梁?jiǎn)|，陳 洋,覃貴芳

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西沿海鐵路股份有限公司，廣西 欽州 535000；3.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著我國(guó)水電行業(yè)的發(fā)展，水電站運(yùn)行的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，安全性要求也越來(lái)越高。安全生產(chǎn)的指導(dǎo)思想已經(jīng)從以保設(shè)備為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀松戆踩珵橹鳌?/p>

我國(guó)的水電行業(yè)自動(dòng)化規(guī)范在不斷更新和完善。新“規(guī)范”可能只提出了主體性或綱領(lǐng)性的要求，其他的配套、完整方案需要水電站設(shè)計(jì)單位、水電站運(yùn)營(yíng)單位自行完善。對(duì)設(shè)計(jì)院而言，既要滿足規(guī)范要求，又要針對(duì)各個(gè)水電站實(shí)際提出有效合理的設(shè)計(jì)方案。

老撾南塔河1 號(hào)（Nam Tha 1）水電站工程是由南方電網(wǎng)公司出資建設(shè)，老撾電力公司（EDL）參股的BOT 項(xiàng)目，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司為設(shè)計(jì)單位。

本工程的調(diào)速器失電停機(jī)且自動(dòng)跳閘方案，已在某工程投入使用超過(guò)3 年。本研究主要探討發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）在調(diào)速器失電停機(jī)時(shí)自動(dòng)跳閘，并最大限度防止誤跳的設(shè)計(jì)方案。

1 問(wèn)題的提出

1.1 基本情況

南塔河位于老撾人民共和國(guó)的北部，為湄公河的一級(jí)支流。壩址位于博膠省，距河口62 km。電站為壩后式，樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)、引水式發(fā)電廠房及進(jìn)廠公路組成，屬Ⅰ等工程。壓力鋼管采用一管三機(jī)的供水方式，主管直徑為8.20 m，為Y 型岔管。電站廠房安裝3 臺(tái)56MW 共168MW 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

發(fā)電機(jī)-升壓變壓器采用單元接線方式，發(fā)電機(jī)出口設(shè)斷路器。115 kV 側(cè)采用戶內(nèi)GIS 設(shè)備，接線采用雙母線接線，3 回115 kV 出線。廠用電系統(tǒng)采用400 V 一級(jí)電壓供電，廠用電源分別從3 臺(tái)發(fā)電機(jī)端引接并經(jīng)廠用變壓器降壓后獲得，另采用一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。生活區(qū)供電電源從1#或2#發(fā)電機(jī)機(jī)端引接后經(jīng)電力變壓器升壓至22 kV，再由架空線路送出至生活區(qū)。電站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，按盡可能少用人值班的理念設(shè)計(jì)。

1.2 失電停機(jī)方案設(shè)計(jì)背景

根據(jù)中國(guó)水電行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 35004-2013）中4.1.1 條的要求：水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)選用數(shù)字式電氣液壓調(diào)速器。調(diào)速器宜采用失電停機(jī)原則，在控制回路電壓消失時(shí)，調(diào)速器宜自動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)[1]。

上述“規(guī)范”提出要求的起因可以追溯到10 年前的俄羅斯薩揚(yáng)水電站事故[2]。該條款中的字眼為“宜”，即非強(qiáng)制要求，但推薦執(zhí)行，或在無(wú)特殊情況下應(yīng)該執(zhí)行。

該“規(guī)范”正式實(shí)施后，國(guó)內(nèi)幾大發(fā)電集團(tuán)也陸續(xù)對(duì)各所屬電站此要求推出了整改方案。但也有部分電站反映實(shí)施新“要求”較為困難，因?yàn)樵撘笊婕暗诫娬緝?nèi)多個(gè)系統(tǒng)，而電廠有限的技術(shù)難以完成完整的方案。

2 失電停機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 失電停機(jī)要求分析

《水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中的要求十分清晰，即調(diào)速器在失電時(shí)，由調(diào)速器關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，從而切斷發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)力，達(dá)到停機(jī)的目的[3]。

為滿足該要求，需解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，如果只關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，機(jī)組失去動(dòng)力，但機(jī)組未與電網(wǎng)解接，電網(wǎng)則可給機(jī)組送電，即從電網(wǎng)倒吸負(fù)荷，成為電動(dòng)機(jī)，這是必須要避免的。因此在關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的同時(shí)需要自動(dòng)跳開發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）。

（2）調(diào)速器控制回路一般采用直流電源。電站的直流電源系統(tǒng)自身又有直流蓄電池組作為支撐，一般作為電站全廠失電的后備電源，同時(shí)也是GCB 的操作回路的電源。如果調(diào)速器失電，則可能的情況是：

①僅調(diào)速器的直流電源回路出現(xiàn)故障。

于全廠直流系統(tǒng)崩潰。當(dāng)僅調(diào)速器失電時(shí)，全廠直流系統(tǒng)正常，GCB 的操作回路直流電源正常，此時(shí)應(yīng)該能夠正常跳閘。當(dāng)全廠直流系統(tǒng)崩潰時(shí)，GCB 的控制回路直流電源也失電，此時(shí)仍要完成一次跳閘。

（3）GCB 如何與失電的調(diào)速器配合。

2.2 失電停機(jī)解決方案

最關(guān)鍵問(wèn)題在于調(diào)速器失電后GCB 自動(dòng)跳閘。老撾南塔河1 號(hào)水電站的GCB 配置了直流失壓脫扣器[4]。正常時(shí)失壓脫扣器由直流電源維持，當(dāng)失壓脫扣器電源消失時(shí)，自動(dòng)跳開GCB。當(dāng)僅調(diào)速器直流電源消失而停機(jī)時(shí)，失壓脫扣器電源正常，調(diào)速器直流電源消失信號(hào)應(yīng)能上送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，再由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令使GCB通過(guò)其跳閘操作回路跳閘。

但采用失壓脫扣器又存在另一個(gè)問(wèn)題，即：如果機(jī)組仍在正常運(yùn)行，僅僅是GCB 操作回路失電，則失壓脫扣器也會(huì)失電，導(dǎo)致GCB 誤跳閘[5]，該情況必須避免。判斷機(jī)組正常運(yùn)行有多種方法，本工程取發(fā)電機(jī)出口電壓互感器（PT）電壓作為判據(jù)，即當(dāng)PT 電壓正常時(shí)，認(rèn)為機(jī)組應(yīng)在正常運(yùn)行。PT 電壓可經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為DC220V或DC110V 的直流電壓，與GCB 操作回路的直流電源一起作為失壓脫扣器的電源。當(dāng)GCB 操作回路的直流電源消失時(shí)，只要機(jī)組正常發(fā)電，就仍可以給失壓脫扣器供電，防止GCB 誤跳。

為此，以失壓脫扣器為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)失壓脫扣回路。

失壓脫扣回路作為調(diào)速器失電停機(jī)工況的補(bǔ)充控制，不應(yīng)僅僅在全廠失電時(shí)生效，在同時(shí)滿足“調(diào)速器失電”和“GCB 無(wú)法通過(guò)操作回路正常跳閘”兩個(gè)條件時(shí)，失壓脫扣回路也應(yīng)生效。上述兩個(gè)信號(hào)接點(diǎn)應(yīng)串入失壓脫扣回路。

調(diào)速器失電：該信號(hào)因調(diào)速器廠家不同，判斷邏輯也不相同。老撾南塔河1 號(hào)水電站采用南瑞的調(diào)速器，經(jīng)與廠家核實(shí)，該調(diào)速器判定控制回路失電的邏輯為調(diào)速器的PLC 失電，即其DC24V 電源消失，且有無(wú)源接點(diǎn)上送信號(hào)。

GCB 無(wú)法通過(guò)操作回路正常跳閘：操作回路失電或跳閘回路斷線都會(huì)導(dǎo)致GCB 無(wú)法T 通過(guò)該回路正常跳閘。因此僅僅取操作回路的電源監(jiān)視信號(hào)無(wú)法包含所有工況。根據(jù)我國(guó)的設(shè)計(jì)習(xí)慣，該操作回路一般做在發(fā)電機(jī)保護(hù)的操作箱中，操作箱的“控制回路斷線”信號(hào)正好可以包含以上兩種工況。

GCB 失壓脫扣回路接線設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 GCB 失壓脫扣回路接線示意圖

2.3 失壓脫扣回路的補(bǔ)充說(shuō)明

以上是本工程失壓脫扣回路的總體思路，但該回路還有以下需要完善之處。

（1）為防止該回路短路而影響到GCB 操作回路及PT 運(yùn)行，兩個(gè)電源輸入端應(yīng)配置空開。

（2）如GCB 操作回路電壓與失壓脫扣器電壓相同，圖1 中DC/DC 開關(guān)電源可以取消。

（3）PT 二次側(cè)電壓一般為100 V（老撾為110 V），可能無(wú)法找到合適的AC/DC 開關(guān)電源。尤其國(guó)內(nèi)直流系統(tǒng)為DC220 V，難以找到由AC100 V 升壓為DC220 V的開關(guān)電源。此時(shí)可以配置1 個(gè)小型變壓器，先將PT 二次側(cè)電壓升壓，再串接合適的AC/DC 開關(guān)電源。老撾南塔河1 號(hào)水電站GCB 失壓脫扣回路的PT 電壓輸入即先由AC110 V 經(jīng)變壓器升壓至AC220 V，再串接一個(gè)AC220 V/DC110 V 的開關(guān)電源，如圖2 所示。

圖2 老撾南塔河1 號(hào)水電站GCB 失壓脫扣回路的PT 電壓輸入回路

（4）兩路電源均應(yīng)配置電源監(jiān)視繼電器，并有無(wú)源硬接點(diǎn)上送失電信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)。且任何一路電源故障就應(yīng)告警，運(yùn)行人員應(yīng)及時(shí)查看、處理，不建議采用兩路電源回路均故障才告警的邏輯，否則將導(dǎo)致GCB 誤跳后才發(fā)現(xiàn)故障，造成不必要的損失。必要時(shí)可并入電源指示燈。

（5）兩路電源均應(yīng)注意配置二極管，以防止兩路電源電壓不完全相等時(shí)，影響電流方向。

（6）當(dāng)“調(diào)速器電源消失”“GCB 控制回路斷線”信號(hào)只有一對(duì)接點(diǎn)時(shí)，需要擴(kuò)展該信號(hào)，既用于失壓脫扣回路，又要作為告警信號(hào)上送監(jiān)控系統(tǒng)。繼電器常開、常閉接點(diǎn)的應(yīng)用及在失壓脫扣回路中的組合邏輯應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整，圖1 只是根據(jù)老撾南塔河1 號(hào)水電站的實(shí)際情況做出的示例。

（7）建議回路中設(shè)計(jì)1 個(gè)功能壓板，以便運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際需求，選擇是否取消“調(diào)速器電源消失”+“GCB控制回路斷線”的跳閘邏輯。

2.4 調(diào)速器失電停機(jī)方案總結(jié)

（1）調(diào)速器失電時(shí)，調(diào)速器緊急關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（該功能由調(diào)速器完成）。

（2）GCB 操作機(jī)構(gòu)配置失壓脫扣功能。當(dāng)GCB 控制回路的直流電源消失且發(fā)電機(jī)出口主回路失壓，或GCB控制回路斷線且調(diào)速器失電時(shí)，失壓脫扣器失電，GCB自動(dòng)跳開。

3 結(jié)語(yǔ)

老撾南塔河1 號(hào)水電站于2018 年10 月正式投產(chǎn)發(fā)電，并于2019 年底、2020 年初分別順利通過(guò)了竣工安全鑒定和專項(xiàng)驗(yàn)收。目前電站已安全穩(wěn)定運(yùn)行3 年，調(diào)速器失電停機(jī)時(shí)的GCB 自動(dòng)跳閘設(shè)計(jì)也將得到實(shí)踐的檢驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)本工程對(duì)GCB 失壓脫扣回路的電氣二次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為當(dāng)今水電工程項(xiàng)目的開發(fā)、改造給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了更新、更高的要求，設(shè)計(jì)中必須保有嚴(yán)謹(jǐn)、靈活、敢于創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路，以適應(yīng)日新月異的工程技術(shù)要求，不斷積累并革新技術(shù)。

對(duì)于有調(diào)速器失電自動(dòng)停機(jī)要求的水電站，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意了解相關(guān)設(shè)備特點(diǎn)及必要的程序邏輯，結(jié)合工程的實(shí)際情況，將問(wèn)題整體分析、考慮、并逐一解決，以設(shè)計(jì)出適用于該工程的完整失電停機(jī)方案。