張昌勝，肖冉娉，黎先兆，高啟迪，蔣小輝

（1.三峽大學(xué)科技學(xué)院 機(jī)械電氣學(xué)部，湖北 宜昌 443002；2.泰國國家發(fā)展管理學(xué)院 國際商務(wù)管理系，泰國 曼谷 10700）

0 引 言

大型水電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)安全供電至關(guān)重要。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，快速使機(jī)組解列是保護(hù)電網(wǎng)安全的一種重要措施。在進(jìn)行機(jī)組保護(hù)時(shí)，通常分為主保護(hù)和后備保護(hù)兩種。傳統(tǒng)后背保護(hù)通常由繼電器-接觸器構(gòu)成保護(hù)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維護(hù)困難。現(xiàn)代大型水電機(jī)組后備保護(hù)均基于PLC組成，系統(tǒng)簡單，保護(hù)實(shí)現(xiàn)程序化，在水電廠應(yīng)用廣泛。

1 水電機(jī)組分類及結(jié)構(gòu)

水電機(jī)組包括水輪機(jī)部分和發(fā)電機(jī)部分。水輪機(jī)從結(jié)構(gòu)形式上分為反擊式和沖擊式兩種。前者充分利用自然優(yōu)勢(shì)獲得水的動(dòng)能和水壓能，可以分為混流、軸流、斜流和貫流4類；后者與前者有較小的差別，僅僅利用水流獲得動(dòng)能，利用水流獲能方式不同主要有斜擊、水斗等[1]。水輪機(jī)的主要部件包括水輪機(jī)的主軸、轉(zhuǎn)輪及尾水機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪承受水壓并將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，主軸將轉(zhuǎn)輪獲得的機(jī)械能轉(zhuǎn)遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，尾水機(jī)構(gòu)將做功后的水引流至下流并回收剩余水能。發(fā)電機(jī)部分包括定子、轉(zhuǎn)子及端蓋等。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場并在主軸的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)定子做切割磁感線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，定子中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)對(duì)負(fù)載供電，端蓋將定子、轉(zhuǎn)子等部件密封在金屬殼體內(nèi)。

2 水電機(jī)組后備保護(hù)

2.1 過速保護(hù)

水電機(jī)組啟動(dòng)靈活，常用于電力系統(tǒng)中的調(diào)峰調(diào)頻。當(dāng)電機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷或故障切除時(shí)，往往造成發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率變化和過電壓現(xiàn)場，嚴(yán)重時(shí)可造成系統(tǒng)大面積解列。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速高于一定值時(shí)，機(jī)組應(yīng)快速切除，以保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。過速保護(hù)系統(tǒng)一般由電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械液壓系統(tǒng)組成。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高，保護(hù)系統(tǒng)將控制液壓設(shè)備的啟動(dòng)，關(guān)閉導(dǎo)葉，并停止轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，確保水電站安全運(yùn)行。

2.2 低油壓保護(hù)

油壓裝置的作用是推動(dòng)導(dǎo)葉活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰。油壓過低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組失速、潤滑油膜破壞、軸瓦及軸承損壞，引發(fā)重大機(jī)械事故。一般來說，低油壓保護(hù)應(yīng)具備以下功能：當(dāng)潤滑油的油壓低于正常值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)采取相應(yīng)措施恢復(fù)油壓；當(dāng)繼續(xù)低于低限時(shí)，立即斷開機(jī)組出口斷路器，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.3 過流保護(hù)

過流保護(hù)的目的是將輸出電流控制在固定范圍內(nèi)，并在輸出電流短路或過載時(shí)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)或負(fù)載。然而，目前常用的過電流保護(hù)電路基本存在著不可靠、過電流關(guān)斷功耗等問題，限制了過電流保護(hù)電路的應(yīng)用范圍。過流保護(hù)裝置應(yīng)具備選擇性、可靠性、快速性和靈敏性。

2.4 溫高保護(hù)

水輪機(jī)在運(yùn)行過程中由于定子發(fā)熱、三部軸承軸瓦摩擦發(fā)熱等，往往造成軸承軸瓦溫度過高變形，致使主軸與軸瓦間隙不均勻，主軸擺度過大造成機(jī)械不穩(wěn)定。此外，定子發(fā)熱過大易導(dǎo)致定子間隙絕緣破壞及其機(jī)械強(qiáng)度下降。水輪機(jī)導(dǎo)軸承軸瓦溫度要求一般在60～70 ℃，65～70 ℃報(bào)警，70 ℃跳閘。它的潤滑油溫度不得高于50 ℃。

3 后備保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的大型水電機(jī)組后備保護(hù)系統(tǒng)包含上位機(jī)層和下位機(jī)層[2]，如圖1所示。上位機(jī)層選用工控機(jī)，集成監(jiān)控和保護(hù)畫面。下位機(jī)層選用PLC，底層選用智能型傳感器。傳感器采集機(jī)組壓力、溫度、速度、出口電壓及電流傳輸至PLC。下位機(jī)可根據(jù)當(dāng)前采集值做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)將采集值輸送至上位機(jī)保存，供歷史曲線分析、查詢。

圖1 系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

下位機(jī)系統(tǒng)控制器采用西門子S7-1215系列PLC，集成8通道模擬量輸入模塊AI、32通道數(shù)字量輸入模塊DI、16通道數(shù)字量輸出模塊DO及觸摸屏[3]，如圖2所示。模擬量輸入模塊AI采集采集機(jī)組壓力、溫度、速度、出口電壓及電流信號(hào)，數(shù)字量輸入模塊DI采集開關(guān)量速度過限、溫度過限和壓力過限信號(hào)。

圖2 PLC系統(tǒng)硬件組成

4 后備保護(hù)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC同時(shí)采集傳感器傳輸?shù)膲毫Α囟?、速度、出口電壓及電流模擬量值及速度過限、溫度過限、壓力過限開關(guān)量值，二者在程序中采用并聯(lián)方式[4]。壓力過低時(shí)，PLC開出壓力裝置加壓，延時(shí)一定時(shí)間，再次判斷壓力是否過限。如果依然壓力過低，則開出停機(jī)指令。溫度過高及速度過限流程與壓力過低相近。PLC后備保護(hù)流程，如圖3所示。

圖3 PLC后備保護(hù)流程圖

5 結(jié) 論

本文基于上、下位機(jī)模式設(shè)計(jì)大型水電機(jī)組的后備保護(hù)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及保護(hù)程序。工控機(jī)作為上位機(jī)，存儲(chǔ)機(jī)組壓力、溫度、速度、出口電壓及電流等數(shù)據(jù)，供歷史曲線查詢及分析。以PLC系統(tǒng)作為下位機(jī)，通過傳感器采集壓力、溫度、速度、電壓、電流數(shù)字量及模擬量值，依據(jù)內(nèi)部低油壓、溫度過高、過速等保護(hù)流程做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，以保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。