論柳坪水電站3F機組轉速測控回路優化與改造

常 正 鵬， 張 皓 鵬， 曹 倫

(阿壩水電開發有限公司，四川 黑水 624000)

0 引 言

柳坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣境內，為引水式電站，安裝三臺機組，裝機容量120 MW(3×40 MW)。

柳坪水電站3F機組轉速測控裝置經過十余年的運行，齒盤測速裝置和電氣測速裝置都是單信號源輸入，并且輸出信號沒有閉鎖邏輯，容易造成誤動，對機組的安全運行造成了一定的隱患。此外機組無爬行監測裝置，現場多次因導葉間隙漏水量較大，停機流程完成后機組發生蠕動的情況。針對這種情況，經咨詢論證，升級轉速測控裝置可以有效避免上述問題的發生。

1 轉速測控裝置組成及問題

1.1 轉速測控裝置的組成

柳坪水電站3F機組振擺測速柜電氣測速裝置為四川中鼎ZDZK-Ⅲ電腦轉速測控儀電氣測速裝置，與齒盤測速裝置ZDZK-C電腦轉速測控儀共同構成柳坪3F機組轉速測控裝置，供現地監視機組轉速，并輸出開關量和模擬量至3F機組LCU和水機保護回路，為計算機監控系統提供轉速上位機監視、信號告警、機組流程控制、以及事故跳閘依據。

齒盤測速裝置ZDZK-C電腦轉速測控儀采用單路齒盤傳感器作為輸入信號源，共有6路開關量輸出，開關量輸出信號分別是J1(轉速<5%)，J2(轉速<25%)，J3(轉速>90%,備用)，J4(轉速>95%)，J5(轉速>115%)，J6(轉速>140%)。

電氣測速裝置ZDZK-Ⅲ電腦轉速測控儀采用機組出口PT電壓作為輸入信號源，共有6路開關量輸出，開關量輸出信號分別是J1(轉速<5%)，J2(轉速<25%)，J3(轉速>90%,備用)，J4(轉速>95%)，J5(轉速>115%)，J6(轉速>140%)。

電氣測速裝置和齒盤測速裝置開關量輸出J1(轉速<5%)接點并聯接入監控系統機組轉速小于5%信號點，作為機組全停轉速判據。

電氣測速裝置和齒盤測速裝置開關量輸出J2(轉速<25%)接點并聯接入監控系統機組轉速小于25%信號點，作為機組停機流程中投入制動閘判據。

電氣測速裝置和齒盤測速裝置開關量輸出J4(轉速>95%)接點并聯接入監控系統機組轉速大于95%信號點，作為機組開機流程中勵磁系統開機令判據。

電氣測速裝置和齒盤測速裝置開關量輸出J5(轉速>115%)接點并聯接入監控系統機組轉速大于115 %信號點，與主配拒動信號配合作為機組事故停機判據和一級過速水機事故停機的判據。

電氣測速裝置和齒盤測速裝置開關量輸出J6(轉速>140%)接點并聯接入監控系統機組轉速大于140%信號點，作為機組二級過速判據和二級過速水機事故停機的判據。

柳坪水電站3F機組轉速測控回路見圖1。

圖1 柳坪水電站3F機組轉速測控回路

1.2 存在的問題

(1)齒盤測速裝置ZDZK-C電腦轉速測控儀為單齒盤信號源輸入，且輸出信號沒有閉鎖邏輯，裝置輸出信號有一定的誤動風險。

(2) 電氣測速裝置ZDZK-Ⅲ電腦轉速測控儀為機組PT電壓單信號源輸入，且輸出信號沒有閉鎖邏輯，裝置輸出信號有一定的誤動風險。

(3)齒盤測速裝置與電氣測速裝置輸出點并聯輸出，沒有輸出閉鎖；機組已發生過在運行過程中誤報機組轉速<5%信號，在停機過程中誤報機組轉速>140%信號并誤啟動事故停機流程的故障。

(4)電氣測速裝置和齒盤測速裝置開關量輸出J2(轉速<25%)接點并聯接入監控系統機組轉速小于25%信號點，作為機組停機流程中投入制動閘直接判據。在2020年柳坪2F機組修后啟動試驗和柳坪3F機組修后啟動試驗過程中，分別因機組殘壓較低和機組PT未投入，造成電氣測速裝置無法測得電氣轉速，電氣測速裝置轉速信號為0 Hz，機組轉速開關量輸出J1(轉速<5%)和J2(轉速<25%)接點動作，造成機組停機過程高轉速時投入制動閘，對機組剎車系統造成較大影響，同時也對機組安全運行造成了一定的隱患[1]。

(5)柳坪水電站機組無爬行監測裝置，現場多次因導葉間隙漏水量較大，停機流程完成后機組發生蠕動的情況，現場在少人值守的情況下無法及時處置該問題。

2 改造思路及措施

2.1 改造思路

柳坪水電站3F機組齒盤測速裝置和電氣測速裝置都是單信號源輸入且無爬行監測裝置的問題可以通過升級測速裝置的手段來解決；輸出信號沒有閉鎖邏輯，容易造成誤動的問題可以采用優化開出回路的方法來避免誤動。

2.2 升級齒盤測速裝置

針對柳坪水電站3F機組轉速測控裝置存在的問題，將ZDZK-C齒盤測速裝置升級為科明CM-200微機測速裝置(簡稱CM-200裝置)。CM-200裝置采用的是現代測控技術，配以先進可靠的電氣轉速傳感器和機械轉速傳感器，同時測量發電機機端電壓頻率和機械轉速脈沖信號，從而實現對發電機組轉速的測量和控制。現在隨著發電機組自動控制系統的不斷發展和進步，對機組轉速測量的精準度與保護的可靠性要求越來越高，原有測速裝置已不能完全滿足要求。CM-200裝置為了解決以往各個類型的測速裝置所存在的缺陷和電站保護及自動監控的專門要求，采取了以下突破性的設計方法：(1)同時采用電氣、機械兩種測速原理，三路信號輸入，有機結合。(2)專門設計了獨特的電氣轉速傳感器，徹底解決了殘壓信號超低頻率、超低幅值時難以準確可靠測量的難題。(3)采用先進的便于安裝的機械轉速傳感器，克服了傳統使用的光電傳感器或編碼器安裝困難及由此帶來的可靠性差等問題，而且還能正確區別機組旋轉方向，滿足抽水蓄能電站機組不同運行工況下的測速要求。(4)可廣泛應用于發電機組的轉速測量與保護，亦可用于其他工業領域中需要測速的場合，還可單獨作為測頻表使用。(5)具備水輪機導葉位置輸入接口回路，可以更加及時準確判斷水輪機停機狀態下潛動(爬行)，以保護機組安全[2]。

CM-200裝置采用了PI+FI測速模式，經過升級齒盤測速探頭，由單齒盤測速探頭升級為雙齒盤測速探頭，并增加PT信號源輸入；增加導葉全關信號輸入，作為機組爬行的判據之一[3]。

2.3 優化機組轉速測控開出回路

機組轉速<5%信號：取自CM-200裝置開關量N1，作為機組停機轉速判據。

機組轉速<25%信號：取自CM-200裝置開關量N2，作為機組停機流程中投入制動閘判據。

機組轉速>95%信號：取自CM-200裝置開關量N4，作為機組開機流程中勵磁系統開機令判據。

機組轉速>115%信號：第一路信號取自ZDZK-Ⅲ電氣測速裝置開關量J5(轉速>115%)，串聯接入J3(轉速>90%)作為輸出閉鎖條件；第二路信號取自CM-200裝置開關量N5(轉速>115%)；兩路信號并聯接入3F機組監控系統機組轉速大于115 %信號點，與主配拒動信號配合作為機組事故停機判據和一級過速水機事故停機的判據。

機組轉速>140%信號：第一路信號取自ZDZK-Ⅲ電氣測速裝置開關量J6(轉速>140%)，串聯接入J4(轉速>95%)作為輸出閉鎖條件；第二路信號取自CM-200裝置開關量N6；兩路信號并聯接入3F機組監控系統機組轉速大于140%信號點，作為機組二級過速判據和二級過速水機事故停機的判據。

優化與改造后的轉速測控回路見圖2。

圖2 優化與改造后的轉速測控回路

2.4 增加機組蠕動監測

將水輪機導葉位置輸入CM200裝置，可以更加及時準確地判斷水輪機停機狀態下的蠕動，并將機組蠕動信號和CM-200裝置告警信號送至監控系統，方便運行人員監控機組運行狀態。

3 結 語

機組轉速的準確測量是發電機組安全穩定運行的重要保障之一，轉速測控系統有兩套不同原理的裝置，即電氣測速和機械測速，通過可靠的電氣轉速傳感器和機械轉速傳感器，同時測量發電機機端電壓頻率和機械轉速脈沖信號[4]，實現對發電機組轉速的測量和控制。目前，柳坪水電站3F機組轉速測控裝置通過升級原齒盤測速裝置為CM-200微機測速裝置，優化了轉速測控開出回路，現已完成升級改造，改造后解決了之前存在的齒盤測速裝置和電氣測速裝置都是單信號源輸入且輸出信號沒有閉鎖邏輯容易造成誤動和無爬行監測的問題。提高了柳坪3F機組轉速測控裝置整體可靠性，優化了監控系統對機組轉速和狀態監視的準確性[5]，降低了機組順控流程誤投入制動閘的風險，降低了機組電氣一級過速和電氣二級過速誤動風險，增加了機組爬行監測功能，提高了機組運行安全性。

根據柳坪水電站3F機組轉速測控回路的成功優化與改造的經驗，計劃推廣應用到阿壩水電開發有限公司柳坪和雅都水電站其余五臺機組，屆時將提高阿壩水電開發有限公司機組運行的安全性和可靠性。