老撾南塔河1 號水電站調速器失電停機及自動跳閘設計

梁啟東，陳 洋,覃貴芳

（1.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西沿海鐵路股份有限公司，廣西 欽州 535000；3.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著我國水電行業的發展，水電站運行的自動化程度越來越高，安全性要求也越來越高。安全生產的指導思想已經從以保設備為主轉變為以人身安全為主。

我國的水電行業自動化規范在不斷更新和完善。新“規范”可能只提出了主體性或綱領性的要求，其他的配套、完整方案需要水電站設計單位、水電站運營單位自行完善。對設計院而言，既要滿足規范要求，又要針對各個水電站實際提出有效合理的設計方案。

老撾南塔河1 號（Nam Tha 1）水電站工程是由南方電網公司出資建設，老撾電力公司（EDL）參股的BOT 項目，中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司為設計單位。

本工程的調速器失電停機且自動跳閘方案，已在某工程投入使用超過3 年。本研究主要探討發電機出口斷路器（GCB）在調速器失電停機時自動跳閘，并最大限度防止誤跳的設計方案。

1 問題的提出

1.1 基本情況

南塔河位于老撾人民共和國的北部，為湄公河的一級支流。壩址位于博膠省，距河口62 km。電站為壩后式，樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、發電引水系統、引水式發電廠房及進廠公路組成，屬Ⅰ等工程。壓力鋼管采用一管三機的供水方式，主管直徑為8.20 m，為Y 型岔管。電站廠房安裝3 臺56MW 共168MW 的混流式水輪發電機組。

發電機-升壓變壓器采用單元接線方式，發電機出口設斷路器。115 kV 側采用戶內GIS 設備，接線采用雙母線接線，3 回115 kV 出線。廠用電系統采用400 V 一級電壓供電，廠用電源分別從3 臺發電機端引接并經廠用變壓器降壓后獲得，另采用一臺柴油發電機組作為備用電源。生活區供電電源從1#或2#發電機機端引接后經電力變壓器升壓至22 kV，再由架空線路送出至生活區。電站采用計算機監控，按盡可能少用人值班的理念設計。

1.2 失電停機方案設計背景

根據中國水電行業現行標準《水力發電廠自動化設計技術規范》（NB/T 35004-2013）中4.1.1 條的要求：水輪發電機組應選用數字式電氣液壓調速器。調速器宜采用失電停機原則，在控制回路電壓消失時，調速器宜自動關閉導水機構[1]。

上述“規范”提出要求的起因可以追溯到10 年前的俄羅斯薩揚水電站事故[2]。該條款中的字眼為“宜”，即非強制要求，但推薦執行，或在無特殊情況下應該執行。

該“規范”正式實施后，國內幾大發電集團也陸續對各所屬電站此要求推出了整改方案。但也有部分電站反映實施新“要求”較為困難，因為該要求涉及到電站內多個系統，而電廠有限的技術難以完成完整的方案。

2 失電停機方案設計

2.1 失電停機要求分析

《水力發電廠自動化設計技術規范》中的要求十分清晰，即調速器在失電時，由調速器關閉導水機構，從而切斷發電機組驅動力，達到停機的目的[3]。

為滿足該要求，需解決以下幾個問題：

（1）機組運行過程中，如果只關閉導水機構，機組失去動力，但機組未與電網解接，電網則可給機組送電，即從電網倒吸負荷，成為電動機，這是必須要避免的。因此在關閉導水機構的同時需要自動跳開發電機出口斷路器（GCB）。

（2）調速器控制回路一般采用直流電源。電站的直流電源系統自身又有直流蓄電池組作為支撐，一般作為電站全廠失電的后備電源，同時也是GCB 的操作回路的電源。如果調速器失電，則可能的情況是：

①僅調速器的直流電源回路出現故障。

于全廠直流系統崩潰。當僅調速器失電時，全廠直流系統正常，GCB 的操作回路直流電源正常，此時應該能夠正常跳閘。當全廠直流系統崩潰時，GCB 的控制回路直流電源也失電，此時仍要完成一次跳閘。

（3）GCB 如何與失電的調速器配合。

2.2 失電停機解決方案

最關鍵問題在于調速器失電后GCB 自動跳閘。老撾南塔河1 號水電站的GCB 配置了直流失壓脫扣器[4]。正常時失壓脫扣器由直流電源維持，當失壓脫扣器電源消失時，自動跳開GCB。當僅調速器直流電源消失而停機時，失壓脫扣器電源正常，調速器直流電源消失信號應能上送至計算機監控系統，再由監控系統發令使GCB通過其跳閘操作回路跳閘。

但采用失壓脫扣器又存在另一個問題，即：如果機組仍在正常運行，僅僅是GCB 操作回路失電，則失壓脫扣器也會失電，導致GCB 誤跳閘[5]，該情況必須避免。判斷機組正常運行有多種方法，本工程取發電機出口電壓互感器（PT）電壓作為判據，即當PT 電壓正常時，認為機組應在正常運行。PT 電壓可經開關電源轉換為DC220V或DC110V 的直流電壓，與GCB 操作回路的直流電源一起作為失壓脫扣器的電源。當GCB 操作回路的直流電源消失時，只要機組正常發電，就仍可以給失壓脫扣器供電，防止GCB 誤跳。

為此，以失壓脫扣器為核心設計了一個失壓脫扣回路。

失壓脫扣回路作為調速器失電停機工況的補充控制，不應僅僅在全廠失電時生效，在同時滿足“調速器失電”和“GCB 無法通過操作回路正常跳閘”兩個條件時，失壓脫扣回路也應生效。上述兩個信號接點應串入失壓脫扣回路。

調速器失電：該信號因調速器廠家不同，判斷邏輯也不相同。老撾南塔河1 號水電站采用南瑞的調速器，經與廠家核實，該調速器判定控制回路失電的邏輯為調速器的PLC 失電，即其DC24V 電源消失，且有無源接點上送信號。

GCB 無法通過操作回路正常跳閘：操作回路失電或跳閘回路斷線都會導致GCB 無法T 通過該回路正常跳閘。因此僅僅取操作回路的電源監視信號無法包含所有工況。根據我國的設計習慣，該操作回路一般做在發電機保護的操作箱中，操作箱的“控制回路斷線”信號正好可以包含以上兩種工況。

GCB 失壓脫扣回路接線設計如圖1 所示。

圖1 GCB 失壓脫扣回路接線示意圖

2.3 失壓脫扣回路的補充說明

以上是本工程失壓脫扣回路的總體思路，但該回路還有以下需要完善之處。

（1）為防止該回路短路而影響到GCB 操作回路及PT 運行，兩個電源輸入端應配置空開。

（2）如GCB 操作回路電壓與失壓脫扣器電壓相同，圖1 中DC/DC 開關電源可以取消。

（3）PT 二次側電壓一般為100 V（老撾為110 V），可能無法找到合適的AC/DC 開關電源。尤其國內直流系統為DC220 V，難以找到由AC100 V 升壓為DC220 V的開關電源。此時可以配置1 個小型變壓器，先將PT 二次側電壓升壓，再串接合適的AC/DC 開關電源。老撾南塔河1 號水電站GCB 失壓脫扣回路的PT 電壓輸入即先由AC110 V 經變壓器升壓至AC220 V，再串接一個AC220 V/DC110 V 的開關電源，如圖2 所示。

圖2 老撾南塔河1 號水電站GCB 失壓脫扣回路的PT 電壓輸入回路

（4）兩路電源均應配置電源監視繼電器，并有無源硬接點上送失電信號至監控系統。且任何一路電源故障就應告警，運行人員應及時查看、處理，不建議采用兩路電源回路均故障才告警的邏輯，否則將導致GCB 誤跳后才發現故障，造成不必要的損失。必要時可并入電源指示燈。

（5）兩路電源均應注意配置二極管，以防止兩路電源電壓不完全相等時，影響電流方向。

（6）當“調速器電源消失”“GCB 控制回路斷線”信號只有一對接點時，需要擴展該信號，既用于失壓脫扣回路，又要作為告警信號上送監控系統。繼電器常開、常閉接點的應用及在失壓脫扣回路中的組合邏輯應根據工程實際情況調整，圖1 只是根據老撾南塔河1 號水電站的實際情況做出的示例。

（7）建議回路中設計1 個功能壓板，以便運行人員根據實際需求，選擇是否取消“調速器電源消失”+“GCB控制回路斷線”的跳閘邏輯。

2.4 調速器失電停機方案總結

（1）調速器失電時，調速器緊急關閉導水機構（該功能由調速器完成）。

（2）GCB 操作機構配置失壓脫扣功能。當GCB 控制回路的直流電源消失且發電機出口主回路失壓，或GCB控制回路斷線且調速器失電時，失壓脫扣器失電，GCB自動跳開。

3 結語

老撾南塔河1 號水電站于2018 年10 月正式投產發電，并于2019 年底、2020 年初分別順利通過了竣工安全鑒定和專項驗收。目前電站已安全穩定運行3 年，調速器失電停機時的GCB 自動跳閘設計也將得到實踐的檢驗。

通過對本工程對GCB 失壓脫扣回路的電氣二次設計，設計人員認為當今水電工程項目的開發、改造給設計團隊提出了更新、更高的要求，設計中必須保有嚴謹、靈活、敢于創新的設計思路，以適應日新月異的工程技術要求，不斷積累并革新技術。

對于有調速器失電自動停機要求的水電站，設計時需要注意了解相關設備特點及必要的程序邏輯，結合工程的實際情況，將問題整體分析、考慮、并逐一解決，以設計出適用于該工程的完整失電停機方案。