发电机水机保护的改进应用

李益明

摘 要：水电站紧急停机保护通常也称作水机保护回路，是水电站安全运行的一道保护屏障。探讨了利用PLC来完成水机保护自动化功能，从设计方案、设计原则等方面进行描述，表明基于PLC的水机保护系统的优势和特点。

关键词：水机保护；可编程控制器PLC；水电站

1 引言

目前，水轮发电机组水力机械保护倾向选用独立于机组 LCU电源、回路、CPU的PLC控制系统，这样可保证出口单位紧急动作，并根据故障类别将信息传输到单元LCU启动相应的停机程序，设计的灵活性让系统运行的稳定性大大提高。此系统的应用，相对于传统的电路而言，可把水电厂行业安全推广了一个较高的水平，对水资源保护的科学性和可靠性大大提高。但以前对于机组的水机保护的重视不够，相关的研究较少。而这种类型的机组在一些地区应用较多，有必要进行研究。本文對于发电机保护水机的应用进行了讨论。

2 基于PLC的水机保护系统的优越性

基于PLC的水机保护系统比传统的断电器形态下的水机保护系统具有许多优点，一是保护制水机采用了一套独立的工业级PLC，集成的DI、DO、AI、RTD模块，信号处理不受限制，可靠性高，具体良好的整合性；二是通过PLC编程，可以实现各种保护控制逻辑，形成各种报警、关机逻辑，调试、运行和维护的工作量大大减少，功能扩展灵活方便；三是可直接存取单元的模拟量和RTD的量，并且可方便地实现模拟量、RTD量的各种组合判断方案，判断功能包括断线、梯度变化测量等；四是水机保护动作过程中可以自动记录，并能确定时间，方便事故分析。

2.1 保护范围

PLC编程更灵活，保障范围可以涵盖所有关键部件。根据故障的严重程度分为MARK0一类机械事故，MARK2二类机械事故。之间的差异在于MARK0和MARK2是主要的行动的后果：MARK2一般代表的机械事故，导叶关闭，停机即可；MARK0表示严重的机械事故，除了关闭导叶外，还需要紧急关闭进水口闸门。在PLC中使用MARK来定义的各类安全事故，不仅可以方便设计不同的紧急行动、保护的过程中，还可以帮助运营商快速确定故障的性质和采取相应的措施。

⑴MARK0。保护范围：MARK0转速大于115%Ne（额定转速，下同）且调速器故障、紧急停机时剪断销故障、机械过速保护装置动作、转速大于150%Ne、事故低油压、进水口闸门下滑至事故位等。上述几种故障的发生，表明涡轮导向叶片可能会失控，或者干脆关闭导叶，并无法控制事故，因此还需要关闭入口闸门实施机组停机。

⑵MARK2。MARK2机械分为水轮机机械事故和发电机机械事故。如：转速大于115%Ne、冷却水中断、温度保护等以及变压器电气保护装置的电源故障或闭锁。

2.2 防误动措施及动作后果

PLC采取一些必要的措施，以防止误操作。如调速液压系统油位过低采用开关模拟量相结合的模式，可以有效地避免单一的信号不能被信任造成误关机。

MARK0和MARK2行动，快速关断过程中，由PLC自动停机。快速关机过程中使用SFC（顺序功能块）编程，快速停止紧急停机电磁阀，快速关闭导叶的直接行动，可确保安全快速关机。 MARK0快速关机的过程中，紧急关闭入口闸门。为了确保该单位事故可以可靠地快速停止和减少损害的单位，快速关机过程中提出了以下措施：一是水机事故没有立即切除电路。要迅速关闭导叶，导叶回到怠速位置，避免造成过速从而提高机械部位的损伤；二是先行动紧急停机电磁阀关闭导叶，故障动作分配阀，进水口快速门作为最后一道保险故；三是优先采用变频，延时5s未能灭磁跳开直流灭磁开关，利用灭磁电阻消能。

3 基于PLC的水机保护系统的设计

保护水机系统的PLC相对于水机保护系统的传统的继电器形式的基础上，在进行结构设计时要结合自身的特点，以下是设计的注意事项：一是基于PLC系统的水机保护应采用一套独立的PLC完成，由于信号采集量不大，PLC可用于小型产品。二是基于PLC的水机保护系统，可独立设置屏幕，可以还可以设置屏幕监控系统的控制面板。在任何情况下，面板、电源电路设计，采用开放的回路电缆设备，不与计算机监控系统的回路并接。三是基于PLC的水电站计算机监控系统的信号源保护系统对单位分开，有些信号确实不能分开需要安装中间继电器进行扩展。四是为了避免相互干扰，PLC保护系统和水电站计算机监控系统之间的不进行数据通信。IO通过的DI/DO的方式交换。五是在条件允许的情况下，也可是一个PLC汽轮机保护系统配置的小触摸屏，易于设置参数和查看运行，故障状态。六是简化PLC水机保护系统的数据采集量。由于PLC的水机保护系统主要用于发电机保护，不仅关系到信号的采集和水机的保护与正常运行，控制信号和指令不进入PLC水机的保护系统中去。七是PLC监控系统及保护系统水机和主计算机的保护动作命令发出平行的，相互独立的。同时动作到机组事故配压阀、调速器急停阀等自动化设备上。

4 现场实施与调试

目前，已经实现多个水电站基于PLC 的水机保护系统，投入运行，其可靠性、灵活性、运行维护方便性均得到现场运行维护人员的肯定。

虽然根据基于PLC的水保护电路的设计原则，但在实施和调试过程中，会遇到一些问题，下面是经常会遇到的情况的总结。一是确认信号源分离的问题。很多设备信号源是唯一的，两套系统不能分开使用；二是PLC水机保护系统与电站主计算机监控系统之间的数据交换问题。PLC监控系统的保护系统只上传数据，不接收计算机监控系统数据。三是水机保护过程中的流程与监控系统流程配合问题。可采用PLC水机保护系统与电站主计算机监控系统相同的停机流程，同时作用到对象设备上。目前，在多个水电站水机保护系统中投入运行，其可靠性、灵活性较好，便捷的操作对于系统的维护和操作非常有利。

5 结语

本文对PLC程序和传统的水机的保护电路进行了分析，主要对保护范围、注意事项进行了总结分析，为水机保护的事故处理和维修提供了一定的参考。

[参考文献]

[1]王定一.水电厂计算机监视与控制[M].中国电力出版社，2001.

[2]杨云，潘苗苗，洪浩，等.三峡电厂监控LCU程序设计中信号处理技术研究[J].水电站机电技术，2007（6）.