向家壩水電站水機保護的分析

陳申偉，李濤，趙高利

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩水電站作為“西電東送”的骨干電源，共裝設8臺單機容量為800 MW的巨型水輪發電機組，單機容量世界之首，其重要地位不言而喻。巨型水輪發電機組的安全穩定運行不僅直接影響到電網的安全，也影響到電站的社會和經濟效益。

向家壩水電站采用立軸混流式水輪機，半傘式發電機，額定水頭為100 m，共有3部軸承，分別是上導軸承、推力下導聯合軸承以及水導軸承。顯然，僅有電氣保護裝置并不能滿足機組安全運行的要求。如果機組關鍵機械部件如三部軸承以及調速器等機組輔助設備發生重大故障，同樣需要可靠的保護裝置實現自動停機，保證機組安全并避免事故擴大，這正是水機保護的范疇，也是本文探討的主題。

1 簡介

傳統的水機保護，依靠常規繼電器實現簡單的邏輯控制，如軸瓦溫度高、軸承油位低、調速器液壓系統油壓低等。但常規回路對于較為復雜的邏輯計算則顯得力不從心。隨著自動化技術的發展，PLC為實現更為完善和可靠的水機保護提供了可能。向家壩水電站正是以監控系統LCU的PLC作為水機保護的主保護，常規回路作為后備保護。

向家壩水電站計算機監控系統LCU由Schneider公司Quantum系列PLC及相應的數據采集模塊、模件及通訊模塊構成。每臺發電機組配置1套LCU。

LCU控制程序中采用了2個程序段（MARK0與MARK2）進行水機保護相關量的邏輯運算，作為水機的主保護。

另外，在LCU盤柜中配置了簡單的常規回路，獨立于PLC，作為水機的后備保護。

2 LCU程序分析

利用PLC語言FBD（功能塊圖）進行編程，對水機提供全面且可靠的保護，并且采用同一設備的模擬量與開關量進行邏輯運算，可以最大程度的防止誤動。

2.1 保護范圍

PLC編程較為靈活，保護范圍可以覆蓋所有的關鍵部件。按照故障的嚴重程度劃分為MARK0一類機械事故、MARK2二類機械事故。MARK0與MARK2的區別主要在于動作后果：MARK2是代表一般的機械事故，只需關閉導葉，停機即可；而MARK0是代表較為嚴重的機械事故，除關導葉停機外，還需緊急關閉進水口閘門。

在PLC中采用MARK來定義事故類型不僅能方便設計不同事故情況下保護動作過程而且能幫助運行人員迅速判斷故障性質并采取相應措施。

2.1.1 MARK0

MARK0的保護范圍有：導葉剪斷銷故障相與轉速大于105%Ne（額定轉速，下同）；機械過速裝置動作或者轉速大于150%Ne；進水口閘門下滑至事故位相與閘門開度小于90%全開開度。

發生上述三種故障時，表明機組導葉可能失控或僅僅關閉導葉并不能控制事故，因此還需借助關閉進水口閘門實現機組停機。

2.1.2 MARK2

MARK2按照保護范圍劃分為：MARK2.1水輪機機械事故、MARK2.2發電機機械事故。

水輪機機械事故包括：水導上油箱油位過低、水導外循環油泵雙泵全停、水導瓦溫過高、調速器液壓系統油罐油位過低、調速器液壓系統油壓過低、調速器控制柜交直流失電、調速器電氣柜停機報警、轉速大于115%Ne且主配拒動、轉速大于148%Ne。

發電機機械事故包括：上導油位過低、上導瓦溫過高、推導油位過低、推力瓦溫過高、下導瓦溫過高、定子繞組溫度過高、定子鐵芯溫度過高、定子鐵芯上齒壓板溫度過高、定子鐵芯下齒壓板溫度過高以及發變組電氣保護裝置失電或閉鎖。

2.2 防誤動措施及動作后果

PLC中采取了一些必要的防誤動措施。如調速器液壓系統油位過低采用開關量模擬量相與的方式（見圖1），可有效避免單一信號的不可信導致誤停機。

圖1 調速器液壓系統油位過低判斷邏輯

MARK0與MARK2動作后，觸發PLC中的快速停機流程，由PLC自動完成停機。快速停機流程采用SFC（順序功能塊）編程，快速停機直接動作緊急停機電磁閥，快速關閉導葉，保證安全的同時實現快速停機，確保機組安全。

MARK0除觸發快速停機流程外，還同時緊急關閉進水口閘門。

為了確保機組事故時能夠可靠快速停機，并且減輕對機組的損傷，快速停機流程做了如下措施：1）水機事故無需立即切除電氣回路。先快速關回導葉，待導葉關回至空載位置時，方才解列，避免直接解列造成過速從而加重機械部件的損傷。2）優先動作緊急停機電磁閥關導葉，失效時動作事故配壓閥，進水口快速門作為最后一道保險。3）優先采用逆變滅磁，延時10 s未能滅磁跳開直流滅磁開關，利用滅磁電阻消能。

3 水機后備保護

常規的水機保護回路布置在LCU盤柜中，但信號與出口回路完全獨立于PLC，在PLC故障時仍然可以發揮作用。

3.1 保護范圍

常規水機保護回路較為簡單，保護范圍主要有三部軸承的軸瓦溫度保護以及過速保護。

3.1.1 軸瓦溫度保護

向家壩水電站水輪發電機組分別有10塊上導瓦、24塊推力瓦、16塊下導瓦以及12塊水導瓦。發電機儀表柜上裝設了4塊上導瓦溫表、4塊推力瓦溫表、4塊下導瓦溫表，水輪機儀表柜上裝設了4塊水導瓦溫表。瓦溫表的PT電阻與監控系統的瓦溫測點相互獨立。以水導瓦溫為例，12塊水導瓦分別布置一組測溫PT送至LCU RTD模塊，另外再均勻選取4塊水導瓦布置獨立的共4組PT電阻，分別送至水輪機儀表柜上的4塊瓦溫表。每塊瓦溫表除了能夠在現地顯示瓦溫外，還能夠送出2個開關量，一個溫度高信號送至LCU DI模塊，一個溫度過高信號則成為了水機后備瓦溫保護的輸入。由于每種軸瓦均有4塊瓦溫表，因此也就具有4個溫度過高的輔助接點。每種軸瓦的溫度儀表送出的4個溫度過高的輔助接點在儀表柜進行邏輯組合之后送至LCU盤柜中的常規水機保護回路。如圖2所示：

圖2 軸瓦溫度保護邏輯電路

3.1.2 過速保護

常規水機保護回路中還設置了過速保護，由機械過速裝置以及轉速裝置的150%Ne開關量觸發。

3.2 防誤動措施及動作后果

為了提高常規水機保護回路動作的準確性，同樣設置了一些必要的閉鎖條件。考慮到機組并網運行時，不會出現機械過速以及150%Ne的嚴重過速情況，因此在過速保護回路中串入發電機的出口開關或者發變組的出口開關分閘接點作為閉鎖條件。

常規的水機保護動作后，其出口也是獨立于LCU，由水機保護常規繼電器開出。其后果包括動作緊急停機電磁閥、跳發電機出口開關、停勵磁、投高壓油，過速保護動作時除上述后果外，還會動作事故配壓閥、緊急關閉進水口閘門。而且跳發電機出口開關分別由2個單獨的繼電器開出，保證動作的可靠性。

常規回路較為簡單，與PLC中的快速停機流程相比，不能進行機組輔助設備的順序控制，只進行簡單的關導葉停機，并不控制機組油霧吸收、粉塵吸收等輔助設備。因此，水機保護動作的輔助接點也進入LCU的DI模塊，在PLC正常的情況下可以觸發MARK2并啟動快速停機流程，保證停機的可靠。

4 故障的分析處理

機組發生故障時，監控系統會產生相應的報警信號。運行人員可利用報警信號及畫面了解設備狀態，快速正確的進行事故處理。下面列舉幾種典型的事故處理。

4.1 水機后備保護誤動作

2008年8月2 日國內某巨型水電站22F正常運行過程中，監控系統突報“上導瓦溫過高”、“水機保護動作”、“MARK2 動作”、“快速停機流程動作”，22F事故停機。

現場檢查后發現為上導瓦溫表溫度量過高接點誤動作，導致水機后備保護動作停機。運行人員可通過以下方式快速正確進行判斷處理：1）水機后備保護瓦溫過高正確動作時，監控系統畫面必然有瓦溫模擬量越限報警，瓦溫停機計數器大于1。2）水機后備保護瓦溫過高正確動作時，監控系統必然會接收到該瓦溫表溫度高的報警。3）基于上述2點，可判斷此次故障為水機后備保護誤動作，隔離該瓦溫表之后即可開機。

4.2 傳感器故障

機組正常運行過程中，某些傳感器故障需要緊急處理，為了防止處理過程中引起水機保護誤動，此時應采取必要措施。

國內某巨型水電站21F正常運行時“剪斷銷剪斷”報警，而剪斷銷剪斷相與過速105%Ne會觸發MARK0，啟動快速停機流程并落快速門。此時運行人員可作出如下判斷處理：1）退出該臺機組AGC。2）通過監控系統畫面查看頂蓋、水導等各部位振動擺度是否正常。3）機組正常運行時發生剪斷銷剪斷的概率非常小，此時應派值班人員現場檢查是否確實剪斷，并通知自動分部檢查相關回路。4）自動分部檢查后發現為信號器接點誤動，需緊急處理。此時運行人員可退出監控系統MARK0軟連片或通知自動分部強制該點，防止誤動。待處理完畢后恢復正常方式。

在LCU中的水機保護程序中針對每一類型的設備均設置了軟連片，可以在相應設備檢修時靈活的投退。常規水機保護回路中也設置了相應的硬連片。

4.3 過速保護動作

2008年3月9 日國內某巨型水電站22F在自動開機過程中，監控系統報“轉速＞115%動作”、“二類機械事故停機”、“快速停機流程啟動”、“緊急停機電磁閥動作”、“轉速＞148%動作”、“一類機械事故停機”、“轉速＞150%動作”、“水機保護動作”、“機械過速動作”、“進水口閘門快速閉門動作”、“事故配壓閥動作”。

運行人員可通過對相關事件、報警信號分析，進行事故處理如下：1）檢查機組是否停機正常，導葉是否全關，鎖定是否投入，快速門是否全關。2）通過監控系統保護信息畫面迅速查明觸發停機的原因。3）分析報警信息：轉速大于115%、大于148%、大于150%同時動作，并且機械過速動作，可判定轉速信號可信，機組的確過速。4）聯系維護人員檢查處理。

事后通過趨勢分析發現開機過程中22F導葉在21 s內從全關開至99.8%，最大轉速達163%。做好隔離措施后，維護人員檢查發現主配壓閥發卡導致過速。

事故停機后，維護人員處理完畢如需開機，此時應注意：1）機械過速動作，應聯系維護人員將該裝置復歸。2）緊急停機電磁閥或事故配壓閥動作，應在監控系統水輪機畫面進行事故復歸。3）水機保護動作，應在LCU本地柜上通過“復歸”按鈕進行復歸。4）MARK動作，應在保護信息畫面進行事故復歸。再次檢查保護信息畫面無報警信息后，方可開機。

5 結語

本文對PLC程序和常規水機保護回路進行了分析，主要對保護范圍、動作后果及注意事項進行了總結，可為水機保護的設計及事故處理提供一定的參考。

[1]楊 云,潘苗苗,洪 浩,等.三峽電廠監控LCU程序設計中信號處理技術研究[J].水電站機電技術，2007(6).

[2]楊 云,程 建,洪 浩,等.三峽電廠右岸監控系統中的智能協調[J].水電站機電技術，2009(3).