Analysis of the existing problems of hydraulic turbine protection in hydraulic power plant and research on optimization scheme
LIU Hanqing
Huadian Electric Power Research Institute Co.,Ltd, Hangzhou 310030, Zhejiang Province,China
摘要：本文阐述了水力发电厂水轮机保护系统目前存在的问题，根据国家、行业标准的相关要求，从水轮机保护系统配置、水轮机保护设计逻辑组态等方面分析水轮机保护存在的问题，并针对水机保护所存在的问题进行优化方案研究，提出合理性保护策略，完善每一套水轮机保护逻辑，提高水轮机保护系统可靠性，为机组安全、稳定、经济运行提供强有力的保障。
关键词：水轮机保护 优化方案 水力发电厂
ABSTRACT: This paper expounds the present problems of hydraulic turbine protection system in hydraulic power plant , according to the requirements of the relevant national and industry standards, from the turbine protection system configuration, and design of hydraulic turbine protection logic configuration analysis problems of hydraulic turbine protection, and aimed at the problem of the generator protection by optimization research, put forward reasonable protection strategy, improve each set of hydraulic turbine protection logic, improve reliability of hydraulic turbine protection system, to provide safe,stable and economic operation of the powerful guarantee.
KEY WORDS:hydraulic Turbine protection optimization scheme hydroelectric power plant
前言
随着水力发电的迅猛发展，高水头、大容量机组装机越来越多，已成为水力发电发展的主流，水轮机保护系统扮演着越来越重的角色，是水力发电机组安全、稳定、经济运行的有效保障。但水轮机保护系统设计仍存在诸多问题，部分保护长期处于退出状态，不能很好的为机组安全稳定运行保驾护航。
1水轮机保护存在的问题
1.1水轮机保护系统配置问题
根据相关标准要求，水轮机保护系统应采用“监控PLC+事故（水机）PLC或者水轮机保护硬回路”的冗余模式，但部分水电厂未设计独立于监控PLC的水机PLC和水机保护硬回路，即使水轮机保护系统配置有水轮机保护硬回路或水机PLC，但电源、保护信号均未独立于监控PLC，仍存在监控PLC故障时水轮机保护失效的隐患。
1.2水轮机保护逻辑设计问题
水力发电厂根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全[2014]161）及相关标准要求，结合机组实际情况，设置相应的水轮机保护项目，但其中轴承温度过高、机组电气115%过速、轴承冷却水中断、轴承外循环油中断、顶盖水位过高、尾水水位过高、拦污栅差压高等停机保护逻辑不完善，仍存在拒动、误动的潜在风险。
1）轴瓦过热保护配置过于集中，存在拒动风险。一是轴瓦温测点均集中于同一块采集卡上；二是轴瓦温度过高保护均在监控PLC中，水机PLC或者水机保护硬回路中未配置轴瓦温保护，温度保护冗余程度不高。
2）轴承温度过高保护信号为模拟量测点，没设置防“断线、跳变”的有效措施。
3）机组电气115%过速保护判据不完善，存在误动风险。
4）轴承冷却水中断、轴承外循环油中断、顶盖水位过高、尾水水位过高、拦污栅差压高等保护动作判断信号为单点，且没有相应的防抖措施，存在误动的风险。
2水轮机保护存在的问题及优化策略研究
2.1水轮机保护系统硬件配置优化
根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全[2014]161）及NB/T 35004-2013《水力发电厂自动化设计技术规范》相关要求，为了提高水机保护系统可靠性，水机保护系统硬件配置应为“监控PLC+事故PLC”或者“监控PLC+水机保护硬回路”的冗余模式，事故PLC或者水机保护硬回路驱动电源应为双电源，且信号、电源均独立于监控PLC。
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2.2 水轮机保护逻辑优化
2.2.1温度过高保护
机组上导、下导、水导、推力轴承和定子铁芯及绕组温度等测点故障率比较高，温度跳变、断线事情经常发生，水电厂采取“2个以上温度测点达停机值且延时0.1～1s触发水机保护动作”的优化策略，但仍存在一些问题，具体问题及优化方案如下：
1）同一轴承温度测点均集中在同一采集卡，存在采集卡故障而导致保护失效的问题，建议将同一轴承测点，尽量分布在不同采集卡上，避免采集卡故障导致温度保护失效的事情发生。
2）温度检测宜采用双支的铠装式温度传感器，同一测点便于分别送入监控PLC和水机PLC，实现温度保护冗余配置，提高温度保护可靠性。
3）PLC数据采集卡一般都不具备热拔插和坏质量保持功能，断线、拔插卡件均会出现测点数值初始最大化，因此温度保护延时1～3秒，避免测点断线、信号跳变及PLC采集卡重启自检过程中出现温度保护动作的事情发生。
4）温度测点断线、跳变概率非常高，因此为了提高温度保护可靠性，应设置断线、温度超限、温度跳变等品质判断功能，避免温度测点异常时触发水机保护误动事情发生。
5）绝大多数水电厂上导、下导、推力、水导轴承和定子绕组及铁芯等温度保护，都是共一个投切压板，存在压板退出而所有温度保护失效的问题，鉴于温度测点故障率之高，应独立设置相应的投退压板，并引入监控系统，便于检修维护。
2.2.2电气115过速保护
机组一级过速115%保护常规判据为“机组转速大于115%&主配拒动，延时0.1～1s”，但由于机组引水系统惯性时间、调速器系统机械时间和数据采集响应时间的存在，当机组甩负荷时，转速飞升，调速器系统调节不一定及时，主配拒动信号存在，则会引起一级过速保护保护动作，导致不必要的停机。因此，针对“115%保护”采取以下优化方案：
1）转速大于115%时，对机组转速进行判断，如果在一定时间内转速仍处于上升期，且主配阀拒动，则触发一级过速115%保护动作。
2）转速大于115%，且转速继续上升，延时数秒（导叶关闭时间），且导叶未关闭，则触发机组事故停机。
3）转速大于115%时，数秒内导叶关闭了一定开度值，说明调速器系统在调节，可以不用触发115%过速保护动作。
2.2.3轴承冷却水中断保护
轴承冷却水中断不利于机组轴瓦冷却，甚至发生烧瓦事故，根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全[2014]161）要求，水轮机保护应配置轴承冷却水中断保护，由于受现场测点的限制，绝大多数水电厂轴承冷却水中断保护均为单点保护，延时时间在0.1～0.5s之间，且热导流量目前无法进行定期检定，因此轴承冷却水中断保护存在误动问题。为了使该项保护既满足标准要求，又能提高可靠性，采取以下优化方案：
1）在轴承冷却水管道上增加压力或流量测点，并引入逻辑组态，即“转速大于5%&轴承冷去水压力低（或流量低）&轴承冷却水中断”，延时触发事故停机。
2)如果在轴承冷却水进水侧无法增加测点，保护判断逻辑可以引入轴承冷却水回水管压力或者流量测点，即“转速大于5%&冷却水回水压力或者流量低&轴承冷却水中断”，延时触发事故停机。
3）轴承冷却水中断保护中，适当参考轴瓦温度，即“轴承冷却水中断&任意1个或多个轴瓦温度高”，延时触发事故停机。
2.2.4推力循环油中断保护
推力循环油中断保护配置同样存在“轴承冷却水中断保护”的类似问题，可以采取“轴承冷却水中断保护的”优化方案。
2.2.5其他保护
水力发电厂为了有效保护机组安全稳定运行，根据各厂的实际情况，也设计了“顶盖水位高、拦污栅差压高、尾水水位过高”等，这些保护均为单点保护，存在误动风险，针对各项保护采用以下优化方案：
1）顶盖水位高、尾水水位过高：采用模拟量&开关量，延时触发事故停机。水位高报警值前移，给运行监控人员足够的应急处理反应时间，避免拒动情况发生。
2）拦污栅差压高保护：差压开关&拦污栅前后水位差值大于一定值，延时启动事故停机；
结语
水轮机保护系统涉及面比较广，其保护信号检测元件及装置、保护回路、电源、PLC配置及逻辑组态等，均是水机保护系统可靠性的制约因素，只有在水轮机保护系统配置齐全和逻辑组态完善的情况下，才能提高水轮机保护系统的可靠性，为水力发电机组安全稳定经济运行保驾护航。
参考文献:
[1]NB/T 35004-2013《水力发电厂自动化设计技术规范》
[2]（国能安全[2014]161）《防止电力生产事故的二十五项重点要求》
[3]杨虹《水力发电厂自动化元件与状态监测及故障诊断技术》
[4]陈兵阳 赵馨等《水轮机115_额定转速过速保护误动解决方案》水电自动化与大坝监测第35卷第5期
作者简介：
刘汗清(1984- )，男，大学本科，工程师，从事火力发电厂热控自动控制和水力发电厂自动化等方面相关的技术服务和技术监督工作。
论文作者:刘汗清
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/9
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