒動），經過一段時間的延遲，電磁配壓閥A閥動作，使油路發生切換，主壓力油進入事故配壓閥，導葉關閉；當A閥未能及時動作，機組過速至155%額定轉速時，電磁配壓閥B閥動作，油閥開啟，備用油源進入事故配壓閥關閉導葉。

圖1 葛洲壩原有過速系統示意圖

1.2 哈爾濱電機廠機型

原過速系統采用雙電磁閥結構，其原理如圖2所示。即一級過速動作：事故電磁閥（42DP）動作，切換閥液壓驅動，油路切換，油閥的閥芯打開，壓力油注入事故配壓閥P腔；若機組轉速繼續攀升，當二級過速動作：事故電磁閥（43DP）動作，切換閥在雙向液壓驅動＋彈簧復中，油路切換，油閥的閥芯打開，壓力油注入事故配壓閥P腔，實現機組安全停機。

圖2 葛洲壩原有過速系統示意圖

1.3 安全隱患分析

葛洲壩電廠原過速系統雖然采用雙電磁閥結構在一定程度上提高了過速系統的穩定性， 但兩套系統都依賴于電氣啟動，并且兩個電磁閥的控制信號均取至永磁電機，因此原過速系統的可靠性存在著較大的安全隱患。

原系統的缺陷主要表現在以下三個方面：一、原過速系統啟動形式單一，若電站直流電源故障或者二次回路故障，兩個電磁配壓閥都將無法正常工作，事故配壓閥不能及時進行保護動作，機組轉速將持續上升直至發生飛逸事故，直接影響整個系統，甚至危及設備。二、轉速信號源單一且不穩定。轉速信號取自機組頂部的永磁電機，永磁電機通過萬向節與輪葉回復軸承連接。萬向節銷釘容易發生斷裂，使轉速繼電器失去信號源，兩個電磁配壓閥同時失去作用，使整個過速保護系統處于癱瘓狀態，如果此時調速系統發生故障或者出現甩負荷工況，機組將面臨飛逸事故。三、機組蠕動會造成鏡板和推力瓦的機械損傷，甚至可以破壞風閘，因此對機組蠕動的監測十分必要。葛洲壩電站有機端PT和永磁電機兩種測速手段，但這兩種測速手段對機組蠕動不敏感，對機組蠕動監測效果不理想。

2 葛洲壩機組過速系統改造

針對原過速系統存在的缺陷，為提高過速保護系統的可靠性，提出了以下系統改造方案：

2.1 增加純機械液壓保護裝置

由于原過速保護系統啟動方式僅限于電氣啟動，直流電源故障是影響系統可靠性的一個重要因素，因此必須冗余設計一套不依賴電氣信號控制的過速保護裝置，以消除直流電源、二次回路及電磁閥故障等因素給系統帶來的安全隱患。

過速保護系統不參與正常的機組運行調節，僅為水輪發電機組的運行提供安全保護；當機組出現特殊故障的條件下，利用過速系統進行油路切換，使機組安全關機，達到保護機組設備的目的。過速保護系統動作由純機械過速保護和電氣過速保護兩重方式來控制動作。改造后過速系統原理圖如圖3所示：

圖3 葛洲壩改造后過速系統示意圖

葛洲壩電廠過速系統改造后，原過速系統流程保持不變，（例如葛電5F機組）即一級過速動作：事故電磁閥（42DP）動作，切換閥液壓驅動，油路切換，油閥的閥芯打開，壓力油注入事故配壓閥P腔；若機組轉速繼續攀升，當二級過速動作：事故電磁閥（43DP）動作，切換閥在雙向液壓驅動＋彈簧復中，油路切換，油閥的閥芯打開，壓力油注入事故配壓閥P腔；若機組轉速仍然升高，轉速達到機械過速設定值時，離心探測器觸動機械脫扣器動作，機械過速行程閥切換，控制機械過速切換閥動作，將過速系統中的事故電磁閥和切換閥進行油路切除，并且同時將油閥控制腔直接通向回油，使油閥的閥芯打開，壓力油注入事故配壓閥P腔，最終保證實現機組安全停機。

2.2 取消永磁機設備

原永磁機機構復雜，其回復軸承、萬向節及永磁機內上、下端軸承因為受力不均勻，經常發生故障，導致機組停機，因此取消永磁機完全消除了這些安全隱患；齒盤測速裝置由測速齒盤、測速探頭、轉速繼電器等部分組成。測速齒盤與主軸同步旋轉時，在測速探頭上感應出頻率與主軸轉速成正比的電氣脈沖信號，可編程控制器通過檢測脈沖信號的周期，計算得出水輪機機組轉速。該測速裝置有兩個測速探頭，可以實現雙探頭、單探頭兩種測量方式，加上機端PT測量，系統一共三種測量方式互為冗余，大大提高了系統的可靠性。

2.3 增設蠕動檢測裝置

蠕動檢測與齒盤測速原理相似，方形齒盤隨主軸轉動時被蠕動檢測探頭感知，探頭信號經濾波整形后送可編程控制器。為提高檢測精度，在蠕動齒盤一個齒距內的不同角度均勻布置4個探頭，蠕動齒盤只要轉動距離達“齒距/4”， 蠕動檢測裝置就能夠檢測到主軸蠕動，發出機組蠕動報警信號。

3 改造中出現的問題及解決方案

3.1 切換閥卡阻現象

過速系統中增設的切換閥采用滑閥結構，外形如圖4；葛洲壩電廠調速系統中油過濾裝置極少，其系統油液含有較多顆粒污染物質，因此在試驗初期，切換閥出現卡阻現象。綜合考慮到純機械過速系統作為最后一級過速限制保護系統，其主要設備應具備較高的動作可靠性，因此，在實施過程中適當增大切換閥的驅動壓力，增大閥芯受壓面積，提高切換閥的動作可靠性。

3.2 切換閥上增設鎖定裝置

葛洲壩電廠調速系統檢修過程中，有時需要保持事故配壓閥的當前復歸位置狀態，而且需要將機械過速系統的主供油源進行切除。在此檢修狀態下，為防止事故配壓閥誤動作，切換閥的閥芯需要保持固定位置狀態；為實現此功能，在改造實施工程中，切換閥的端部增設鎖定裝置，將閥芯閉鎖在固定位置。

4 真機試驗

為了確保純機械過速系統可靠性，對改造完成后的機組進行了真機過速試驗。試驗證明：純機械過速保護動作準確可靠，對原有電氣過速保護不產生任何影響；齒盤測速裝置穩定可靠，試驗模擬了測速探頭故障等特殊情況，證明該系統有較強的容錯能力；蠕動檢測裝置可以成功的監測到機組微小的蠕動。

5 結語

此次葛洲壩過速系統改造在保留原系統動作流程的前提下，取得了以下成果：（1）通過局部管道的改動，增加了純機械液壓保護功能，實現了電氣保護和機械保護的冗余控制方式，提高了過速保護系統的可靠性。（2）以齒盤測速取代永磁機作為轉速信號源，在提高信號穩定性的同時，也消除了永磁機的各種不安全因素，顯著減少了系統維護量和機組非計劃停機的次數。（3）以測速齒盤為基礎，增設了蠕動監測裝置，加強了對機組蠕動的監測。

參考文獻

[1] 史俊華，肖冬梅.水電廠機組過速保護改造技術[J].江西電力職業技術學院學報，2008(9).