陳申偉，李濤，趙高利

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩水電站作為“西電東送”的骨干電源，共裝設(shè)8臺單機(jī)容量為800 MW的巨型水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量世界之首，其重要地位不言而喻。巨型水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅直接影響到電網(wǎng)的安全，也影響到電站的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

向家壩水電站采用立軸混流式水輪機(jī)，半傘式發(fā)電機(jī)，額定水頭為100 m，共有3部軸承，分別是上導(dǎo)軸承、推力下導(dǎo)聯(lián)合軸承以及水導(dǎo)軸承。顯然，僅有電氣保護(hù)裝置并不能滿足機(jī)組安全運(yùn)行的要求。如果機(jī)組關(guān)鍵機(jī)械部件如三部軸承以及調(diào)速器等機(jī)組輔助設(shè)備發(fā)生重大故障，同樣需要可靠的保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)自動停機(jī)，保證機(jī)組安全并避免事故擴(kuò)大，這正是水機(jī)保護(hù)的范疇，也是本文探討的主題。

1 簡介

傳統(tǒng)的水機(jī)保護(hù)，依靠常規(guī)繼電器實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯控制，如軸瓦溫度高、軸承油位低、調(diào)速器液壓系統(tǒng)油壓低等。但常規(guī)回路對于較為復(fù)雜的邏輯計(jì)算則顯得力不從心。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，PLC為實(shí)現(xiàn)更為完善和可靠的水機(jī)保護(hù)提供了可能。向家壩水電站正是以監(jiān)控系統(tǒng)LCU的PLC作為水機(jī)保護(hù)的主保護(hù)，常規(guī)回路作為后備保護(hù)。

向家壩水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU由Schneider公司Quantum系列PLC及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊、模件及通訊模塊構(gòu)成。每臺發(fā)電機(jī)組配置1套LCU。

LCU控制程序中采用了2個程序段（MARK0與MARK2）進(jìn)行水機(jī)保護(hù)相關(guān)量的邏輯運(yùn)算，作為水機(jī)的主保護(hù)。

另外，在LCU盤柜中配置了簡單的常規(guī)回路，獨(dú)立于PLC，作為水機(jī)的后備保護(hù)。

2 LCU程序分析

利用PLC語言FBD（功能塊圖）進(jìn)行編程，對水機(jī)提供全面且可靠的保護(hù)，并且采用同一設(shè)備的模擬量與開關(guān)量進(jìn)行邏輯運(yùn)算，可以最大程度的防止誤動。

2.1 保護(hù)范圍

PLC編程較為靈活，保護(hù)范圍可以覆蓋所有的關(guān)鍵部件。按照故障的嚴(yán)重程度劃分為MARK0一類機(jī)械事故、MARK2二類機(jī)械事故。MARK0與MARK2的區(qū)別主要在于動作后果：MARK2是代表一般的機(jī)械事故，只需關(guān)閉導(dǎo)葉，停機(jī)即可；而MARK0是代表較為嚴(yán)重的機(jī)械事故，除關(guān)導(dǎo)葉停機(jī)外，還需緊急關(guān)閉進(jìn)水口閘門。

在PLC中采用MARK來定義事故類型不僅能方便設(shè)計(jì)不同事故情況下保護(hù)動作過程而且能幫助運(yùn)行人員迅速判斷故障性質(zhì)并采取相應(yīng)措施。

2.1.1 MARK0

MARK0的保護(hù)范圍有：導(dǎo)葉剪斷銷故障相與轉(zhuǎn)速大于105%Ne（額定轉(zhuǎn)速，下同）；機(jī)械過速裝置動作或者轉(zhuǎn)速大于150%Ne；進(jìn)水口閘門下滑至事故位相與閘門開度小于90%全開開度。

發(fā)生上述三種故障時，表明機(jī)組導(dǎo)葉可能失控或僅僅關(guān)閉導(dǎo)葉并不能控制事故，因此還需借助關(guān)閉進(jìn)水口閘門實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。

2.1.2 MARK2

MARK2按照保護(hù)范圍劃分為：MARK2.1水輪機(jī)機(jī)械事故、MARK2.2發(fā)電機(jī)機(jī)械事故。

水輪機(jī)機(jī)械事故包括：水導(dǎo)上油箱油位過低、水導(dǎo)外循環(huán)油泵雙泵全停、水導(dǎo)瓦溫過高、調(diào)速器液壓系統(tǒng)油罐油位過低、調(diào)速器液壓系統(tǒng)油壓過低、調(diào)速器控制柜交直流失電、調(diào)速器電氣柜停機(jī)報(bào)警、轉(zhuǎn)速大于115%Ne且主配拒動、轉(zhuǎn)速大于148%Ne。

發(fā)電機(jī)機(jī)械事故包括：上導(dǎo)油位過低、上導(dǎo)瓦溫過高、推導(dǎo)油位過低、推力瓦溫過高、下導(dǎo)瓦溫過高、定子繞組溫度過高、定子鐵芯溫度過高、定子鐵芯上齒壓板溫度過高、定子鐵芯下齒壓板溫度過高以及發(fā)變組電氣保護(hù)裝置失電或閉鎖。

2.2 防誤動措施及動作后果

PLC中采取了一些必要的防誤動措施。如調(diào)速器液壓系統(tǒng)油位過低采用開關(guān)量模擬量相與的方式（見圖1），可有效避免單一信號的不可信導(dǎo)致誤停機(jī)。

圖1 調(diào)速器液壓系統(tǒng)油位過低判斷邏輯

MARK0與MARK2動作后，觸發(fā)PLC中的快速停機(jī)流程，由PLC自動完成停機(jī)?？焖偻C(jī)流程采用SFC（順序功能塊）編程，快速停機(jī)直接動作緊急停機(jī)電磁閥，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，保證安全的同時實(shí)現(xiàn)快速停機(jī)，確保機(jī)組安全。

MARK0除觸發(fā)快速停機(jī)流程外，還同時緊急關(guān)閉進(jìn)水口閘門。

為了確保機(jī)組事故時能夠可靠快速停機(jī)，并且減輕對機(jī)組的損傷，快速停機(jī)流程做了如下措施：1）水機(jī)事故無需立即切除電氣回路。先快速關(guān)回導(dǎo)葉，待導(dǎo)葉關(guān)回至空載位置時，方才解列，避免直接解列造成過速從而加重機(jī)械部件的損傷。2）優(yōu)先動作緊急停機(jī)電磁閥關(guān)導(dǎo)葉，失效時動作事故配壓閥，進(jìn)水口快速門作為最后一道保險(xiǎn)。3）優(yōu)先采用逆變滅磁，延時10 s未能滅磁跳開直流滅磁開關(guān)，利用滅磁電阻消能。

3 水機(jī)后備保護(hù)

常規(guī)的水機(jī)保護(hù)回路布置在LCU盤柜中，但信號與出口回路完全獨(dú)立于PLC，在PLC故障時仍然可以發(fā)揮作用。

3.1 保護(hù)范圍

常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路較為簡單，保護(hù)范圍主要有三部軸承的軸瓦溫度保護(hù)以及過速保護(hù)。

3.1.1 軸瓦溫度保護(hù)

向家壩水電站水輪發(fā)電機(jī)組分別有10塊上導(dǎo)瓦、24塊推力瓦、16塊下導(dǎo)瓦以及12塊水導(dǎo)瓦。發(fā)電機(jī)儀表柜上裝設(shè)了4塊上導(dǎo)瓦溫表、4塊推力瓦溫表、4塊下導(dǎo)瓦溫表，水輪機(jī)儀表柜上裝設(shè)了4塊水導(dǎo)瓦溫表。瓦溫表的PT電阻與監(jiān)控系統(tǒng)的瓦溫測點(diǎn)相互獨(dú)立。以水導(dǎo)瓦溫為例，12塊水導(dǎo)瓦分別布置一組測溫PT送至LCU RTD模塊，另外再均勻選取4塊水導(dǎo)瓦布置獨(dú)立的共4組PT電阻，分別送至水輪機(jī)儀表柜上的4塊瓦溫表。每塊瓦溫表除了能夠在現(xiàn)地顯示瓦溫外，還能夠送出2個開關(guān)量，一個溫度高信號送至LCU DI模塊，一個溫度過高信號則成為了水機(jī)后備瓦溫保護(hù)的輸入。由于每種軸瓦均有4塊瓦溫表，因此也就具有4個溫度過高的輔助接點(diǎn)。每種軸瓦的溫度儀表送出的4個溫度過高的輔助接點(diǎn)在儀表柜進(jìn)行邏輯組合之后送至LCU盤柜中的常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路。如圖2所示：

圖2 軸瓦溫度保護(hù)邏輯電路

3.1.2 過速保護(hù)

常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路中還設(shè)置了過速保護(hù)，由機(jī)械過速裝置以及轉(zhuǎn)速裝置的150%Ne開關(guān)量觸發(fā)。

3.2 防誤動措施及動作后果

為了提高常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路動作的準(zhǔn)確性，同樣設(shè)置了一些必要的閉鎖條件。考慮到機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時，不會出現(xiàn)機(jī)械過速以及150%Ne的嚴(yán)重過速情況，因此在過速保護(hù)回路中串入發(fā)電機(jī)的出口開關(guān)或者發(fā)變組的出口開關(guān)分閘接點(diǎn)作為閉鎖條件。

常規(guī)的水機(jī)保護(hù)動作后，其出口也是獨(dú)立于LCU，由水機(jī)保護(hù)常規(guī)繼電器開出。其后果包括動作緊急停機(jī)電磁閥、跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、停勵磁、投高壓油，過速保護(hù)動作時除上述后果外，還會動作事故配壓閥、緊急關(guān)閉進(jìn)水口閘門。而且跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)分別由2個單獨(dú)的繼電器開出，保證動作的可靠性。

常規(guī)回路較為簡單，與PLC中的快速停機(jī)流程相比，不能進(jìn)行機(jī)組輔助設(shè)備的順序控制，只進(jìn)行簡單的關(guān)導(dǎo)葉停機(jī)，并不控制機(jī)組油霧吸收、粉塵吸收等輔助設(shè)備。因此，水機(jī)保護(hù)動作的輔助接點(diǎn)也進(jìn)入LCU的DI模塊，在PLC正常的情況下可以觸發(fā)MARK2并啟動快速停機(jī)流程，保證停機(jī)的可靠。

4 故障的分析處理

機(jī)組發(fā)生故障時，監(jiān)控系統(tǒng)會產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號。運(yùn)行人員可利用報(bào)警信號及畫面了解設(shè)備狀態(tài)，快速正確的進(jìn)行事故處理。下面列舉幾種典型的事故處理。

4.1 水機(jī)后備保護(hù)誤動作

2008年8月2 日國內(nèi)某巨型水電站22F正常運(yùn)行過程中，監(jiān)控系統(tǒng)突報(bào)“上導(dǎo)瓦溫過高”、“水機(jī)保護(hù)動作”、“MARK2 動作”、“快速停機(jī)流程動作”，22F事故停機(jī)。

現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)為上導(dǎo)瓦溫表溫度量過高接點(diǎn)誤動作，導(dǎo)致水機(jī)后備保護(hù)動作停機(jī)。運(yùn)行人員可通過以下方式快速正確進(jìn)行判斷處理：1）水機(jī)后備保護(hù)瓦溫過高正確動作時，監(jiān)控系統(tǒng)畫面必然有瓦溫模擬量越限報(bào)警，瓦溫停機(jī)計(jì)數(shù)器大于1。2）水機(jī)后備保護(hù)瓦溫過高正確動作時，監(jiān)控系統(tǒng)必然會接收到該瓦溫表溫度高的報(bào)警。3）基于上述2點(diǎn)，可判斷此次故障為水機(jī)后備保護(hù)誤動作，隔離該瓦溫表之后即可開機(jī)。

4.2 傳感器故障

機(jī)組正常運(yùn)行過程中，某些傳感器故障需要緊急處理，為了防止處理過程中引起水機(jī)保護(hù)誤動，此時應(yīng)采取必要措施。

國內(nèi)某巨型水電站21F正常運(yùn)行時“剪斷銷剪斷”報(bào)警，而剪斷銷剪斷相與過速105%Ne會觸發(fā)MARK0，啟動快速停機(jī)流程并落快速門。此時運(yùn)行人員可作出如下判斷處理：1）退出該臺機(jī)組AGC。2）通過監(jiān)控系統(tǒng)畫面查看頂蓋、水導(dǎo)等各部位振動擺度是否正常。3）機(jī)組正常運(yùn)行時發(fā)生剪斷銷剪斷的概率非常小，此時應(yīng)派值班人員現(xiàn)場檢查是否確實(shí)剪斷，并通知自動分部檢查相關(guān)回路。4）自動分部檢查后發(fā)現(xiàn)為信號器接點(diǎn)誤動，需緊急處理。此時運(yùn)行人員可退出監(jiān)控系統(tǒng)MARK0軟連片或通知自動分部強(qiáng)制該點(diǎn)，防止誤動。待處理完畢后恢復(fù)正常方式。

在LCU中的水機(jī)保護(hù)程序中針對每一類型的設(shè)備均設(shè)置了軟連片，可以在相應(yīng)設(shè)備檢修時靈活的投退。常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路中也設(shè)置了相應(yīng)的硬連片。

4.3 過速保護(hù)動作

2008年3月9 日國內(nèi)某巨型水電站22F在自動開機(jī)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“轉(zhuǎn)速＞115%動作”、“二類機(jī)械事故停機(jī)”、“快速停機(jī)流程啟動”、“緊急停機(jī)電磁閥動作”、“轉(zhuǎn)速＞148%動作”、“一類機(jī)械事故停機(jī)”、“轉(zhuǎn)速＞150%動作”、“水機(jī)保護(hù)動作”、“機(jī)械過速動作”、“進(jìn)水口閘門快速閉門動作”、“事故配壓閥動作”。

運(yùn)行人員可通過對相關(guān)事件、報(bào)警信號分析，進(jìn)行事故處理如下：1）檢查機(jī)組是否停機(jī)正常，導(dǎo)葉是否全關(guān)，鎖定是否投入，快速門是否全關(guān)。2）通過監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)信息畫面迅速查明觸發(fā)停機(jī)的原因。3）分析報(bào)警信息：轉(zhuǎn)速大于115%、大于148%、大于150%同時動作，并且機(jī)械過速動作，可判定轉(zhuǎn)速信號可信，機(jī)組的確過速。4）聯(lián)系維護(hù)人員檢查處理。

事后通過趨勢分析發(fā)現(xiàn)開機(jī)過程中22F導(dǎo)葉在21 s內(nèi)從全關(guān)開至99.8%，最大轉(zhuǎn)速達(dá)163%。做好隔離措施后，維護(hù)人員檢查發(fā)現(xiàn)主配壓閥發(fā)卡導(dǎo)致過速。

事故停機(jī)后，維護(hù)人員處理完畢如需開機(jī)，此時應(yīng)注意：1）機(jī)械過速動作，應(yīng)聯(lián)系維護(hù)人員將該裝置復(fù)歸。2）緊急停機(jī)電磁閥或事故配壓閥動作，應(yīng)在監(jiān)控系統(tǒng)水輪機(jī)畫面進(jìn)行事故復(fù)歸。3）水機(jī)保護(hù)動作，應(yīng)在LCU本地柜上通過“復(fù)歸”按鈕進(jìn)行復(fù)歸。4）MARK動作，應(yīng)在保護(hù)信息畫面進(jìn)行事故復(fù)歸。再次檢查保護(hù)信息畫面無報(bào)警信息后，方可開機(jī)。

5 結(jié)語

本文對PLC程序和常規(guī)水機(jī)保護(hù)回路進(jìn)行了分析，主要對保護(hù)范圍、動作后果及注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，可為水機(jī)保護(hù)的設(shè)計(jì)及事故處理提供一定的參考。

[1]楊 云,潘苗苗,洪 浩,等.三峽電廠監(jiān)控LCU程序設(shè)計(jì)中信號處理技術(shù)研究[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2007(6).

[2]楊 云,程 建,洪 浩,等.三峽電廠右岸監(jiān)控系統(tǒng)中的智能協(xié)調(diào)[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2009(3).