水輪機調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)設(shè)計探析

肖 瑞，石昀東

（白市水電廠，貴州 天柱 556605）

0 引 言

作為水電機組關(guān)鍵自動化設(shè)備之一，水輪機調(diào)速系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)機組負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機的流量，使水輪機出力與外界負(fù)荷相適用，讓機組轉(zhuǎn)速保持在額定值，從而保持頻率不變或允許范圍內(nèi)變動。因此，水輪機調(diào)速系統(tǒng)對機組安全、可靠運行具有舉足輕重作用，并直接影響電網(wǎng)供電質(zhì)量及可靠性。其一旦失電，機組即處于不可控狀態(tài)，鑒于此，本文對水輪機調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)設(shè)計進(jìn)行探討。

1 調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)需求分析

對于水輪機調(diào)速系統(tǒng)，我國水電行業(yè)提出：對于有人值班的電站，當(dāng)調(diào)速器工作電源完全消失時，在并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，接力器行程應(yīng)當(dāng)保持當(dāng)前位置不變，在離網(wǎng)狀態(tài)，應(yīng)實行關(guān)機保護(hù)；對于無人值班電站，水輪機調(diào)節(jié)裝置可采取關(guān)機保護(hù)的原則[1]。調(diào)查三峽電站、溪洛渡電站、金安橋電站、小灣電站等4個在國內(nèi)水電行業(yè)具有一定代表性的電站[2]，發(fā)現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)實行失電關(guān)機保護(hù)策略確已實際應(yīng)用。

2 調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)常規(guī)方案及其存在問題

根據(jù)行業(yè)規(guī)范，水電站調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)配置交直流電源各一路（電控柜內(nèi)照明燈等附屬元件電源獨立于此兩路電源）作為工作電源[3]，本文所述“調(diào)速系統(tǒng)失電”指交直流工作電源均消失。調(diào)速系統(tǒng)失電本質(zhì)上屬于電氣事故，非水力機械事故，所以本文考慮在監(jiān)控系統(tǒng)機組電氣事故停機流程中配置調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)。通常，采用電源監(jiān)視繼電器作為調(diào)速器失電信號源，調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)邏輯可設(shè)為：機組非停機態(tài)下調(diào)速器交直流工作電源同時消失并保持2 s則機組電氣事故停機保護(hù)動作。發(fā)生電氣事故時，盡快切除事故、保護(hù)電氣設(shè)備是主要問題，防止機組過速為次要問題[4]。

顯然，調(diào)速系統(tǒng)失電時只能通過動作緊急停機電磁閥（以下簡稱“緊停電磁閥”）關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)。目前，多數(shù)水電站機組在事故及緊急停機時是讓緊停電磁閥得電動作的；但也有水電機組的緊停電磁閥被設(shè)計成常帶電的，事故時緊停電磁閥失電動作。從機組安全性考慮，設(shè)置可靠電源單獨供緊停電磁閥等機組保護(hù)、控制用電磁閥線圈回路使用。

電力生產(chǎn)“二十五項反措”中關(guān)于防止機組飛逸方面有如下要求：大中型水電站應(yīng)采用“失電動作”規(guī)則，在水輪發(fā)電機組的保護(hù)和控制回路電壓消失時，使相關(guān)保護(hù)和控制裝置能夠自動動作關(guān)閉機組導(dǎo)水機構(gòu)[3]。此處，“失電動作”規(guī)則中“失電”指全電站失電或機組保護(hù)、控制回路失電，該規(guī)則考慮的是發(fā)生全電站失電或全站直流系統(tǒng)失電時應(yīng)能可靠關(guān)閉機組導(dǎo)水機構(gòu)。然而，對于緊停電磁閥采用何種類型這一問題存在如下矛盾：失電動作的單線圈電磁閥才能滿足“失電動作”規(guī)則，但該類型電磁閥在機組正常時長期帶電，其線圈易老化燒毀，誤動風(fēng)險極高，可能造成機組非停甚至失控的嚴(yán)重后果，不利于機組安全、穩(wěn)定運行；緊停電磁閥采用得電動作型電磁閥，誤動風(fēng)險低，但不滿足“失電動作”規(guī)則，即緊停電磁閥線圈回路電源消失時導(dǎo)水機構(gòu)無法關(guān)閉。為解決這一調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)常規(guī)設(shè)計方案固有矛盾，本文擬從兩個角度出發(fā)，分別作改進(jìn)、完善，探索水輪機調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)優(yōu)化方案。

3 調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案一

緊停電磁閥采用得電動作型。此時，不滿足“失電動作”規(guī)則，實質(zhì)是存在如下風(fēng)險：事故時監(jiān)控系統(tǒng)動作緊停電磁閥令可能因緊停電磁閥線圈回路電源消失無法執(zhí)行，從而導(dǎo)水機構(gòu)無法關(guān)閉。因此，考慮在調(diào)速器液壓回路中設(shè)計一個得電動作型關(guān)機電磁閥（雙穩(wěn)態(tài)，線圈電壓等級24 VDC，以下稱“關(guān)機閥”），以法拉電容作為調(diào)速系統(tǒng)失電時該閥線圈的電源，確保調(diào)速系統(tǒng)失電時通過該閥可靠關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)。

本設(shè)計具體思路如圖1所示，TJL為關(guān)機閥線圈，SA1為失電關(guān)機/保持選擇開關(guān)（SA1切至“關(guān)機”位置，即SA1接點3、4導(dǎo)通時，整個電氣回路方發(fā)揮作用）。假設(shè)SA1已切至“關(guān)機”位置，調(diào)速系統(tǒng)未失電時，回路兩端電壓存在，法拉電容FL處于充電狀態(tài)，電源監(jiān)視繼電器KA1線圈得電，KA1兩對常閉接點（1、5）、（2、6）斷開，時間繼電器KT1線圈、TJL均失電，此時關(guān)機閥不動作亦不影響其他設(shè)備；調(diào)速系統(tǒng)失電時，回路兩端電壓消失，電源監(jiān)視繼電器KA1線圈失電，KA1兩對常閉觸點（1、5）、（2、6）閉合，法拉電容FL處于放電狀態(tài)，TJL得電，關(guān)機閥動作，導(dǎo)水機構(gòu)自動關(guān)閉，同時時間繼電器KT1線圈得電，待KT1延時時間到后（導(dǎo)水機構(gòu)已關(guān)閉）其常閉接點（1、9）斷開，TJL失電，但調(diào)速器油路不因TJL失電而改變。

實際上，由于單體法拉電容耐壓值較小，需將多只法拉電容（同型號）串聯(lián)使整體耐壓值提高至24 VDC； 每只法拉電容的容量、內(nèi)阻和漏電流存在一定差異，必須采用均壓電阻或電壓均衡電路實現(xiàn)各法拉電容電壓的平均分配，防止因部分法拉電容過壓而造成多級串聯(lián)電容器整體壽命和存儲能力大幅降低。圖2中法拉電容FL即設(shè)計為多級串聯(lián)電容器，采用均壓電阻均壓。

發(fā)生調(diào)速系統(tǒng)失電事故時，若全電站失電或緊停電磁閥線圈回路失電（即處于“失電動作”規(guī)則中“失電”情況下）則通過本設(shè)計中的關(guān)機閥關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)；若未有全電站失電事故且緊停電磁閥線圈回路電源正常（即未處于“失電動作”規(guī)則中“失電”情況下）則主要通過緊停電磁閥關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)。

3.2 優(yōu)化方案二

緊停電磁閥采用失電動作型，緊停電磁閥誤動成為主要矛盾。考慮設(shè)計緊急停機裝置（以下稱“緊停裝置”）代替緊停電磁閥，緊停裝置設(shè)置兩個失電動作型緊停電磁閥（單線圈），使雙緊停電磁閥線圈同時失電方可關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)，極大降低誤動風(fēng)險。

本設(shè)計思路如圖2所示，緊停裝置由閥1、閥2、閥3組成（閥1為緊停電磁閥1、閥2為緊停電磁閥2、閥3為純機械聯(lián)動閥）。當(dāng)閥3處于正常位時，閥3的P口與A口導(dǎo)通，導(dǎo)通通道作為調(diào)速器正常工作時輔控油路的一部分，整個緊停裝置不影響調(diào)速器運行；當(dāng)閥3處于緊停位時，閥3的P口與B口導(dǎo)通，通向回油，將快速關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)。閥3右側(cè)控制油口始終通壓力油且流量可調(diào)，左側(cè)控制油口無壓則閥3處于正常位，左側(cè)控制油口有壓則閥3處于緊停位；根據(jù)3個閥組合形式，唯有閥1、閥2同時失電時壓力油方可通過閥1、閥2進(jìn)入閥3的左側(cè)控制油口進(jìn)而快速關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)，閥1、閥2中任意一個閥的線圈處于帶電狀態(tài)則閥3左側(cè)控制油口通回油，將不影響調(diào)速系統(tǒng)正常運行。

圖2 優(yōu)化方案二示意圖

調(diào)速器正常工作需閥1、閥2兩閥中至少一個閥的線圈保持帶電，而機組停備期間則無需讓閥1、閥2線圈一直帶電，畢竟長時帶電會加速線圈老化，因此需針對此情況對機組開停機流程作相應(yīng)優(yōu)化：開機流程中，開機至調(diào)速器前需將閥1、閥2線圈勵磁投入（即合閥1、閥2線圈回路電源）；停機流程中，調(diào)速器關(guān)機完成后需將閥1、閥2線圈勵磁退出（即斷閥1、閥2線圈回路電源）。

4 優(yōu)化方案對比分析

4.1 優(yōu)勢分析

優(yōu)化方案一：設(shè)置有失電關(guān)機/保持選擇開關(guān)，可根據(jù)電站運行需求選擇投入或退出“調(diào)速器失電自關(guān)機（非緊停電磁閥關(guān)機）”功能；功能實現(xiàn)主要依靠電氣回路，機械液壓方面僅需設(shè)一個24 VDC電壓等級關(guān)機閥，利于有條件且不具備功能調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造；方案核心元件法拉電容具備充電速度快、循環(huán)使用壽命長（深度充放電次數(shù)可達(dá)1～50萬次且無“記憶效應(yīng)”）、大電流放電能力強、功率密度低（相對蓄電池）、原材料無污染、日常免維護(hù)等諸多優(yōu)點，可確保調(diào)速系統(tǒng)失電關(guān)機保護(hù)回路安全、可靠工作；外部電源正常情況下，緊停電磁閥工作可靠性更高。

優(yōu)化方案二：一旦出現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)失電，即可動作緊停裝置快速關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)；方案核心在于緊停裝置這一機械部件，電磁閥線圈電壓等級不受24 VDC這一條件約束，相對適用范圍更廣。

4.2 劣勢分析

優(yōu)化方案一：由于單體法拉電容耐壓值低，電容串聯(lián)級數(shù)過多，將導(dǎo)致均壓問題成為應(yīng)用推廣的技術(shù)瓶頸，關(guān)機電磁閥線圈電壓等級受24 VDC這一條件約束，為確保閥組動作可靠性，緊停電磁閥線圈電壓等級多為220 VDC，關(guān)機閥宜單獨設(shè)置，不宜兼為正常的緊停電磁閥；法拉電容畢竟不是電池，存在電壓隨放電次數(shù)增加緩慢下降問題，必須為其設(shè)計復(fù)雜輸出電路[5]；若均壓電阻異常或電壓均衡電路設(shè)計不合理，法拉電容仍可能會出現(xiàn)后期多次放電后局部單元過充而擊穿現(xiàn)象。

優(yōu)化方案二：采用雙緊停電磁閥失電方可關(guān)機邏輯后，緊停誤動風(fēng)險大大降低，但在機組正常運行中仍高于優(yōu)化方案一；需對緊停電磁閥作較大改變，針對某不具功能的具體調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，可能出現(xiàn)無可行性情況；需優(yōu)化機組開停機流程，正常開停機會動作緊停電磁閥，同優(yōu)化方案一相比，線圈老化速度會更快，需加強緊停電磁閥維護(hù)與更換。

5 結(jié) 論

本文所述兩套水輪機調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)優(yōu)化方案都可有效解決水電行業(yè)具體要求與該保護(hù)常規(guī)思路間的固有矛盾。但具體采用哪一方案進(jìn)行保護(hù)設(shè)計或設(shè)備改造，應(yīng)根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)整體設(shè)計，結(jié)合電站運行實際要求，對比分析方案優(yōu)劣，再行決定。本文設(shè)計的兩種優(yōu)化思路在水輪機調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)這一命題上都具有一定的優(yōu)越性和可推廣型，可為同行業(yè)提供借鑒。