發電機水機保護的改進應用

李益明

摘 要：水電站緊急停機保護通常也稱作水機保護回路，是水電站安全運行的一道保護屏障。探討了利用PLC來完成水機保護自動化功能，從設計方案、設計原則等方面進行描述，表明基于PLC的水機保護系統的優勢和特點。

關鍵詞：水機保護；可編程控制器PLC；水電站

1 引言

目前，水輪發電機組水力機械保護傾向選用獨立于機組 LCU電源、回路、CPU的PLC控制系統，這樣可保證出口單位緊急動作，并根據故障類別將信息傳輸到單元LCU啟動相應的停機程序，設計的靈活性讓系統運行的穩定性大大提高。此系統的應用，相對于傳統的電路而言，可把水電廠行業安全推廣了一個較高的水平，對水資源保護的科學性和可靠性大大提高。但以前對于機組的水機保護的重視不夠，相關的研究較少。而這種類型的機組在一些地區應用較多，有必要進行研究。本文對于發電機保護水機的應用進行了討論。

2 基于PLC的水機保護系統的優越性

基于PLC的水機保護系統比傳統的斷電器形態下的水機保護系統具有許多優點，一是保護制水機采用了一套獨立的工業級PLC，集成的DI、DO、AI、RTD模塊，信號處理不受限制，可靠性高，具體良好的整合性；二是通過PLC編程，可以實現各種保護控制邏輯，形成各種報警、關機邏輯，調試、運行和維護的工作量大大減少，功能擴展靈活方便；三是可直接存取單元的模擬量和RTD的量，并且可方便地實現模擬量、RTD量的各種組合判斷方案，判斷功能包括斷線、梯度變化測量等；四是水機保護動作過程中可以自動記錄，并能確定時間，方便事故分析。

2.1 保護范圍

PLC編程更靈活，保障范圍可以涵蓋所有關鍵部件。根據故障的嚴重程度分為MARK0一類機械事故，MARK2二類機械事故。之間的差異在于MARK0和MARK2是主要的行動的后果：MARK2一般代表的機械事故，導葉關閉，停機即可；MARK0表示嚴重的機械事故，除了關閉導葉外，還需要緊急關閉進水口閘門。在PLC中使用MARK來定義的各類安全事故，不僅可以方便設計不同的緊急行動、保護的過程中，還可以幫助運營商快速確定故障的性質和采取相應的措施。

⑴MARK0。保護范圍：MARK0轉速大于115%Ne（額定轉速，下同）且調速器故障、緊急停機時剪斷銷故障、機械過速保護裝置動作、轉速大于150%Ne、事故低油壓、進水口閘門下滑至事故位等。上述幾種故障的發生，表明渦輪導向葉片可能會失控，或者干脆關閉導葉，并無法控制事故，因此還需要關閉入口閘門實施機組停機。

⑵MARK2。MARK2機械分為水輪機機械事故和發電機機械事故。如：轉速大于115%Ne、冷卻水中斷、溫度保護等以及變壓器電氣保護裝置的電源故障或閉鎖。

2.2 防誤動措施及動作后果

PLC采取一些必要的措施，以防止誤操作。如調速液壓系統油位過低采用開關模擬量相結合的模式，可以有效地避免單一的信號不能被信任造成誤關機。

MARK0和MARK2行動，快速關斷過程中，由PLC自動停機。快速關機過程中使用SFC（順序功能塊）編程，快速停止緊急停機電磁閥，快速關閉導葉的直接行動，可確保安全快速關機。 MARK0快速關機的過程中，緊急關閉入口閘門。為了確保該單位事故可以可靠地快速停止和減少損害的單位，快速關機過程中提出了以下措施：一是水機事故沒有立即切除電路。要迅速關閉導葉，導葉回到怠速位置，避免造成過速從而提高機械部位的損傷；二是先行動緊急停機電磁閥關閉導葉，故障動作分配閥，進水口快速門作為最后一道保險故；三是優先采用變頻，延時5s未能滅磁跳開直流滅磁開關，利用滅磁電阻消能。

3 基于PLC的水機保護系統的設計

保護水機系統的PLC相對于水機保護系統的傳統的繼電器形式的基礎上，在進行結構設計時要結合自身的特點，以下是設計的注意事項：一是基于PLC系統的水機保護應采用一套獨立的PLC完成，由于信號采集量不大，PLC可用于小型產品。二是基于PLC的水機保護系統，可獨立設置屏幕，可以還可以設置屏幕監控系統的控制面板。在任何情況下，面板、電源電路設計，采用開放的回路電纜設備，不與計算機監控系統的回路并接。三是基于PLC的水電站計算機監控系統的信號源保護系統對單位分開，有些信號確實不能分開需要安裝中間繼電器進行擴展。四是為了避免相互干擾，PLC保護系統和水電站計算機監控系統之間的不進行數據通信。IO通過的DI/DO的方式交換。五是在條件允許的情況下，也可是一個PLC汽輪機保護系統配置的小觸摸屏，易于設置參數和查看運行，故障狀態。六是簡化PLC水機保護系統的數據采集量。由于PLC的水機保護系統主要用于發電機保護，不僅關系到信號的采集和水機的保護與正常運行，控制信號和指令不進入PLC水機的保護系統中去。七是PLC監控系統及保護系統水機和主計算機的保護動作命令發出平行的，相互獨立的。同時動作到機組事故配壓閥、調速器急停閥等自動化設備上。

4 現場實施與調試

目前，已經實現多個水電站基于PLC 的水機保護系統，投入運行，其可靠性、靈活性、運行維護方便性均得到現場運行維護人員的肯定。

雖然根據基于PLC的水保護電路的設計原則，但在實施和調試過程中，會遇到一些問題，下面是經常會遇到的情況的總結。一是確認信號源分離的問題。很多設備信號源是唯一的，兩套系統不能分開使用；二是PLC水機保護系統與電站主計算機監控系統之間的數據交換問題。PLC監控系統的保護系統只上傳數據，不接收計算機監控系統數據。三是水機保護過程中的流程與監控系統流程配合問題。可采用PLC水機保護系統與電站主計算機監控系統相同的停機流程，同時作用到對象設備上。目前，在多個水電站水機保護系統中投入運行，其可靠性、靈活性較好，便捷的操作對于系統的維護和操作非常有利。

5 結語

本文對PLC程序和傳統的水機的保護電路進行了分析，主要對保護范圍、注意事項進行了總結分析，為水機保護的事故處理和維修提供了一定的參考。

[參考文獻]

[1]王定一.水電廠計算機監視與控制[M].中國電力出版社，2001.

[2]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）.