防风闸高转速加闸双重闭锁回路开发与应用

国网新源集团有限公司富春江水力发电厂 徐 方 余江烨

某水电站是一座低水头河床式电站，大流域，小水库是其显著的特点，为日调节水库。电站装机6台，总装机容量360MW，设计多年平均发电量9.23亿kWh。电厂以发电为主，主要担负华东电网调峰、调频及事故备用任务，对电网的稳定运行、提高供电质量具有重要的作用。同时，电站兼有防洪减灾、航运、灌溉、抗咸顶潮等综合效益。

在水轮机组的停机过程中，如果在高转速下投入制动闸，由于高速摩擦会使制动闸磨损，还会产生粉尘污染定子、转子及发电机的其他设备如果在很低的转速下投入制动闸，由于低转速下转速下降时间过长，会导致机械磨损加剧，引起推力轴承及导轴承中润滑油膜变薄或遭受破坏，使润滑条件出现恶化，致使轴瓦磨损，严重时会烧坏轴瓦[1]。因此，合理的方式是在机组停机过程中，当转速下降到一定程度时必须进行强迫制动，以便机组能在较短时间内停下来。某发电厂6台机组均为立式水轮机，采用的强迫制动方式为风闸制动，即采用压缩空气作为强迫制动的能源来推动制动闸。

1 概述

1.1 高转速加闸的危害

运行中的水轮机组的动能为：E=(1/2)×J×ω²（J 为机组的转动惯量，ω 为机组的转动角速度），在机组转速降低至风闸制动投入的定值前，机组运转时的动能全部消耗在克服自由制动力矩（即机组的推力轴承和导轴承的摩擦力矩、发电机转子对空气的摩擦力矩与水轮机转轮对水或空气的摩擦力矩）上[2]。而如果在机组高转速时就投入制动风闸，会对机组造成严重的危害。

首先会使风闸片磨损，如果持续时间长会使风闸发热而破损，而机组风洞内强烈的气流会使产生的碎片伤害到风洞内其他设备。其次剧烈的摩擦还会产生大量的烟尘，和机组风洞内的水汽、油雾混合并附着在机组定子、转子等设备表面，使其绝缘下降。高转速加闸时机组的转动部分会产生较大的阻力，严重时会使导轴瓦损坏，而如果温度过高甚至会引起火灾事故，造成迫性检修和惨重的经济损失。高转速加闸会使机组处于逆功率运行状态，如果吸收的有功功率较大，会造成机组振摆变大，对机组的安全稳定运行产生不利的影响[3]。

1.2 高转速加闸原因分析

团队人员从人员、设备、管理等多个角度进行分析，总结出了以下三点原因，同时也是机组运行的安全隐患：一是人为误操作。运行人员或检修人员操作时误动手动启风闸按钮，如果此时机组转速大于25%，就会导致高转速加闸事故。二是转速装置接点误动作。某发电厂程序闭锁回路依靠的是转速测速装置来实现流程的闭锁，如果测速装置发生故障，如上送现地控制单元的接点误动作，就会导致高转速加闸事故。三是开出继电器触点误动作。当现地控制单元流程执行后，即实际程序闭锁功能正常时，如果开出继电器故障导致开接点误动作，也会导致高转速加闸事故[4]。

经过分析，团队人员发现单独依靠程序闭锁控制回路的可靠性不足，为了有效防止高转速加闸事故的发生，需要设计出更可靠的控制回路。

2 改进原理及对比

2.1 原使用的程序闭锁部分原理

图1为某发电厂PLC 程序中设计的空转-停机流程图。方框所示为原使用的程序闭锁部分原理：当现地控制单元中流程走至“空转-停机”，停机令开出至电调，30s 内满足导叶全关条件后，利用监控系统检测到满足机组转速＜25%和＜45%，并且＞5%条件时，启动正常的停机顶风闸流程；如果转速条件不满足，则提示报警并退出流程。

图1 空转-停机流程图

2.2 新增电气控制闭锁回路原理

根据国家电网公司反事故措施条款“测速装置出现故障时，调速器应具有完善的容错功能。测速装置软件应具备故障自诊断功能，全部装置故障时输出报警信号，防止发电机高速加闸和飞逸。”要求，班组成员、相关技术人员协同相关部门领导一同分析，并结合某发电厂实际情况，综合研究，设计出符合本厂发电机组运行要求，并能实现防止发电机风闸高转速加闸的程序与电气控制回路双重闭锁功能的方案，并在其他机组LCU 改造中实施该方案，通过多方面模拟检测闭锁功能切实有效，并在后续的其他机组改造中加以推广实施。

原有的高转速加闸程序闭锁功能，可能会存在人为手动误加闸和转速装置接点误动作、开出继电器DO86故障接点误开出的安全隐患。因此，为消除此安全隐患，新方案是在发电机风闸顶起的开出电气控制回路内增加一付由转速装置开出的转速＜25%的无源接点（原防止高转速加闸程序闭锁使用的是转速装置的有源接点），作为允许发电机风闸顶起的电气控制回路闭锁接点（该接点是当机组转速下降到＜25%时，接点接通，开放发电机风闸顶起电磁阀的电气控制回路），实现监控系统对风闸顶起开出控制电气回路上的闭锁，保证机组风闸只有在转速＜25%才允许开放顶风闸电磁阀动作回路[5]。也能有效防止人为误操作（误操作手动顶风闸按钮），顶风闸开出继电器DO86接点误动作，导致的发电机风闸高转速加闸情况，保障发电机的安全稳定运行。

2.3 原理对比

原风闸开出电气控制回路原理（如图2所示）：DO86为顶风闸开出继电器，为程序闭锁回路中的执行元件，即在正常停机流程中当转速满足条件＜25%且＜45%且＞5%时，该接点会闭合，风闸顶起。

图2 原风闸开出电气控制回路原理图

现风闸开出电气控制回路原理（如图3所示）：由于程序闭锁中使用的是转速装置的单独一副有源接点，可靠性不足，且原有的高转速加闸程序闭锁功能可能会存在人为手动误加闸和转速装置接点误动作、开出继电器故障DO86接点误开出的安全隐患。为消除此安全隐患，新方案（图3蓝框）是在发电机风闸顶起的开出电气控制回路内增加一付由转速装置开出的转速＜25%的无源接点（原防止高转速加闸程序闭锁使用的是转速装置的有源接点）作为允许发电机风闸顶起的电气控制回路闭锁接点（该接点是当机组转速下降到＜25%时，接点接通，开放发电机风闸顶起电磁阀的电气控制回路），实现监控系统对风闸顶起开出控制电气回路上的闭锁，保证机组风闸只有在转速＜25%才允许开放顶风闸电磁阀动作回路，也能有效防止人为误操作（误操作手动顶风闸按钮），顶风闸开出继电器DO86接点误动作，导致的发电机风闸高转速加闸情况，保障发电机的安全稳定运行。

图3 现风闸开出电气控制回路原理图

通过对比，团队人员认为，通过新增的电气闭锁控制回路，新防止高转速加闸双重闭锁控制方案理论上能有效避免人为误操作，转速装置接点误动作及开出继电器触点误动作所导致高转速加闸事故的发生。

3 试验过程及效果

模拟试验。团队人员对4号机组加装该闭锁功能后，进行闭锁功能测试。方法：在转速装置的转速信号采样端接入转速模拟信号（用信号发生器模拟机组转速＞25%且＜45%转速），试验转速装置接点误动作、人为误操作以及开出继电器触点误动作4种情况下的闭锁功能。

操作一：在转速＞25%时，人为短接转速装置＜25%的有源接点，测试闭锁功能；操作二：在转速＞25%时，人为短接转速装置＜25%的无源接点，测试闭锁功能；操作三：在转速＞25%时，人为按下手动顶风闸按钮，测试闭锁功能；操作四：在转速＞25%时，人为短接LCU 顶风闸条件判断开出继电器DO86开接点，模拟接点误接通情况下的闭锁功能，并记录成表格，见表1。

表1 4号机风闸高转速加闸双重闭锁功能试验表

总计风闸误加闸概率为：0÷（6+6+6+6）×100%=0%。由统计结果可以看出，模拟的4种情况经过多次试验均未开出制动风闸，完全可以避免发电机风闸因为人为因素、转速继电器装置故障，或者LCU程序开出继电器DO86接点动作异常所导致的异常高转速加闸情况的发生，保证发电机组的安全稳定运行。

经济效益：高转速加闸事故会使机组轴承、制动环磨损，风闸损坏，产生大量烟尘，造成机组强迫性检修和惨重的经济损失。因此，本次风闸高转速加闸双重闭锁功能产生了不可估量的经济效益。

安全效益：经过加装风闸高转速加闸双重闭锁功能后，取得的效果显著，有效解决了因人为误操作和转速继电器装置故障、LCU 程序开出继电器DO86故障可能导致的高转速加闸事故的安全问题，提高了机组正常运行以及开停机的可靠性和安全性，为机组安全发供电提供了保证。

长远效益：本次技术创新的成果已经在某发电厂4号机、5号机、3号机组中投入使用，后续也将在其他机组改造中加以推广实施。同时，本次成果的思路也可以应用到其他电气控制回路上，创新了工作思路，拓展了工作方法。