高水頭混流式水輪機過速保護研究

沈釗根，葉志強

（浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 311121）

水輪發電機組過速保護裝置是為水輪發電機組在意外情況下提供保護作用的安全裝置，通常有電氣一級保護、電氣二級保護和機械二級保護。從而保證水輪發電機組在各種異常情況下有效地防止過速飛逸事故的發生，保證機組長期安全穩定運行。

當機組轉速上升至第一級保護設定值時，調速器首先進行關機操作，當調速器關機失敗（調速器失靈），機組轉速繼續上升至第二級保護設定值時，機組二級過速保護裝置啟動，由事故配壓閥、分段關閉閥、分段關閉行程閥聯合作用關閉導葉，使機組緊急事故停機。一個典型的事故停機的程序見圖1。

1 目前二級過速保護整定值的設定規定

二級過速保護整定值在目前的常規水電站實際應用中，通常是按最惡劣工況下的過渡過程機組轉速上升最大值加2%～5%額定轉速來確定，如二級電氣過速加2%或3%，二級機械過速加5%。

NB/T 35088-2016《水電機組機械液壓過速保護裝置基本技術條件》4.2.2.10條規定：對于常規水電機組，過速保護整定值可按水電機組制造廠確認的過渡過程機組轉速上升最大值加5%額定轉速設定，整定值加上動作偏差不應大于機組的最大飛逸轉速。同時在4.2.11條也提到，對于抽水蓄能機組，過速保護整定值應綜合最大瞬態轉速與機組最大飛逸轉速進行設定。

圖1 典型的事故停機流程圖

GB/T 11805-2019《水輪發電機組自動化元件（裝置）及其系統基本技術條件》3.6條規定：機械液壓過速保護裝置或機械過速開關的動作轉速觸點，即：機組調節保證最大瞬態轉速規定值加5%額定轉速值的觸點。電氣轉速信號裝置的動作觸點，即：機組調節保證最大瞬態轉速規定值加2%（該標準2008版為3%）額定轉速值的觸點。注：在抽水蓄能可逆式機組或特殊情況下，也可根據機組實際過速情況，從設備安全的角度，確定動作轉速值。

2 目前的二級保護設定方法的保護范圍分析

電氣二級保護或機械二級保護的最終目的是保證水輪發電機組在各種異常情況下有效地防止過速飛逸事故的發生，保證機組長期安全穩定運行。飛逸可能在不同的運行水頭及導葉開度工況下發生，而不同的水頭與導葉開度意味著相應的飛逸轉速也會不同。目前水輪機導葉的水力設計在正常運行范圍內通常具有自關閉特性，因此，有較大的可能是在出現事故時，機組在原運行工況點的水頭與導葉開度下出現飛逸。表1是多個典型的混流式機組在其特征水頭及該水頭下最大、最小出力時對應的導葉開度下的飛逸轉速與二級過速保護值之比較。

表1 飛逸轉速與二級過速保護整定值之比較

由表1可見，因高水頭混流式水輪機的飛逸轉速與額定轉速的比值相對較低，因此如按目前的二級過速保護設置方式，二級過速保護基本失去飛逸保護作用。對于中低水頭混流式機，也有較大的范圍失去飛逸保護作用。

3 降低最大轉速上升值的可能性分析

從過渡過程的調節保證計算中可知，要降低最大轉速上升值的主要途徑有3條：①增加發電機的轉動慣量；②加大引水系統的尺寸；③優化導葉關閉規律。前兩種方法可能將使得制造及建設成本大幅提高至無法接受的程度。第三種方法已在調保計算中廣泛實施，一般來說都會將導葉關閉規律進行最大限度的優化，從而實現調保計算中壓力上升及轉速上升最優，因此，已很難僅僅依靠優化導葉關閉規律來將最大轉速上升值進一步降低，以達到增加二級保護范圍的目的。

4 二級保護設置的設計方案

4.1 不設置純機械過速保護裝置的方案

從調節保證理論計算或電站現場的實際甩負荷試驗中，我們可以得到如圖2中紅線所示的轉速曲線。可以將二級電氣保護的設定值設為比最大轉速上升低的某個值，例如按水輪機全運行范圍內對應的飛逸轉速最小值，即最小水頭最小功率工況點對應的飛逸轉速，并考慮動作誤差值。同時在電氣保護邏輯中設置一個時間延時，延時值需大于保護值水平線與轉速曲線二交點的時間間隔。當轉速第一次大于二級電氣保護設定值時，同時檢測導葉開度，如導葉已關至小于設定值，保護裝置觸發延時保護，如在延時結束時，轉速已降至保護設定值，則取消發出事故關機信號，否則發出事故關機信號。

圖2 電氣二級過速保護依據過速曲線設置延時觸發

按目前的純機械保護裝置的最新技術水平，尚沒有成熟可靠的延時發信技術，因此可以考慮不設置純機械過速保護，或將純機械保護的信號仍設定在高于最大轉速上升值的位置，但此時的純機械過速保護只對部分最惡劣的飛逸工況進行保護。

二級電氣保護裝置，可以考慮冗余設置，即增設一套來自另一電源的（如直流）的保護，兩套電氣過速保護裝置均能獨立發出緊急停機信號，增加了機組過速保護的可靠性。

上述延時保護設置，可以保證甩負荷后機組保持額定轉速空轉待機狀態的要求，同時最大程度的實現機組二級防飛逸保護。

延時保護的邏輯控制程序如圖3所示。

圖3 二級過速保護延時觸發流程圖

事實上，國外很多高水頭電站也是因為甩負荷時的過速值已經大于穩態飛逸值而沒有設機械過速保護裝置，已有的運行情況表明這也是安全可靠的。國外電站的一些應用實例見表2。

表2 不設置機械過速保護的電站實例

4.2 設置純機械過速保護值低于瞬態過速值

當廠房全部失電的情況下，機械過速保護裝置提供最后一道可靠的防飛逸保護。具體如何設置需結合合同、所在電站的電網要求而定。當電站所在的接入的電網相對較小，電網故障率相對較高且抗沖擊能力小，通常電網要求機組甩負荷后保持額定轉速空轉狀態，以便快速再次啟動機組。而當機組突然甩負荷時，無法事先判斷是外部電網原因還是電站本身的原因，而且對于像本身的故障率相對較低且容量大抗沖擊能力強的電網，機組甩負荷后進入緊急停機流程的可接受程度更高。如是電站內部原因故障導致過速，從某種意義上講，機組出現甩負荷情況后先進行停機檢查也有一定的必要性。

據調查，國內某高水頭電站設有的機械過速保護裝置的整定值是低于甩負荷時的最大過速值的，按此設定，在甩負荷時，有時會出現甩停機現象。據電站運行人員反應，出現這種情況并無太多負面影響，只是需要重新進行一次開機操作，但毫無疑問這樣對機組的防飛逸保護是有利的。

5 結語

對于高水頭、高轉速機組，大波動調節保證計算的轉速上升值與水輪機的穩態飛逸轉速很接近，有時甚至高于水輪機的穩態飛逸轉速。通過加大引水系統尺寸或加大發電機的轉動慣量來降低過渡過程中的過速值，經濟性和技術性均很差。此時需要從電網要求與機組保護方面綜合考慮：對于容量較小、抗沖擊能力較弱或電網有特別要求時，取消機械過速保護裝置，同時二級電氣過速保護設置觸發延時是可行的；對于容量較大、抗沖擊能力較強或電網無特別要求時，綜合考慮機組在不同的水頭和開度下的飛逸轉速，將機械過速保護裝置整定值設置為低于甩負荷時的最大過速值，對于機組防飛逸的保護更加有利。