高水头混流式水轮机过速保护研究

沈钊根，叶志强

（浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 311121）

水轮发电机组过速保护装置是为水轮发电机组在意外情况下提供保护作用的安全装置，通常有电气一级保护、电气二级保护和机械二级保护。从而保证水轮发电机组在各种异常情况下有效地防止过速飞逸事故的发生，保证机组长期安全稳定运行。

当机组转速上升至第一级保护设定值时，调速器首先进行关机操作，当调速器关机失败（调速器失灵），机组转速继续上升至第二级保护设定值时，机组二级过速保护装置启动，由事故配压阀、分段关闭阀、分段关闭行程阀联合作用关闭导叶，使机组紧急事故停机。一个典型的事故停机的程序见图1。

1 目前二级过速保护整定值的设定规定

二级过速保护整定值在目前的常规水电站实际应用中，通常是按最恶劣工况下的过渡过程机组转速上升最大值加2%～5%额定转速来确定，如二级电气过速加2%或3%，二级机械过速加5%。

NB/T 35088-2016《水电机组机械液压过速保护装置基本技术条件》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。同时在4.2.11条也提到，对于抽水蓄能机组，过速保护整定值应综合最大瞬态转速与机组最大飞逸转速进行设定。

图1 典型的事故停机流程图

GB/T 11805-2019《水轮发电机组自动化元件（装置）及其系统基本技术条件》3.6条规定：机械液压过速保护装置或机械过速开关的动作转速触点，即：机组调节保证最大瞬态转速规定值加5%额定转速值的触点。电气转速信号装置的动作触点，即：机组调节保证最大瞬态转速规定值加2%（该标准2008版为3%）额定转速值的触点。注：在抽水蓄能可逆式机组或特殊情况下，也可根据机组实际过速情况，从设备安全的角度，确定动作转速值。

2 目前的二级保护设定方法的保护范围分析

电气二级保护或机械二级保护的最终目的是保证水轮发电机组在各种异常情况下有效地防止过速飞逸事故的发生，保证机组长期安全稳定运行。飞逸可能在不同的运行水头及导叶开度工况下发生，而不同的水头与导叶开度意味着相应的飞逸转速也会不同。目前水轮机导叶的水力设计在正常运行范围内通常具有自关闭特性，因此，有较大的可能是在出现事故时，机组在原运行工况点的水头与导叶开度下出现飞逸。表1是多个典型的混流式机组在其特征水头及该水头下最大、最小出力时对应的导叶开度下的飞逸转速与二级过速保护值之比较。

表1 飞逸转速与二级过速保护整定值之比较

由表1可见，因高水头混流式水轮机的飞逸转速与额定转速的比值相对较低，因此如按目前的二级过速保护设置方式，二级过速保护基本失去飞逸保护作用。对于中低水头混流式机，也有较大的范围失去飞逸保护作用。

3 降低最大转速上升值的可能性分析

从过渡过程的调节保证计算中可知，要降低最大转速上升值的主要途径有3条：①增加发电机的转动惯量；②加大引水系统的尺寸；③优化导叶关闭规律。前两种方法可能将使得制造及建设成本大幅提高至无法接受的程度。第三种方法已在调保计算中广泛实施，一般来说都会将导叶关闭规律进行最大限度的优化，从而实现调保计算中压力上升及转速上升最优，因此，已很难仅仅依靠优化导叶关闭规律来将最大转速上升值进一步降低，以达到增加二级保护范围的目的。

4 二级保护设置的设计方案

4.1 不设置纯机械过速保护装置的方案

从调节保证理论计算或电站现场的实际甩负荷试验中，我们可以得到如图2中红线所示的转速曲线。可以将二级电气保护的设定值设为比最大转速上升低的某个值，例如按水轮机全运行范围内对应的飞逸转速最小值，即最小水头最小功率工况点对应的飞逸转速，并考虑动作误差值。同时在电气保护逻辑中设置一个时间延时，延时值需大于保护值水平线与转速曲线二交点的时间间隔。当转速第一次大于二级电气保护设定值时，同时检测导叶开度，如导叶已关至小于设定值，保护装置触发延时保护，如在延时结束时，转速已降至保护设定值，则取消发出事故关机信号，否则发出事故关机信号。

图2 电气二级过速保护依据过速曲线设置延时触发

按目前的纯机械保护装置的最新技术水平，尚没有成熟可靠的延时发信技术，因此可以考虑不设置纯机械过速保护，或将纯机械保护的信号仍设定在高于最大转速上升值的位置，但此时的纯机械过速保护只对部分最恶劣的飞逸工况进行保护。

二级电气保护装置，可以考虑冗余设置，即增设一套来自另一电源的（如直流）的保护，两套电气过速保护装置均能独立发出紧急停机信号，增加了机组过速保护的可靠性。

上述延时保护设置，可以保证甩负荷后机组保持额定转速空转待机状态的要求，同时最大程度的实现机组二级防飞逸保护。

延时保护的逻辑控制程序如图3所示。

图3 二级过速保护延时触发流程图

事实上，国外很多高水头电站也是因为甩负荷时的过速值已经大于稳态飞逸值而没有设机械过速保护装置，已有的运行情况表明这也是安全可靠的。国外电站的一些应用实例见表2。

表2 不设置机械过速保护的电站实例

4.2 设置纯机械过速保护值低于瞬态过速值

当厂房全部失电的情况下，机械过速保护装置提供最后一道可靠的防飞逸保护。具体如何设置需结合合同、所在电站的电网要求而定。当电站所在的接入的电网相对较小，电网故障率相对较高且抗冲击能力小，通常电网要求机组甩负荷后保持额定转速空转状态，以便快速再次启动机组。而当机组突然甩负荷时，无法事先判断是外部电网原因还是电站本身的原因，而且对于像本身的故障率相对较低且容量大抗冲击能力强的电网，机组甩负荷后进入紧急停机流程的可接受程度更高。如是电站内部原因故障导致过速，从某种意义上讲，机组出现甩负荷情况后先进行停机检查也有一定的必要性。

据调查，国内某高水头电站设有的机械过速保护装置的整定值是低于甩负荷时的最大过速值的，按此设定，在甩负荷时，有时会出现甩停机现象。据电站运行人员反应，出现这种情况并无太多负面影响，只是需要重新进行一次开机操作，但毫无疑问这样对机组的防飞逸保护是有利的。

5 结语

对于高水头、高转速机组，大波动调节保证计算的转速上升值与水轮机的稳态飞逸转速很接近，有时甚至高于水轮机的稳态飞逸转速。通过加大引水系统尺寸或加大发电机的转动惯量来降低过渡过程中的过速值，经济性和技术性均很差。此时需要从电网要求与机组保护方面综合考虑：对于容量较小、抗冲击能力较弱或电网有特别要求时，取消机械过速保护装置，同时二级电气过速保护设置触发延时是可行的；对于容量较大、抗冲击能力较强或电网无特别要求时，综合考虑机组在不同的水头和开度下的飞逸转速，将机械过速保护装置整定值设置为低于甩负荷时的最大过速值，对于机组防飞逸的保护更加有利。