水机保护在峡口塘电厂中的应用及优化

赵 晨，李明武

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

峡口塘水电厂位于湖北省利川市西南部郁江干流(湖北段)中下游，共安装2台单机容量29 MW的立式混流式水轮发电机组。水电厂配置合理的水机保护可有效防止事故的产生和避免事故扩大，从而保障人和设备的安全不受损害并将损害降到最低限度。自俄罗斯萨扬特大水电厂事故以来，行业对于水电厂的安全提升到了新的层面，而水机保护设计的科学性、运行的可靠性首当其冲，在许多技术会议的讨论、相关标准文件的修编中也进行了强调和规范[1]。本文简要介绍了峡口塘电厂水机保护的配置情况，以及参照行业标准《DL/T 1969-2019 水电厂水力机械保护配置导则》，提出了对部分水机保护回路的优化改造方案。

1 峡口塘电厂水机保护配置

水机保护由独立于水电厂计算机监控系统的、用于实现水力机械保护功能的可编程控制器或简化的独立继电器回路实现，是水轮发电机组及辅助设备出现事故、紧急事故时能实现事故停机、紧急事故停机的保护[2]。

1.1 峡口塘电厂水机保护类型

峡口塘电厂水机保护设有保护电气事故、机组轴瓦温度过高保护、调速器事故低油压保护、机组过速保护等。

1)保护电气事故。发电机保护作用于水机保护事故停机。发电机差动保护、定子接地保护等保护动作时，动作跳闸并将保护动作信号送水机保护启动事故停机。

2)机组轴瓦温度过高保护。水轮发电机组轴承(上导、推力、下导、水导)温度升高通常是由于冷却效果不良或冷却水水压低、冷却水中断等原因引起，如不及时消除，将会导致烧瓦事故的发生。

3)调速器事故低油压保护。调速器事故低油压是由于调速器压油系统油泵故障或管路漏油、跑油等原因导致调速器油压降低到事故低油压定值。调速器事故低油压会导致机组导叶失控，并网机组无法调节负荷，一旦此时机组事故跳闸，会导致机组过速甚至发生飞逸事故。

4)机组过速保护。机组过速的原因有并网机组突然甩负荷；调速器失灵，如：调速器测频信号故障或消失，调速器压力油混有杂质或铁屑导致调速器收到正常关闭导叶命令后主配发卡[3]等。机组发生过速事故，会损害水轮发电机组部件，如不及时消除，进一步发展为飞逸事故，将严重危害机组、电厂安全运行。

1.2 峡口塘电厂水机保护配置

峡口塘电厂水机保护回路分为事故停机和紧急事故停机，由独立于水电厂计算机监控系统的若干中间继电器、按钮、压板等组成的继电器逻辑回路实现，如图1和图2所示。

图1 水机保护图1

1)事故停机。事故停机起动源包括保护电气事故-2SZJ、机组轴瓦温度过高-1SZJ、调速器事故低油压-5SZJ，事故停机启动后中间继电器-STJ1、-STJ2、-STJ3动作，动作于跳灭磁开关、励磁停机、调速器停机、投调速器紧急停机电磁阀。

2)紧急事故停机。紧急事故停机起动源包括电气过速145%额定转速-3SZJ、机械过速154%额定转速-7SZJ、事故停机(-STJ2)过程中剪断销剪断-4SZJ、手动紧急停机按钮按下，紧急事故停机启动后中间继电器-JTJ1、-JTJ2动作，动作于快速关闭进水蝶阀，同时跳灭磁开关、励磁停机、调速器停机、投调速器紧急停机电磁阀。

2 峡口塘电厂水机保护优化

2.1 水机保护供电回路优化

峡口塘电厂水机保护采用DC220V直流电源，由机组现地控制单元LCU一路AC220V交流电源、一路DC220V直流电源经NSD RDQH-100双电源自动切换开关整流后所得的DC220V直流电源供电，如图3所示。

图2 水机保护图2

图3 水机保护回路电源图

为了保证水机保护回路电源稳定、可靠，并独立于机组LCU，使之符合《DL/T 1969-2019水电厂水力机械保护配置导则》《DL/T 5065-2009水力发电厂计算机监控系统设计规范》中水力机械保护回路的电源应独立于机组现地控制单元LCU的电源[2,4]的规定，拟将水机保护供电回路优化为直接自电厂DC220V直流系统取电，分别自电厂DC220V直流系统Ⅰ段、Ⅱ段馈电母线取一路电源作为1、2号机组水机保护电源开关-3QF2进线电源。

2.2 机组轴瓦温度过高保护回路优化

峡口塘电厂机组轴瓦温度过高保护有上导瓦温过高保护2个、推力瓦温过高保护4个、下导瓦温过高保护2个、水导瓦温过高保护1个。每个轴瓦温度过高保护由同一轴承临近的2块瓦温表的温度过高报警接点串联输出启动事故停机。

原瓦温表采用主机厂配套的亿江WP-C型温度监控仪，该温度表受电磁干扰等影响输出不稳定，易造成水机保护误动，且易损坏，导致成本较高。为提高水机保护的可靠性，参照清江公司多年实践经验，将瓦温表全部更换为法国JM Concept公司XALIS 3400P1型温度表，可防电磁干扰等，具有极高的可靠性和稳定性。

此外，该温度表电源为AC220V，其可靠性受厂用电可靠性影响。为防止该温度表在倒厂用电等情况下出错，甚至于误动，将该温度表电源改造为由电厂DC220V直流系统经开关电源输出DC24V电源供电。

通过将轴瓦温度表更换型号并采用直流电源后，实践运用证明，极大提高了机组轴瓦温度保护的可靠性。

2.3 调速器事故低油压保护回路优化

峡口塘电厂调速器事故低油压保护仅启动事故停机，中间继电器-STJ1、-STJ2、-STJ3动作，动作于跳灭磁开关、励磁停机、调速器停机、投调速器紧急停机电磁阀。而机组在调速器事故低油压的情况下，应启动紧急事故停机，关闭进水蝶阀，可靠截断上游来水，切断水轮机原动力，保障机组安全。为符合《DL/T 1969-2019水电厂水力机械保护配置导则》中调速器压力降低到事故低油压定值时应动作于紧急事故停机[2]的规定，将中间继电器-5SZJ事故低油压开出接点改接至水机保护紧急事故停机回路，如图4所示。

图4 优化后事故低油压保护回路图

2.4 水机保护关进水蝶阀回路优化

峡口塘电厂为坝后引水式电站，每台机组蜗壳前装有1台直径3.5 m的洪城PDF100-WY-430型进水液压蝶阀。该进水液压蝶阀系统由液压蝶阀主阀、液压旁通阀、液压锁锭、机械锁锭、旁通管路系统、排气系统及液压系统等组成。机组在任何运行工况下，该进水蝶阀能动水关闭，且不产生有害振动[5]，关闭时间满足机组防飞逸保护的要求[6]。当机组发生过速事故，机组转速升高到整定值的情况下，水机保护启动紧急事故停机，关闭进水蝶阀能可靠截断上游来水，切断水轮机原动力，防止事故扩大化，保证机组安全。

峡口塘电厂水机保护启动紧急事故停机后中间继电器-JTJ1动作，动作于关闭进水蝶阀。优化改造前，中间继电器-JTJ1紧急事故停机动作开出关闭进水蝶阀的接点接入机组进水蝶阀控制系统PLC的“远控-紧急关阀”开入接点，由PLC紧急关阀流程关闭进水蝶阀。

进水蝶阀PLC紧急关阀流程为：关主阀→投液压锁锭→关液压旁通阀，需满足前置条件：主阀全开到位、液压旁通阀全开到位、液压锁锭拔出到位、机械锁锭拔出到位。在机组出现过速事故，水机保护紧急事故停机启动紧急关闭进水蝶阀时，若出现①因行程开关故障等原因导致主阀全开到位、液压旁通阀全开到位、液压锁锭拔出到位、机械锁锭拔出到位信号之一消失，不满足进水蝶阀PLC紧急关阀流程条件；②进水蝶阀PLC失电、故障等情况时，将不能可靠关闭进水蝶阀，使得事故扩大，危害机组安全。

为防止出现上述情况，将中间继电器-JTJ1紧急事故停机动作关闭进水蝶阀开出接点改接至进水蝶阀独立于PLC的紧急关阀回路，如图5所示，使水机保护启动紧急事故停机时，中间继电器-JTJ1动作，能可靠关闭进水蝶阀，切断水轮机原动力，防止事故扩大化，保证机组安全。

图5 优化后水机保护紧急关阀回路图

3 结 语

本文简要介绍了峡口塘电厂水机保护的配置情况，以及参照行业标准提出了对部分水机保护回路的优化改造方案。上文所述优化改造方案，轴瓦温度保护、水机保护关进水蝶阀回路优化方案已实施改造，经模拟试验验证，能可靠、正确动作；水机保护供电回路优化、调速器事故低油压保护回路优化方案暂未实施，待择机进行改造。作为水电厂机组机械部分故障时的主要保护，水机保护配置的完善与否直接影响机组的安全稳定运行，水机保护的合理优化为峡口塘电厂水轮发电机组的稳定运行提供了可靠保障。