魯地拉水電站機組水機主保護方案探討

云南電力技術有限責任公司 云南昆明 650217

摘要：目前，水電站經常發生由于“水機保護”誤動而造成機組“非計劃停運”故障，為了避免此類故障經常或再次發生，針對大理州賓川金沙江中游河段上新投產魯地拉水電廠原設計機組的主保護項目進行優化分析，綜合考慮邏輯組態設計因素、自動化元件可靠性、控制回路合理性、動作結果破壞性等因素，經過不斷論證分析和探討，形成了既能滿足機組安全運行需求又能使電廠獲得較好經濟收益的水機主保護項目實施方案，旨在為當前同類型機組的安全運行提供借鑒作用。

關鍵詞：水機保護；邏輯設計；軟壓板；RTD；LCU

引言

我國水力發電裝機容量已經突破2億千瓦，水電站建設正向高水頭、大容量趨勢發展，機組安全穩定運行顯得尤為重要，目前大多數水輪機保護都設在計算機監控系統里，由于設計保護信號取點和回路設計不合理，就地元器件不可靠，以及建設調試質量問題，導致現在部分水電站水機保護經常誤動作，嚴重影響了機組的安全穩定運行和電廠經濟的效益。

水機保護是當機組在啟停和運行中發生危及設備和人身安全故障時，自動采取保護或聯鎖措施，防止事故產生和避免事故擴大，從而保證人和設備的安全不受損害或將損害降到最低限度。

1 工程概況

魯地拉水電站屬一等大（1）型工程，位于云南省大理州賓川與麗江地區永勝縣交界的金沙江中游河段上。電站采用500kV一級電壓接入云南電網，出線3回；發電機與廠用高壓變組合方式采用聯合單元接線，發電機出口設有斷路器；500kV升高電壓側采用3/2斷路器接線。電站以發電為主，總裝機容量2160MW，裝設6臺單機容量360MW的混流式水輪發電機組，電站保證出力為946.5MW，多年平均發電量為99.57億kW·h，年利用小時數4610h，水庫為日調節水庫。

魯地拉電站監控系統為國電南自SD-8000監控系統，采用分層分布式結構，分別設置了電廠控制級和現地控制級。現地控制級配置控制器為冗余配置，且有水利機械事故保護系統，在機組實際運行中，若現地控制單元全部故障或全部失電的情況下，該獨立水機保護系統能夠獨立的執行完整的事故停機流程。機組進水口快速閘門設置有單獨的遠程控制單元，能獨立的對機組進水口快速閘門進行控制。

2 機組水機保護項目

魯地拉水電站裝設的是混流式水輪發電機組，水機主保護項目經我方組織設計、生產、施工等各參建方召開討論會，對機組主保護項目及非正常停機流程進行逐條梳理，確定各保護項目的條件判據，修改完善邏輯組態中的不足之處，優化邏輯結構，目前機組水機主保護項目包括：機械事故停機項目共11項，緊急停機保護項目共10項，電氣事故停機共4項主保護邏輯合理、功能完善，滿足邏輯討論會要求。具體各項保護原理、動作條件及邏輯判據如下：

2.1 水力機械事故停機項目

1.推力外循環出口冷卻油流量低，且推力油槽油溫過高（定值60℃），延時30s（設保護軟壓板）；備注：“推力外循環出口冷卻油流量正常”信號有兩個，邏輯取“與非”門，與推力油槽油溫過高信號做“與門”判斷。

2.水導外循環冷卻油流量低，且水導油槽油溫過高（定值60℃），延時30s；（設保護軟壓板）備注：水導外循環冷卻油流量低，信號來源：“水導外循環出口冷卻油流量正常”信號邏輯取反；水導油槽油溫過高（定值60℃）測點取自顯控儀表。

3.主軸密封水流量低，加延時10s（設保護軟壓板）；備注：主軸密封水流量低，加延時10s動作，同時加保護動作提前條件：機組轉速≥95%或空轉或空載或發電態。主軸密封主要是機組運行時阻擋尾水管中的水從主軸與頂蓋之間的間隙上溢，防止水輪機導軸承及頂蓋被淹，而密封水斷流會直接影響主軸密封正常運行。

4.機組軸瓦溫度過高（RTD），延時5s（設保護軟壓板）；此項保護由獨立的機組測溫LCU系統實現，具體機組監控測溫屏邏輯判斷條件為：上導瓦溫共14個點，若滿足任意連續三塊瓦溫（RTD）同時高于定值（75℃）跳閘；推力瓦溫共18個點，若滿足任意連續三塊瓦溫（RTD）同時高于定值（60℃）跳閘；下導瓦溫共12個點，若滿足任意連續三塊瓦溫（RTD）同時高于定值（75℃）跳閘；水導瓦溫共20個點，若滿足任意連續三塊瓦溫（RTD）同時高于定值（75℃）跳閘，以上各點溫升變化均有速率限制。

5.機組軸瓦溫度過高（顯控儀表），設保護軟壓板，有后備水機保護配置；備注：上導、下導、推力、水導瓦溫測點送至顯控儀表各有兩點，各位置兩點測值均大于保護定值（兩點高高限串聯）時動作，具體定值同上，各個位置之間取或門，真正實現瓦溫保護穩定、可靠。

6.機組火警（設保護軟壓板），基于機組消防安全考慮設置此項保護。

7.機組振動、擺度過大停機（設保護軟壓板）。水輪機長期振動會導致機組連接部件松動和疲勞甚至造成斷裂，因此配置此項保護，目前本廠配置一套完全獨立于振擺在線監測系統振動保護裝置，實現機組振動大時的停機保護功能。

8.事故停機按鈕動作，不設壓板，常投。

9.調速器緊急停機動作（設保護軟壓板），調速器緊停閥異常動作后應啟動停機流程。

10.后備水機保護回路動作（硬回路總出口），常投。本項考慮所有類型的后備水機保護（繼電器硬接線）跳閘動作后，觸發一個信號送監控LCU，再次實現邏輯跳閘，起到后備保護作用，另外此信號動作后送入監控系統，用于機組啟動停機流程和提示運行人員后備保護動作，便于事故分析、查詢，機組啟動前必須復歸。

11.上位機操作機械事故停機（操作員執行）。畫面手動機械事故停機，通過操作員站一定的權限下，在監控畫面上實現啟停機操作。

2.2 電氣事故停機保護項目

1.發電機電氣事故1動作，設保護軟壓板。發電機發生故障時，即發電機發生縱聯差動、橫聯差動、單相接地、過負荷、低勵、失磁等故障時由發電機保護A/B屏發出跳閘信號給監控系統聯跳水輪機，目前本廠設計有雙回路，一路是跳閘信號進監控系統由LCU邏輯實現跳閘，另一路是由繼電器硬接線實現跳閘。

2.發電機電氣事故2動作，設保護軟壓板。保護裝置為冗余配置，保護配置原則同上。

3.勵磁系統事故停機，設保護軟壓板。此項目原設計由滅磁開關柜過電壓保護器動作后開出至LCU柜停機，經向勵磁廠家交流目前NES5100勵磁系統過電壓保護器已做了改進升級，不存在誤動風險，最終保留本保護項目。

4.上位機操作電氣事故停機（操作員執行）。畫面手動電氣事故停機，通過操作員站一定的權限下，在監控畫面上啟動電氣事故停機操作。

2.3 緊急事故停機保護項目

1.“機組轉速≥115%”+“主配拒動”+“導葉空載開度以上”，延時2s（設保護軟壓板）。調速系統設計要求水輪機事故或甩負荷時，機組轉速飛升，如果此時調速器故障主配拒動，無法調節導葉，會引起機組過速，所以設置此項保護，本廠還設有水機回路后備保護功能，保護直接動作事故配壓閥和緊急停機閥，切斷壓力油，使導葉關閉。

2.機械過速圖拉伯155%，設保護軟壓板。機械過速保護是水機的最后一級保護，當機組事故時由于不能及時關閉導葉或者筒閥等原因，引起機組超過設計的轉速，在電超速不動作情況下的一種后備保護，過機械裝置飛錘在離心率作用下動作，直接切斷油路達到緊急停的目的，本項保護回路簡單不存在誤動的可能，在水電廠投產時均要進行機械過速試驗驗證。

3.緊急停機按鈕（監控LCU柜），設保護軟壓板與后備保護硬壓板對應。大部份電廠緊急停機按鈕都是在現地LCU實現，設置目的是在監控系統異常或其它緊急情況時可以及時到現地LCU操作緊急停機。

4.事故停機過程中且剪斷銷剪斷，設保護軟壓板。事故停機時由于各種原因，如水中有硬物導致導葉卡死不會動，導葉受力到一定程度時，裝在導葉和接力器之間的剪斷銷剪斷發信引發緊急停機，保證機組安全。

5.機組電氣過速150%，設保護軟壓板。此項保護由電氣超速測量裝置實現，主要完成機組事故情況下過速保護，一般配置齒盤和殘壓測速，停機保護一般取齒盤測速信號判斷出口跳閘，本廠設計送至LCU柜的過速信號有兩路，此兩路電氣過速出口信號取“或門”判斷，同時超速保護裝置