纯机械过速保护装置在长潭水电厂的应用

张家勇，黄 彬

(广东粤电长潭发电有限责任公司，广东 梅州 514100)

1 概 述

长潭水电厂位于广东省梅州市，安装有4台单机容量为15.5 MW的立式混流式机组，额定水头42 m，最大水头46.7 m，最小水头34.1 m，额定出力15.5 MW，额定转速214.3 r/min，飞逸转速446 r/min。在2019—2020年机组检修季期间，长潭水电厂对4台机组加装了ALSTOM生产的DEVSS系列机械过速保护装置，确保机组的安全运行。

2 安装必要性

长潭水电厂自1987年投运以来，设置有115%ne、140%ne电气一级、二级过速保护，未设置有纯机械过速保护功能；当电气过速保护系统故障或调速器失电时,机组转速可能上升至飞逸转速,将产生巨大的离心力，造成机组振摆急剧增大；有可能会使得机组转动部分与固定部分产生碰撞，造成严重的人身事故和设备事故。

《防止电力生产事故的二十五项重点要求》第23.1.1条规定：“电厂应设置完善的剪断销剪断、调速系统低油压、电气和机械过速等保护装置”；第23.1.8条规定：“大中型水电站应采用‘失电保护’规则，在水轮发电机组的保护和控制回路电压消失时，使相关保护和控制装置能够自动动作关闭机组导水机构”。

因此，水电机组应安装纯机械过速保护装置，其工作原理为当电气一级、二级过速保护失效时，机组转速继续上升到机械过速保护装置动作值，机械过速保护装置动作于事故配压阀，直接关闭水轮机导叶，使机组紧急停机，防止飞逸事故。由于纯机械过速保护装置只需通过机械信号即可动作关停机组，可靠性高，与电气一级、二级保护形成互补，可确保机组安全运行。

3 DEVSS纯机械过速保护装置结构介绍

DEVSS机械过速保护装置主要由离心探测器、安装环、配重块、脱扣器和配压阀等部件组成。离心探测器、配重块、安装环固定在机组的大轴上，与大轴一起旋转；脱扣器、配压阀固定在机架上，不随着大轴转动；离心块与脱扣器摆轮安装间隙精确整定为3.0 mm(见图1)。

图1 机械过速保护装置结构图

离心块通过弹簧预压缩设置了一定的预紧力，该预紧力略小于过速保护动作转速时的离心力。机组在额定转速时，由于弹簧预紧力大于离心块离心力，离心块不会向外移动，离心块与摆轮之间的间隙无变化；当机组转速逐渐增大，开始接近动作转速时，离心块才完全克服预紧力开始向外运动；当达到动作转速时，离心块几乎瞬间甩出，快速撞击摆轮，使脱扣器转动，脱扣器凸轮推动配压阀的阀杆，切换配压阀油路，动作于事故配压阀，通过事故配压阀关闭导水机构，从而使机组停机。机械过速保护装置动作过程如下所示(见图2、图3)。

图2 离心探测器、脱扣器、配压阀结构图

图3 液压原理图

4 保护动作值的整定

机械过速保护动作值是一个很关键的数字，《水电机组机械液压过速保护装置基本技术条件》(NB/T 35088—2016)4.2.2.10 条规定：对于常规水电机组，过速保护整定值可按水电机组制造厂确认的过渡过程机组转速上升最大值加5%额定转速设定，整定值加上动作偏差不应大于机组的最大飞逸转速。长潭水电厂机组设计转速上升最大值不超过145%ne。

在实际应用中，国内水电站整定值基本在140%～150%ne之间，大多数飞逸转速/额定转速比值大、安全裕度高的水电站，机械过速保护动作值选定为150%ne；少数飞逸转速/额定转速比值小、安全裕度低或投运时间较久的水电站，会选择比较小的保护动作值。考虑到长潭水电厂机组飞逸转速比值/额定转速比较大，安全裕度较高，因此长潭水电厂初期投运的2台机组保护动作值选定为(145%+5%)=150%ne。

考虑到长潭水电厂最近几年甩满负荷时出现的最大瞬态转速实际值仅为133.8%ne，因此可考虑在满足过渡过程调节的要求下，将动作值进一步调低，这样更有利于保护机组。本厂机械过速保护动作值应满足以下条件：

(1)应大于138.8%ne，即本厂机组调节保证最大瞬态转速实际值133.8%ne+5%。

(2)机械过速保护作为最后一道保护，动作值应大于电气二级保护动作值(140%ne)。

2)辅助授粉。果园放蜂：花期果园放蜂可明显提高坐果率，且节约人工。蜂箱放置不宜太分散，可按15～22.5亩放置1个蜂箱。尽量避开花期打农药。花期昆虫活动频繁，农药的喷施会影响昆虫到花朵的到访。人工授粉：授粉宜在盛花初期进行，花朵开放当天授粉较佳。用铅笔的橡皮头蘸花粉点授中心花，蘸一次花粉点授3～5朵花。花期连续授粉2～3次效果更好。也可以用水10公斤、砂糖1公斤、尿素30克、花粉50毫克、硼酸10克的悬浮液喷雾授粉，要求悬浮液即配即用，2小时内喷完，效果也很好。

(3)在满足(1)和(2)的条件下数值尽量小，且又能明显区分于电气二级保护动作值。

经过综合分析，最终确定后期投运的2台机组机械过速保护动作值选定为143%ne。

5 试 验

5.1 出厂前试验

机械过速保护装置动作值精度要求满足《水电机组机械液压过速保护装置基本技术条件》中规定：

(1)其内置弹簧的特性线应为线性，在连续无故障运行35 000 h后，由于其弹性常数漂移引起的机械液压过速保护装置动作值偏差δ应不超过±1.0 %。

(2)出厂前试验，试验次数应不少于5次，动作值偏差δ均应不超过±1.0%。

(3)现场试验时动作值偏差δ应不超过1.5%。

每台机械过速保护装置出厂前均在仿真试验台上分别做了10次试验，试验数据如下所示(见表1)。从表中可看出，出厂前试验结果是优于国标要求的。

表1 出厂前试验数据

5.2 现场试验

长潭水电厂先后对4台机组进行了纯机械过速保护装置现场试验，试验步骤及要求如下：

(2)检查机组空转运行正常。

(3)将调速器转为“现地”、“电手动”、“开度调节”、“导叶比例阀控制”方式运行状态。

(4)操作将调速器电气开限设置为60%。

(5)用电手动的方式匀速增加导叶开度，将机组转速升到120%ne(对应机组频率为60 Hz、或257.2 r/min)暂停，各部监视人员监视机组转速上升到120%ne运行无异常。

(6)用电手动的方式匀速增加导叶开度，将机组转速升到目标转速145%ne(对应机组频率为72.5 Hz、或310.8 r/min)，各部监视人员监视机组转速上升运行情况，如出现异常应立即报告。一般异常情况应降回100%ne转速后停机，严重异常情况应进行紧急落闸停机。

(7)监视机组转速达到纯机械过速保护定值(143%ne，对应机组频率为71.5 Hz、或306.5 r/min)时，机组纯机械过速保护应动作。

(8)如果机组转速达到145%ne(对应机组频率为72.5 Hz、或310.8 r/min)时，机组纯机械过速保护未能动作，操作人员应立即减小导叶开度降机组转速到(100%ne，对应机组频率为50 Hz)，再操作将机组自动停机。

(9)如果机组转速超过145%ne(对应机组频率为72.5 Hz、或310.8 r/min)时，机组纯机械过速保护未能动作，由运行人员操作进行紧急落闸停机。

试验过程中，机械过速保护装置动作流畅可靠，现场试验实际动作值均为负偏差，且优于能源部标准规定的偏差δ均应不超过±1.0%的要求，说明装置动作准确可靠(见表2)。

表2 现场试验数据

6 结 语

DEVSS机械过速保护装置结构简单可靠，能在电气过速保护拒动或误动，当调速器失电时，可仅靠机械液压系统将机组关停，为水电站机组提供最后一道保护，确保了机组安全运行。