福堂坝水电厂过速保护的技改方案
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
四川福堂水电有限公司的研究人员王友、周春燕，在2019年第6期《电气技术》杂志上撰文指出（论文标题为“福堂坝水电厂水轮发电机组过速保护改造”），水轮发电机组过速保护系统主要用于防止机组过速事故对机组造成损坏，而过速保护装置及其自动化元件的可靠运行是确保过速保护系统正确动作的必要条件。本文对福堂坝水电厂过速保护系统的设置及存在的安全隐患进行分析，提出了过速保护的技改思路。
福堂水电站位于阿坝州汶川县玉龙至福堂坝沟口的岷江干流上，采用低闸引水式开发，主要任务为发电。电站装机为4台，单机容量为90MW，总装机容量为360MW，保证出力为133.4MW，年发电量为22.7亿kW·h，年利用小时数为6305h。电站于2004年投产发电，于2013年进行全站二次系统改造。
电站二次系统改造前机组过速保护采用机组转速115%额定转速+主配拒动为机组第一级过速保护；140%额定转速电气过速为第二级过速保护；150%额定转速机械过速为第三级过速保护。115%额定转速+主配拒动第一级过速保护由于其主配位置接点动作不可靠，在机组正常的甩负荷过程中，会直接引起保护误动作使机组紧急事故停机，从而无法确保在事故情况下机组带厂用电源的正常供电。
福堂电站地处“5·12”汶川大地震的重灾区，震后电站相继经历了“8·13”、“7·10”、“7·20”泥石流灾害，电站送出输电线路薄弱。在电站与系统解网后，如何利用机组、以确保站内厂用电安全是设计院重点考虑的问题。
为此，在2013年电站二次技改过程中，设计院采用了机组转速115%额定转速+调速器事故为机组第一级过速保护；145%额定转速为电气过速第二级过速保护；150%额定转速为机械过速第三级过速保护。
1 福堂电站机组过速保护存在的安全隐患
2013年电站进行了站内设备的二次系统改造工作，监控系统由南瑞集团的NC2000系统改造为中水科H9000系统，调速系统由武汉能事达的DFWT- 100-6.3-STARS可编程微机调速器升级为MGC4004比例阀+伺服电机自复中双微机调速器。
MGC4004调速器投运后，由于油质及其他原因，导致比例阀工作不正常，出现溜负荷的情况，因此电站一直采用伺服电机运行。
2013年11月6日电站运行人员在执行正常停机流程时，上位机发3#机组由“空转”转“停机”令，调速器接到停机令后进行关导叶操作，导叶关闭至3.5%左右时，由于机组导叶关闭不严，导致导叶不能全关至零，监控系统起动关蝶阀流程，机组导叶开度维持在3.5%开度27s后，使导叶突然打开（导叶开度由3.5%上升至70%，持续时间17s），机组转速由85%上升至152%，机组转速大于115%额定转速接点动作，145%电气过速保护及150%机械过速保护均动作，致使事故配压阀动作，机组起动紧急事故停机流程，关闭蝶阀，导叶全关到位。
机组监控系统记录的导叶位移曲线和机组转速曲线分别如图1和图2所示。
图1 导叶位移曲线图
图2 机组转速曲线图
事故发生时，机组处于“空转”转“停机”流程，导叶未全关，调速器将导叶开度由3.5%瞬间往全开的方向开起，直至机组电气及机械过速保护动作停机为止（监控记录数据为：16:37:58机组转速115%接点动作，16:38:04机组转速145%接点动作，16:38:05机组转速150%接点动作）。
福堂电站为“一井双管四机”的布置方式，根据河海大学的水力过渡过程计算成果，水轮机导叶关闭采用二段直线关闭，第一段直线关闭时间为5s，第二段直线关闭时间为10s，拐点开度为30%，全关闭时间为15s。
当4台机同时甩全负荷时，蜗壳的最大压力升高率max为17.1%，机组的最大转速升高率max为42.9%，尾水管进口的最大真空度为4.4mH2O，其结果符合SDJ 173—85《水力发电厂机电设计技术规范》有关调保计算的规定（ max＜30%， max＜45% 及GB/T 9652.1—1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》。
但电站引水隧洞长度达19.33km，压力管道主管长为357.841m，支管长为48.597m，机组在调速器失控后，由于调压井的涌浪及机组惯性而导致机组转速上升较快，在机组电气过速保护动作1s后使机组机械过速保护动作。机组115%额定转速+调速器事故第一级过速保护未动作，该情况对机组的安全运行极为不利。
事故发生后，厂家技术人员对调速器在停机过程中突然全开导叶缺陷进行排查，通过程序进行多方面模拟：停机过程中加发开机信号，或并网令给调速器；在停机等待时，加发开机信号，或并网令给调速器；在关机时，使导叶关至3%以上，不继续关闭，此时另外在外围调速器上观察调速器状况，未发现异常。经分析认为，在停机过程中伺服电机处于失控状态，因此，对PLC至伺服电机回路硬件及电缆全部进行更换。
在此次事故过程中，机组转速已达到115%额定转速，且调速器处于失控状态，监控系统未起动115%额定转速+调速器事故第一级过速保护，导致了机组转速达到150%额定转速，使二、三级过速保护动作的事故。经查监控系统在机组整个过速期间未收到调速器事故信号，因此，未起动115%额定转速+调速器事故紧急事故停机流程。
查阅调速器厂家说明书，调速器事故被定义为：导叶接力器反馈故障、电机故障、比例阀故障、比例阀中位反馈故障、残压和齿盘测频同时故障。机组整个停机过程中调速器未报任何故障信号。
从以上事件看出，机组在调速器失控后，调速器往开起方向动作，不会触发调速器事故信号，因此，采用115%额定转速+调速器事故作为第一级过速保护不能起到应有的保护作用。另外，由于引水系统过长及机组惯性，机组二、三级保护整定定值过于接近，导致二级保护动作的同时起动了三级过速保护。
2 福堂电站机组过速保护的解决方案
根据《GBT 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》要求：过速限制系统应能在一级过速（一级过速触点动作，同时调速器主配压阀拒动，再经延时）及二级过速时准确动作，并能根据要求调整关闭接力器时间。由于各台机组机械特性及调速器特性不一致，导致在整定一级过速保护延时时无统一标准，时间整定存在一定的随意性，可能导致机组在甩负荷过程中使一级过速保护动作。
目前对电站机组三级过速保护分别接入的现地控制单元（local control unit, LCU）信号有：机组一级过速保护（机组转速测控箱115%额定转速+调速器事故）、机组二级过速保护（机组转速测控箱145%额定转速）和机组三级过速保护（机械过速保护装置150%额定转速）。
从本次事故来看，机组一级过速保护未正确动作，机组二级保护正确动作，但由于机组惯性而导致机组二级电气过速保护动作后1s，使机组三级机械过速保护再次动作。因此，需要对机组一、二、三级过速保护进行优化完善。
电站调速器现采用伺服电机驱动主配压阀阀芯动作，在主配压阀阀芯处安装主配位置开关。该开关实际定义为“主配压阀不在偏关侧”，用于在机组甩负荷时判断主配是否有拒动的信号。
1）一级过速保护解决方案
为了避免在机组甩负荷过程中转速由高转速下降（电站甩90MW最高转速为139%额定转速）时，此时机组转速还大于115%额定转速（由于调速器PID调节特性和空载开度的设置，这时有可能主配压阀不在关闭位置，从而误判为主配压阀拒动而导致紧急事故停机出口），将监控系统中判断转速大于115%额定转速接点修改为115%接点接通后保持2s[10]，将调速器事故点修改为主配拒动点。
2）一级过速保护起动流程图
图3 一级过速保护起动流程图
3）二级过速保护动作定值整定
鉴于电站引水系统的特殊性，结合机组检修后甩负荷试验确定机组最大转速上升率，将机组二级过速保护定值由目前的145%额定转速修改为技施设计值140%额定转速，以确保机组一、二、三级过速保护动作的时效性及准确性。
在将机组一级过速保护由115%额定转速+调速器事故流程修改为115%额定转速延时2s+主配拒动流程后，在福堂电站4台机组运行过程中，未出现正常甩负荷导致误起动紧急事故停机流程的情况，也未出现机组过速后由于调速器故障不能正常起动紧急事故停机流程的情况，保证了设备可靠及安全运行。