可编程微机调速器在水轮发电机组一级过速保护中的应用

范小波，刘加将，周大鹏

（1.四川华能巴塘水电有限公司，四川甘孜藏族自治州，627650；2.四川华能康定水电有限责任公司，四川甘孜藏族自治州，626000）

引言

水轮发电机组一级过速保护是防止机组过速的第一道重要保护措施，其动作的可靠性不仅关系到机组自身安全，还关系到电网的稳定运行。常规水轮发电机组一级过速保护因设计漏洞，在机组甩高负荷的情况下，极易造成保护误动停机，致使机组无法实现联网转孤网运行功能，从而引起大面积、长时间停电事故的发生。通过本文提出的解决方法，能够有效解决机组一级过速保护误动问题，提升电网安全、可靠、稳定运行能力。

1 水轮发电机组过速情况下主配压阀实际动作情况分析

某混流式水轮发电机在甩 75%负荷过程中机组转速、导叶接力器行程变化曲线如图1所示：

图1 某机组甩75%负荷曲线Fig1 The curve of the 75% load rejection test for a Hydroelectric Generator

通过图 1可以看出，当机组甩负荷后机组转速由额定转速上升至最高转速期间，主配压阀会立即向关方向动作将导叶关至最小；机组转速由最高转速降至额定转速期间，由于调速器 PID调节特性和空载开度的设置[1]，主配压阀会向开方向动作。

2 常规一级过速保护容易引起保护误动的具体原因

《GB⁄T 11805-2008 水轮发电机组自动化元件（装置）及其系统基本技术条件》对水轮发电机组一级过速保护做出了明确规定，要求当机组甩负荷时，机组转速上升到 110%～115%额定转速，又遇调速器主配压阀拒动，经过延时动作过速限制器和关闭进水阀实现紧急事故停机。通过笔者调研发现，各调速器厂家设计的一级过速保护动作逻辑为：机组转速大于 115%额定转速且主配压阀拒动（主配压阀不在关方向）位置信号通过一定延时启动紧急事故停机。结合图 1分析，在转速超过 115%额定转速至最高转速期间（由a点至b点），主配压阀一致处于关方向，保护动作条件不满足，机组不会紧急事故停机；在转速由最高转速降至115%额定转速期间（由b点至c点），由于PID调节规律，主配压阀会向开方向动作，即主配压阀不在关方向，此时机组转速大于 115%额定转速且主配压阀拒动条件均已满足，又因所甩负荷的大小决定机组转速上升的速率，负荷越大，甩负荷时机组的转速上升速度越快，因此不同的负荷会产生不同的甩负荷曲线，使转速和主配压阀位移曲线成为一个范围，而不是一个固定值，从而导致延时时间无法准确确定，整定过大会导致机组进一步过速，整定过小势必提高一级过速保护误动的几率。

3 可编程微机调速器在水轮发电机组一级过速保护中的应用

目前针对水轮发电机组常规一级过速保护误动情况，部分电站采取在机组计算机监控系统程序中只判断上升沿的115%额定转速区间（即图1中的a点到b点之间），在此区间若主配压阀在关闭方向，则认为调速器是在正常动作而不出口停机，但此办法只适用于无后备水机保护回路的系统，因判断上升沿需要机组计算机监控系统进行程序处理[2]。而随着可编程微机调速器在水轮发电机组控制上的普遍应用，笔者通过探索，提出了利用可编程微机调速器来优化主配压阀拒动的判断逻辑，有效解决了水轮发电机组常规一级过速保护误动的问题，具体如下：

取消主配压阀不在关方向位置信号作为主配压阀拒动信号，采用主配压阀行程大于主配压阀中位偏差（死区）且导叶给定值与反馈值偏差大于整定值并通过一定延时作为主配压阀拒动判据，该判据由可编程微机调速器编程实现，具体判断逻辑如图2所示。

图2 主配压阀拒动判定逻辑Fig2 The decision logic of refusing action of main pressure-distribution valve

即当导叶PID给定值与实际值偏差大于m，而主配压阀行程在时间t内始终大于主配中位偏差 n，则判断为主配压阀拒动，其中 m、n、t需通过调速器静、动态试验进行实测整定。

4 该方法在华能拉拉山水电站的应用

华能拉拉山水电站位于四川省甘孜藏族自治州巴塘县境内，电站装机2×48MW，是川藏联网工程的一个重要电源支撑点，对川藏联网工程的安全、稳定、可靠运行起着至关重要的作用。为验证该方法的科学、可靠性，2014年12月1日，中国电力科学研究院与四川省电力工业调整试验所及拉拉山水电站工作人员共同对拉拉山水电站 1、2号机组进行了一级过速保护试验，试验主要包括静态试验和动态试验两部分，具体试验情况如下。

4.1 静态试验

本试验主要是检验主配压阀真实拒动和未拒动时调速器能否可靠发信。

（1）将主配压阀固定，不让其位移，通过强制导叶偏差的方法模拟主配压阀拒动（两台机组导叶偏差值m整定为5，主配中位偏差值n整定为3，延时时间t整定为800ms，整定值取决于调速器采样精度及主配行程综合误差），试验波形见图3。

图3 一级过速保护静态试验波形图1Fig3 The first class over-speed protection static test waveform 1

从图3中可以看出，当导叶偏差从0阶跃到4.9%时，没有发出主配拒动信号，当导叶偏差从0阶跃到5.1%时，800ms后调速器发出主配拒动信号。

（2）模拟机组并网，进行转速（频率）阶跃，模拟机组一级过速，试验波形见图4。

图4 一级过速保护静态试验波形图2Fig4 The first class over-speed protection static test waveform 2

从图4中可以看出，在机组一级过速时，主配及导叶动作正确，调速器没有发出主配压阀拒动信号。

4.2 动态试验

本试验主要是验证机组在实际一级过速的情况下，该一级过速保护逻辑动作的可靠性。机组各保护正常投入，机组带 50%负荷，断开机组出口断路器，机组甩50%负荷，试验波形见图5。

图5 一级过速保护动态试验波形图Fig5 The first class over-speed protection dynamic test waveform

从图5中可以看出，在机组实际一级过速时（最高转速已达到120%），主配及导叶正常动作，调速器没有发出主配压阀拒动信号，没有出现保护误动情况，在故障发生35s左右后机组转速稳定在额定转速附近。

5 结束语

水轮发电机组一级过速保护是防止机组过速的第一道保护措施，由于常规主配压阀拒动信号处理存在的问题，导致机组一级过速保护的实际投入率较低，投入的机组也有误动的可能，通过本文提出的方法在华能拉拉山水电站取得了较好的应用效果，提高了机组的安全性能，对水轮发电机组一级过速保护功能的优化具有一定推广应用价值。

[1]魏守平.水轮机控制工程[M].武汉: 华中科技大学出版社, 2009.

[2]陈兵阳, 赵馨, 向家安.水轮机 115%nr过速保护误动作解决方案[J].水电自动化与大坝监测, 2011, 35(4).

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