水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)設(shè)計(jì)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(jī)組關(guān)鍵自動(dòng)化設(shè)備之一，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機(jī)的流量，使水輪機(jī)出力與外界負(fù)荷相適用，讓機(jī)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(dòng)。因此，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)機(jī)組安全、可靠運(yùn)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(jī)組即處于不可控狀態(tài)，鑒于此，本文對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)需求分析

對(duì)于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，我國(guó)水電行業(yè)提出：對(duì)于有人值班的電站，當(dāng)調(diào)速器工作電源完全消失時(shí)，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(shí)行關(guān)機(jī)保護(hù)；對(duì)于無人值班電站，水輪機(jī)調(diào)節(jié)裝置可采取關(guān)機(jī)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(gè)在國(guó)內(nèi)水電行業(yè)具有一定代表性的電站[2]，發(fā)現(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)行失電關(guān)機(jī)保護(hù)策略確已實(shí)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(dú)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(jī)械事故，所以本文考慮在監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組電氣事故停機(jī)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(hào)源，調(diào)速系統(tǒng)失電保護(hù)邏輯可設(shè)為：機(jī)組非停機(jī)態(tài)下調(diào)速器交直流工作電源同時(shí)消失并保持2 s則機(jī)組電氣事故停機(jī)保護(hù)動(dòng)作。發(fā)生電氣事故時(shí)，盡快切除事故、保護(hù)電氣設(shè)備是主要問題，防止機(jī)組過速為次要問題[4]。

顯然，調(diào)速系統(tǒng)失電時(shí)只能通過動(dòng)作緊急停機(jī)電磁閥（以下簡(jiǎn)稱“緊停電磁閥”）關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。目前，多數(shù)水電站機(jī)組在事故及緊急停機(jī)時(shí)是讓緊停電磁閥得電動(dòng)作的；但也有水電機(jī)組的緊停電磁閥被設(shè)計(jì)成常帶電的，事故時(shí)緊停電磁閥失電動(dòng)作。從機(jī)組安全性考慮，設(shè)置可靠電源單獨(dú)供緊停電磁閥等機(jī)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(xiàng)反措”中關(guān)于防止機(jī)組飛逸方面有如下要求：大中型水電站應(yīng)采用“失電動(dòng)作”規(guī)則，在水輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)和控制回路電壓消失時(shí)，使相關(guān)保護(hù)和控制裝置能夠自動(dòng)動(dòng)作關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)[3]。此處，“失電動(dòng)作”規(guī)則中“失電”指全電站失電或機(jī)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(shí)應(yīng)能可靠關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。然而，對(duì)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(dòng)作的單線圈電磁閥才能滿足“失電動(dòng)作”規(guī)則，但該類型電磁閥在機(jī)組正常時(shí)長(zhǎng)期帶電，其線圈易老化燒毀，誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)極高，可能造成機(jī)組非停甚至失控的嚴(yán)重后果，不利于機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行；緊停電磁閥采用得電動(dòng)作型電磁閥，誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)低，但不滿足“失電動(dòng)作”規(guī)則，即緊停電磁閥線圈回路電源消失時(shí)導(dǎo)水機(jī)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(jì)方案固有矛盾，本文擬從兩個(gè)角度出發(fā)，分別作改進(jìn)、完善，探索水輪機(jī)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(dòng)作型。此時(shí)，不滿足“失電動(dòng)作”規(guī)則，實(shí)質(zhì)是存在如下風(fēng)險(xiǎn)：事故時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)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(jī)構(gòu)無法關(guān)閉。因此，考慮在調(diào)速器液壓回路中設(shè)計(jì)一個(gè)得電動(dòng)作型關(guān)機(jī)電磁閥（雙穩(wěn)態(tài)，線圈電壓等級(jí)24 VDC，以下稱“關(guān)機(jī)閥”），以法拉電容作為調(diào)速系統(tǒng)失電時(shí)該閥線圈的電源，確保調(diào)速系統(tǒng)失電時(shí)通過該閥可靠關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。

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

實(shí)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(hào)）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(shí)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(jí)串聯(lián)電容器整體壽命和存儲(chǔ)能力大幅降低。圖2中法拉電容FL即設(shè)計(jì)為多級(jí)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(shí)，若全電站失電或緊停電磁閥線圈回路失電（即處于“失電動(dòng)作”規(guī)則中“失電”情況下）則通過本設(shè)計(jì)中的關(guān)機(jī)閥關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)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(dòng)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(jī)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化方案二

緊停電磁閥采用失電動(dòng)作型，緊停電磁閥誤動(dòng)成為主要矛盾。考慮設(shè)計(jì)緊急停機(jī)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(gè)失電動(dòng)作型緊停電磁閥（單線圈），使雙緊停電磁閥線圈同時(shí)失電方可關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，極大降低誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

本設(shè)計(jì)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(jī)械聯(lián)動(dòng)閥）。當(dāng)閥3處于正常位時(shí)，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(shí)輔控油路的一部分，整個(gè)緊停裝置不影響調(diào)速器運(yùn)行；當(dāng)閥3處于緊停位時(shí)，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(jī)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(gè)閥組合形式，唯有閥1、閥2同時(shí)失電時(shí)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(jī)構(gòu)，閥1、閥2中任意一個(gè)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(yùn)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(gè)閥的線圈保持帶電，而機(jī)組停備期間則無需讓閥1、閥2線圈一直帶電，畢竟長(zhǎng)時(shí)帶電會(huì)加速線圈老化，因此需針對(duì)此情況對(duì)機(jī)組開停機(jī)流程作相應(yīng)優(yōu)化：開機(jī)流程中，開機(jī)至調(diào)速器前需將閥1、閥2線圈勵(lì)磁投入（即合閥1、閥2線圈回路電源）；停機(jī)流程中，調(diào)速器關(guān)機(jī)完成后需將閥1、閥2線圈勵(lì)磁退出（即斷閥1、閥2線圈回路電源）。

4 優(yōu)化方案對(duì)比分析

4.1 優(yōu)勢(shì)分析

優(yōu)化方案一：設(shè)置有失電關(guān)機(jī)/保持選擇開關(guān)，可根據(jù)電站運(yùn)行需求選擇投入或退出“調(diào)速器失電自關(guān)機(jī)（非緊停電磁閥關(guān)機(jī)）”功能；功能實(shí)現(xiàn)主要依靠電氣回路，機(jī)械液壓方面僅需設(shè)一個(gè)24 VDC電壓等級(jí)關(guān)機(jī)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(zhǎng)（深度充放電次數(shù)可達(dá)1～50萬(wàn)次且無“記憶效應(yīng)”）、大電流放電能力強(qiáng)、功率密度低（相對(duì)蓄電池）、原材料無污染、日常免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，可確保調(diào)速系統(tǒng)失電關(guān)機(jī)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(dòng)作緊停裝置快速關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；方案核心在于緊停裝置這一機(jī)械部件，電磁閥線圈電壓等級(jí)不受24 VDC這一條件約束，相對(duì)適用范圍更廣。

4.2 劣勢(shì)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(jí)數(shù)過多，將導(dǎo)致均壓?jiǎn)栴}成為應(yīng)用推廣的技術(shù)瓶頸，關(guān)機(jī)電磁閥線圈電壓等級(jí)受24 VDC這一條件約束，為確保閥組動(dòng)作可靠性，緊停電磁閥線圈電壓等級(jí)多為220 VDC，關(guān)機(jī)閥宜單獨(dú)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(jì)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(jì)不合理，法拉電容仍可能會(huì)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(jī)邏輯后，緊停誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)大大降低，但在機(jī)組正常運(yùn)行中仍高于優(yōu)化方案一；需對(duì)緊停電磁閥作較大改變，針對(duì)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(jī)組開停機(jī)流程，正常開停機(jī)會(huì)動(dòng)作緊停電磁閥，同優(yōu)化方案一相比，線圈老化速度會(huì)更快，需加強(qiáng)緊停電磁閥維護(hù)與更換。

5 結(jié) 論

本文所述兩套水輪機(jī)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(jì)或設(shè)備改造，應(yīng)根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，結(jié)合電站運(yùn)行實(shí)際要求，對(duì)比分析方案優(yōu)劣，再行決定。本文設(shè)計(jì)的兩種優(yōu)化思路在水輪機(jī)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。