從天荒坪抽水蓄能電站二次設(shè)備改造看抽水蓄能二次設(shè)計(jì)優(yōu)化

呂惠青，李浩良

（1.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省湖州市 313000）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站自1998年9月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)已過(guò)去整整二十年了，而這二十年也正是我國(guó)抽水蓄能發(fā)展最快的二十年。本文介紹了天荒坪電站二十年來(lái)二次設(shè)備運(yùn)行的基本情況，對(duì)較為典型的缺陷進(jìn)行了分析，總結(jié)了二次設(shè)備改造的原因、方法和結(jié)果，并對(duì)改造成果的進(jìn)一步優(yōu)化和在國(guó)內(nèi)抽蓄電站應(yīng)用作了介紹。

1 天荒坪電站二十年來(lái)設(shè)備運(yùn)行的基本情況

天荒坪電站作為華東電網(wǎng)的主力調(diào)峰填谷電站，6臺(tái)機(jī)組自1998年至2000年底陸續(xù)投入運(yùn)行，其基本的運(yùn)行方式是“一抽兩發(fā)”，即每天早晚二次發(fā)電頂峰，夜間抽水填谷。從2000年到2017年末，電站已累計(jì)完成發(fā)電量366.07億kWh，抽水電量456.81億年kWh；臺(tái)均年運(yùn)行2755小時(shí)、日均7.54小時(shí)，是國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)抽水蓄能電站發(fā)電量和利用小時(shí)數(shù)最多、發(fā)揮作用最充分的電站之一[1]。

電站投運(yùn)初期，由于機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制程序繁多，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定。設(shè)備故障以電氣二次故障最多，幾乎占故障總數(shù)的50%左右；其次是機(jī)械故障，占30%～40%[1]。電氣二次故障中以自動(dòng)化元件及檢測(cè)傳感器故障最多；機(jī)械故障主要由主軸密封和轉(zhuǎn)動(dòng)部件密封不良所致。經(jīng)過(guò)多年調(diào)整和改造，運(yùn)行穩(wěn)定有較大改善，強(qiáng)迫停運(yùn)和跳機(jī)次數(shù)大幅度減少。

2 天荒坪電站二十年二次設(shè)備改造情況介紹

天荒坪電站建設(shè)由世界銀行貸款，主要設(shè)備和控制系統(tǒng)從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)際化采購(gòu)導(dǎo)致天荒坪電站設(shè)備供貨廠商多，各系統(tǒng)間的交互和接口匹配性不佳。二次系統(tǒng)從元件、閉鎖邏輯到控制策略，一開(kāi)始沒(méi)有引起外方足夠重視，機(jī)組投產(chǎn)之初因二次系統(tǒng)的原因發(fā)生多起跳機(jī)或啟動(dòng)失敗事件。天荒坪電站面對(duì)運(yùn)行初期遇到的問(wèn)題，認(rèn)真分析問(wèn)題根由，從設(shè)備選型、控制邏輯等方面進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效果。

2.1 二次元件選型

2.1.1 尋找可靠的測(cè)溫元件

自1999年1月至2001年6月，天荒坪電站因熱電阻元件RTD誤動(dòng)引起機(jī)組運(yùn)行故障累計(jì)達(dá)18次，其中帶負(fù)荷跳機(jī)14次，啟停失敗4次。RTD故障的主要原因：一是測(cè)溫元件本身質(zhì)量欠佳或調(diào)試未到位；二是設(shè)備投產(chǎn)初期，運(yùn)行環(huán)境較差，設(shè)備正確動(dòng)作率低。為提高機(jī)組啟動(dòng)成功率和運(yùn)行可靠性，技術(shù)人員從提高元件抗振性和焊接質(zhì)量等方面入手，多次選型、試用，反復(fù)更換和調(diào)整，并將機(jī)組軸承處測(cè)溫元件全部改為全鎧裝結(jié)構(gòu)，運(yùn)行情況才得到極大的改善。自2002年全部改造完成后，再也沒(méi)有因測(cè)溫元件不穩(wěn)定發(fā)生過(guò)啟動(dòng)失敗或跳機(jī)。在后續(xù)建設(shè)的抽水蓄能電站中，招標(biāo)文件中都明確規(guī)定測(cè)溫元件采用全鎧裝鉑熱電阻。

2.1.2 電導(dǎo)式水位浮子的應(yīng)用

抽水蓄能機(jī)組在調(diào)相工況運(yùn)行時(shí)尾水水位信號(hào)直接參與機(jī)組的控制。投產(chǎn)初期，廠家均采用磁感應(yīng)式水位計(jì)，靠一個(gè)磁性浮球上下浮動(dòng)、吸合位置節(jié)點(diǎn)來(lái)判斷尾水水位的高低。由于這類浮子靠感磁動(dòng)作，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后容易導(dǎo)致磁性減弱、節(jié)點(diǎn)拒動(dòng)。且此類浮子抗震性差，尾水錐管振動(dòng)大，易誤動(dòng)。另外，這類水位計(jì)的浮球容易進(jìn)水，經(jīng)常發(fā)生浮球不隨水位變化而浮動(dòng)，影響檢測(cè)質(zhì)量。后經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，將磁翻板式水位浮子更換為德國(guó)E+H電導(dǎo)式浮子。由于該浮子無(wú)機(jī)械節(jié)點(diǎn)、不需要浮球，抗震性好，不存在因浮球卡住而拒動(dòng)或誤動(dòng)的可能。該浮子采用探頭與監(jiān)測(cè)單元分離式，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP68，適應(yīng)在惡劣環(huán)境運(yùn)行。自2005年全部機(jī)組改造后，電站從未發(fā)生過(guò)浮子的誤動(dòng)和拒動(dòng)故障導(dǎo)致的機(jī)組啟動(dòng)失敗。

2.1.3 用感應(yīng)式位置傳感器提高設(shè)備動(dòng)作的可靠性

抽水蓄能機(jī)組啟停過(guò)程中需要不斷檢測(cè)各種設(shè)備的狀態(tài)和位置，位置開(kāi)關(guān)被廣泛使用。傳統(tǒng)的位置開(kāi)關(guān)大多是機(jī)械式的，靠機(jī)械拐臂的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)的斷合，容易因松動(dòng)、疲勞、壓緊力不夠?qū)е陆佑|不良或動(dòng)作不到位，在振動(dòng)大的部位還常常發(fā)生位置開(kāi)關(guān)整體松動(dòng)、移位甚至脫落，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。天荒坪電站從檢測(cè)原理入手，在球閥、調(diào)速器、導(dǎo)葉等核心轉(zhuǎn)動(dòng)部件開(kāi)啟過(guò)程中大膽采用防水型感應(yīng)式位置傳感器代替機(jī)械式位置開(kāi)關(guān)，大大降低了設(shè)備故障率。在后續(xù)抽水蓄能建設(shè)中，這一成果被廣泛采納。

2.2 二次系統(tǒng)控制邏輯的改進(jìn)

2.2.1 修改控制邏輯，防止有功、無(wú)功大幅度調(diào)整

天荒坪電站采用分布式電量變送器，2005年以前，電站先后出現(xiàn)過(guò)3次無(wú)功變送器故障、9次有功變送器故障。有功變送器故障造成調(diào)速器認(rèn)為功率未到達(dá)設(shè)定值，不斷加大導(dǎo)葉開(kāi)度，最終機(jī)組過(guò)負(fù)荷。無(wú)功變送器故障使監(jiān)控系統(tǒng)判斷機(jī)組吸收無(wú)功不足而不斷發(fā)出增加勵(lì)磁電流命令，從而導(dǎo)致勵(lì)磁和定子電流增大、機(jī)端電壓升高，最終勵(lì)磁系統(tǒng)限制功能啟動(dòng)，電壓、電流限制在最大值，威脅機(jī)組安全。

經(jīng)過(guò)討論，電站一方面對(duì)功率變送器進(jìn)行換型。另一方面則是在監(jiān)控和調(diào)速器系統(tǒng)中修改有功、無(wú)功控制邏輯。增加一路有功變送器給調(diào)速器控制器，即采用冗余功率變送器，當(dāng)兩路變送器偏差大于15MW 并延時(shí)0.5s，調(diào)速器自動(dòng)切至開(kāi)度模式。當(dāng)執(zhí)行器反饋大于40%開(kāi)度，功率反饋小于10MW，延時(shí)0.2s電調(diào)自動(dòng)切至開(kāi)度模式。機(jī)組并網(wǎng)后機(jī)械開(kāi)限隨水頭變化而變化，防止由于功率變送器故障導(dǎo)致機(jī)組開(kāi)度過(guò)大。同時(shí)將監(jiān)控內(nèi)部對(duì)機(jī)組機(jī)端電壓的高低限制值作相應(yīng)的調(diào)整，增加電壓超限調(diào)節(jié)報(bào)警，出現(xiàn)無(wú)功不一致報(bào)警時(shí)閉鎖無(wú)功調(diào)節(jié)，并增加機(jī)組視在功率超限（＞350MVA）報(bào)警，閉鎖無(wú)功調(diào)節(jié)，在監(jiān)控系統(tǒng)操作畫面上增加無(wú)功調(diào)節(jié)手動(dòng)投退軟按鈕。

2.2.2 改進(jìn)球閥與尾水事故閘門閉鎖關(guān)系

為確保尾水管及尾閘安全運(yùn)行，設(shè)置了尾閘與球閥之間的閉鎖，即尾閘全開(kāi)才能開(kāi)啟球閥，球閥全關(guān)才能操作尾閘[2]。在最初的設(shè)計(jì)中，球閥控制系統(tǒng)中的尾閘全開(kāi)信號(hào)來(lái)自于監(jiān)控系統(tǒng)，其主要判據(jù)是尾閘碼盤顯示全開(kāi)信號(hào)或閘門下滑小于250mm信號(hào)保持25s以上且尾閘液壓鎖錠在投入狀態(tài)。由于機(jī)械碼盤在運(yùn)行過(guò)程中的抖動(dòng)和油壓系統(tǒng)的脈動(dòng)，易出現(xiàn)這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)丟失，從而導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法判斷尾閘全開(kāi)造成開(kāi)機(jī)閉鎖。電站在兩個(gè)方面作了改進(jìn)：首先完善監(jiān)控系統(tǒng)尾閘全開(kāi)判據(jù)，只有當(dāng)尾閘液壓鎖錠不在投入狀態(tài)、閘門下降400mm同時(shí)出現(xiàn)，且碼盤無(wú)尾閘全開(kāi)信號(hào)輸入時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)才會(huì)認(rèn)定閘門不在全開(kāi)狀態(tài)；其次是將尾閘全開(kāi)信號(hào)新增硬布線直接輸入到球閥PLC，若尾閘全開(kāi)信號(hào)丟失則閉鎖球閥開(kāi)啟，機(jī)組運(yùn)行中若尾閘下降400mm或中控室及機(jī)旁緊急落尾閘按鈕動(dòng)作，則機(jī)組立即通過(guò)機(jī)械跳閘矩陣，執(zhí)行停機(jī)程序，硬布線出口關(guān)閉球閥。只有球閥在全關(guān)位置，相應(yīng)尾閘才可以進(jìn)行“開(kāi)/關(guān)”操作，球閥對(duì)尾閘的閉鎖是通過(guò)球閥的兩個(gè)全關(guān)位置開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，球閥全關(guān)信號(hào)硬布線輸出到尾閘控制回路，閉鎖尾閘開(kāi)啟/關(guān)閉[2]。

2.2.3 優(yōu)化水庫(kù)水位過(guò)低跳機(jī)邏輯

2001年4月13日凌晨，由于下庫(kù)水位信號(hào)輸入模塊及其相應(yīng)終端卡二極管擊穿，導(dǎo)致下庫(kù)兩套水位測(cè)量系統(tǒng)1、2間不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，使監(jiān)控系統(tǒng)誤認(rèn)為下庫(kù)水位過(guò)低，造成正在運(yùn)行的4臺(tái)水泵機(jī)組每隔5分鐘停機(jī)。針對(duì)事故發(fā)生原因，經(jīng)分析電站對(duì)相關(guān)邏輯作了以下修改。一是增加了水位控制邏輯閉鎖功能，水位限制信號(hào)只有在自動(dòng)模式下才起作用，在監(jiān)視模式下不起作用。二是增加下庫(kù)水位測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)切換功能，水位測(cè)量系統(tǒng)1的工作電源開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后，自動(dòng)切換到水位測(cè)量系統(tǒng)2。三是下庫(kù)水位測(cè)量系統(tǒng)邏輯修改，當(dāng)下庫(kù)水位測(cè)量系統(tǒng)1故障或下庫(kù)水位低于290m時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)切換到系統(tǒng)2，若其測(cè)量值也低于290m，則監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件將測(cè)量值自動(dòng)切換為一個(gè)常數(shù)并報(bào)警，運(yùn)行人員可根據(jù)實(shí)際情況決定是否停機(jī)。

2.3 完善機(jī)械保護(hù)邏輯，提高保護(hù)正確動(dòng)作率

每臺(tái)機(jī)組均配置有電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)，電站監(jiān)控系統(tǒng)改造前所有機(jī)械保護(hù)均采用硬布線結(jié)構(gòu)，保護(hù)裝置由傳感器動(dòng)作輸入信號(hào)、現(xiàn)地控制盤UCB中的硬件跳閘矩陣和設(shè)備安全裝置出口繼電器組成。圖1為天荒坪電站機(jī)械跳閘保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 機(jī)械跳閘保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of mechanical tripping protection structure

機(jī)械跳閘矩陣改造基本原則為保持外部原有的基本框架和內(nèi)部邏輯主體結(jié)構(gòu)不變，改善不穩(wěn)定的保護(hù)輸入信號(hào)，優(yōu)化部分邏輯及原來(lái)不合理的設(shè)計(jì)，提高可靠性，增強(qiáng)交互性。新跳閘矩陣采用北京ABB貝利公司BRC400專用控制器，通過(guò)控制器內(nèi)部邏輯編程實(shí)現(xiàn)原有跳閘矩陣的功能。

2.3.1 溫度保護(hù)改造

在原發(fā)電電動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)中，機(jī)組各部位測(cè)溫點(diǎn)有部分直接輸入溫度智能卡，作為獨(dú)立溫度保護(hù)跳機(jī)點(diǎn)，剩余測(cè)點(diǎn)只作為監(jiān)測(cè)，不參與保護(hù)。因投產(chǎn)初期溫控RTD元件質(zhì)量不好，抗振、抗干擾能力差等原因，經(jīng)常導(dǎo)致溫度測(cè)量值出現(xiàn)瞬間突變或開(kāi)路，尤其是保護(hù)跳機(jī)點(diǎn)RTD出現(xiàn)故障時(shí)，即可出口誤跳機(jī)。

RTD改造后也發(fā)生過(guò)因溫度智能卡測(cè)量值短時(shí)突變出現(xiàn)跳機(jī)。在監(jiān)控系統(tǒng)改造中，電站取消了溫度保護(hù)回路中智能卡測(cè)量回路，將RTD信號(hào)直接接入監(jiān)控系統(tǒng)溫度處理模塊，通過(guò)軟件出口跳機(jī)。軟件出口邏輯優(yōu)化為該區(qū)域所有測(cè)溫點(diǎn)中3個(gè)或2個(gè)同時(shí)出現(xiàn)溫度高時(shí)才跳機(jī)。同時(shí)還滿足測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量正常即測(cè)點(diǎn)溫度變化速率正常，速率無(wú)突變等。此外，技術(shù)人員還通過(guò)在出口溫度跳閘回路上加延時(shí)、在油位保護(hù)回路上串聯(lián)報(bào)警節(jié)點(diǎn)信號(hào)等手段來(lái)防止元件瞬間誤動(dòng)造成跳機(jī)事故的發(fā)生。

2.3.2 防止一管甩三機(jī)和水淹廠房保護(hù)邏輯優(yōu)化

天荒坪電站主廠房位于下庫(kù)正常水位70m以下，一旦發(fā)生水淹廠房，后果不堪設(shè)想。由于高壓鋼管板材厚度不足，基建時(shí)未開(kāi)展動(dòng)水關(guān)球閥和一管三機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)，因此如何避免一管甩三機(jī)是電站防水淹廠房的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。在最初的設(shè)計(jì)中，上庫(kù)閘門控制系統(tǒng)收到緊急落門令信號(hào)時(shí)會(huì)立即關(guān)閉上庫(kù)閘門并出口跳同一輸水道三臺(tái)機(jī)組，由此可能導(dǎo)致壓力鋼管壓力波疊加，造成壓力上升值超過(guò)壓力鋼管設(shè)計(jì)保證值，損壞壓力鋼管發(fā)生和水淹廠房事故的發(fā)生。因此，在2、5號(hào)機(jī)相應(yīng)的跳閘回路出口繼電器增加了8s延時(shí)，這樣可使壓力鋼管的水擊波相互錯(cuò)開(kāi)，避免輸水管道爆裂事件的發(fā)生。

同時(shí)，為防止水淹廠房，在蝸殼層設(shè)置三套水淹廠房保護(hù)系統(tǒng)，任何一套系統(tǒng)動(dòng)作，都將立即跳全廠所有機(jī)組并關(guān)閉上庫(kù)閘門、尾水事故閘門和機(jī)組球閥檢修旁通閥。6臺(tái)機(jī)組同時(shí)跳閘不僅對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成難以估量的后果，由于水擊波的疊加可能造成輸水系統(tǒng)爆裂。因此，天荒坪電站在其跳機(jī)回路上增加了延時(shí)功能，避免6臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷。目前，1、4號(hào)機(jī)延時(shí)10s跳機(jī)，2、5號(hào)機(jī)延時(shí)20s跳機(jī)，3、6號(hào)機(jī)延時(shí)30s跳機(jī)。

2.3.3 增加上庫(kù)閘門和尾水事故閘門異常下滑報(bào)警、跳機(jī)位置開(kāi)關(guān)

根據(jù)最初的設(shè)計(jì)原則，上庫(kù)閘門和尾水閘門系統(tǒng)若發(fā)生異常下滑現(xiàn)象，相關(guān)機(jī)組無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)，這給高壓斜井和尾水隧道的安全運(yùn)行造成了極大的隱患。為此，電站對(duì)上庫(kù)閘門實(shí)施了如下改造：一是增加下降200mm行程開(kāi)關(guān)1只，硬布線送監(jiān)控報(bào)警。二是增加閘門全開(kāi)行程開(kāi)關(guān)各1只，硬布線接入上庫(kù)閘門控制系統(tǒng)作為閘門全開(kāi)機(jī)械保護(hù)。三是增加閘門下降400mm行程開(kāi)關(guān)2只，硬布線接入1號(hào)機(jī)組冗余跳閘矩陣，延時(shí)10s動(dòng)作出口機(jī)械跳閘。四是增加閘門下降600mm行程開(kāi)關(guān)2只，硬布線接入2號(hào)機(jī)組冗余跳閘矩陣，延時(shí)10s動(dòng)作出口機(jī)械跳閘。五是增加閘門下降800mm行程開(kāi)關(guān)2只，硬布線接入3號(hào)機(jī)組冗余跳閘矩陣，延時(shí)10s動(dòng)作出口機(jī)械跳閘。同時(shí)對(duì)尾水事故閘門控制系統(tǒng)實(shí)施了如下改造：一是增加一套閘門異常下滑裝置，增設(shè)兩只下降400mm行程開(kāi)關(guān)，硬布線接入相應(yīng)機(jī)組冗余跳閘矩陣，延時(shí)2s動(dòng)作出口機(jī)械跳閘。二是增設(shè)閘門全開(kāi)行程開(kāi)關(guān)2只，硬布線接入閘門控制系統(tǒng)作為閘門全開(kāi)機(jī)械保護(hù)。

3 對(duì)國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的思考

隨著對(duì)抽水蓄能運(yùn)行和管理規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深化，尤其是國(guó)內(nèi)第一批建設(shè)的抽水蓄能電站已基本完成了第一輪大規(guī)模設(shè)備改造，在運(yùn)行管理中得到的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)是設(shè)計(jì)優(yōu)化的源泉，也是提高行業(yè)運(yùn)行管理水平的寶貴財(cái)富。后續(xù)建設(shè)的抽水蓄能電站，其二次保護(hù)邏輯的設(shè)置和優(yōu)化大多借鑒了天荒坪電站設(shè)備改造和運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)。

3.1 尾水事故閘門功能設(shè)計(jì)

根據(jù)天荒坪電站尾水事故閘門運(yùn)行和改造的實(shí)踐，宜興、洪屏、仙居等抽水蓄能電站均在中控室和地下廠房發(fā)電機(jī)層設(shè)置了緊急落門按鈕并以獨(dú)立光纜的形式接至閘門控制回路，尾水事故閘門參照天荒坪的運(yùn)行情況設(shè)置閘門異常下滑裝置。宜興電站在尾閘的控制回路中均采用“尾閘下降至跳機(jī)開(kāi)度”信號(hào)來(lái)動(dòng)作跳機(jī)，尾閘有280mm和400mm 兩個(gè)下落位置信號(hào)，當(dāng)尾閘在全開(kāi)位置下落280mm時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)尾閘繼續(xù)下落到400mm時(shí)，觸動(dòng)相應(yīng)機(jī)組機(jī)械跳機(jī)。

仙居電站尾閘在全開(kāi)位置、下降 280mm、400mm三個(gè)位置均設(shè)置兩個(gè)位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)尾閘在全開(kāi)位置下落280mm時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)尾閘繼續(xù)下落到400mm時(shí)，觸動(dòng)相應(yīng)機(jī)組機(jī)械跳機(jī)。

3.2 溫度保護(hù)設(shè)計(jì)

同天荒坪電站溫度保護(hù)改造一樣，洪屏、仙居抽蓄電站溫度保護(hù)根據(jù)部位不同也采用N選2或N選3邏輯。溫度信號(hào)根據(jù)越限等級(jí)作用于報(bào)警和機(jī)械跳機(jī)。為防止測(cè)溫元件本身質(zhì)量不良或外部干擾引起保護(hù)誤動(dòng)作，設(shè)計(jì)時(shí)在機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中分別設(shè)置了量程上下限模塊和溫升速率判斷模塊來(lái)屏蔽不良信號(hào)。溫升的報(bào)警值一般設(shè)定兩級(jí)，監(jiān)控模塊對(duì)測(cè)量值進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)的報(bào)警等級(jí)并產(chǎn)生不同的結(jié)果。

機(jī)組軸瓦運(yùn)行溫度是電站日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，作用于跳機(jī)的溫控元件絕大多數(shù)設(shè)置在發(fā)電機(jī)各個(gè)導(dǎo)軸承，測(cè)點(diǎn)多、要求高、易誤動(dòng)是抽水蓄能發(fā)電機(jī)組溫控保護(hù)的特點(diǎn)之一。新建電站在設(shè)計(jì)時(shí)，軸瓦溫度保護(hù)大多增設(shè)冗余判斷，對(duì)信號(hào)采用N選2或N選3出口邏輯，當(dāng)同一部位任意兩溫度測(cè)點(diǎn)達(dá)到停機(jī)值時(shí)便執(zhí)行停機(jī)操作。當(dāng)然，監(jiān)控系統(tǒng)事先會(huì)對(duì)測(cè)溫信號(hào)進(jìn)行品質(zhì)、越限報(bào)警和是否正在運(yùn)行狀態(tài)等做出辨別判斷，否則會(huì)閉鎖出口。

3.3 液位保護(hù)設(shè)計(jì)

機(jī)組液位包括水位和油位兩部分。大多數(shù)液位報(bào)警只作用于報(bào)警，根據(jù)部位不同，設(shè)置的越限要求也不同，有些部位只設(shè)置越上限報(bào)警，如水輪機(jī)頂蓋排水，越下限作用于頂蓋排水泵停泵。但新建抽水蓄能在頂蓋排水系統(tǒng)中多采用了天荒坪電站改造的射流泵，只保留了越高限報(bào)警。機(jī)組各軸承油位槽和調(diào)速器、球閥壓力油罐等均設(shè)置了上下限越級(jí)報(bào)警，由于油位太低可能對(duì)設(shè)備造成較大傷害，抽水蓄能機(jī)組對(duì)各軸承油槽和壓力油罐均設(shè)置了油位低低報(bào)警并延時(shí)后作用于跳機(jī)?，F(xiàn)在不少抽水蓄能電站參照天荒坪電站在設(shè)置液位第二級(jí)越下限作用于停機(jī)的保護(hù)回路中，為防止誤跳機(jī)，往往串接第一級(jí)越下限作為閉鎖。

3.4 過(guò)速保護(hù)優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組過(guò)速保護(hù)分為機(jī)械過(guò)速和電氣過(guò)速。早期的機(jī)械過(guò)速保護(hù)通常采用發(fā)電機(jī)大軸上的離心飛擺裝置動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)反措和水電廠安全性評(píng)價(jià)的要求，機(jī)械過(guò)速必須裝設(shè)純機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)，動(dòng)作后應(yīng)直接動(dòng)作調(diào)速器主配壓閥和球閥緊急關(guān)閉回路，關(guān)閉球閥導(dǎo)葉，同時(shí)輸出電氣接點(diǎn)至機(jī)組LCU報(bào)警并通過(guò)機(jī)械跳閘矩陣作用于停機(jī)。機(jī)械過(guò)速保護(hù)的整定值應(yīng)結(jié)合機(jī)組調(diào)整，按最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行整定。

電氣過(guò)速保護(hù)較為簡(jiǎn)單，通常采用齒盤和機(jī)端PT測(cè)速，兩路信號(hào)源均送給調(diào)速器處理。在電氣過(guò)速保護(hù)中，過(guò)速信號(hào)判別一般以齒盤信號(hào)為主，PT測(cè)速信號(hào)作為調(diào)速器內(nèi)部進(jìn)行比對(duì)參考。過(guò)速保護(hù)測(cè)量回路能判斷識(shí)別信號(hào)斷線、信號(hào)越限、裝置異常等故障。電氣過(guò)速保護(hù)整定值根據(jù)調(diào)保計(jì)算確定，當(dāng)測(cè)得轉(zhuǎn)速大于整定值時(shí)，轉(zhuǎn)速CPU輸出過(guò)速信號(hào)，機(jī)組通過(guò)機(jī)械跳閘矩陣出口停機(jī)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)丟失任何一路測(cè)速回路，均可發(fā)出電調(diào)故障報(bào)警；兩路同時(shí)丟失時(shí)，機(jī)組動(dòng)作結(jié)果與工況有關(guān)，同時(shí)發(fā)出電調(diào)故障報(bào)警或電調(diào)故障跳機(jī)信號(hào)。

3.5 監(jiān)控控制回路設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.5.1 機(jī)械制動(dòng)控制邏輯優(yōu)化

大型抽水蓄能機(jī)組水頭高、轉(zhuǎn)速高，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作異常，輕則造成啟停機(jī)失敗，重則發(fā)生機(jī)組高轉(zhuǎn)速時(shí)誤投制動(dòng)、機(jī)組帶機(jī)械制動(dòng)升速等惡性故障，造成發(fā)電電動(dòng)機(jī)粉塵污染、制動(dòng)器損壞、機(jī)組軸系偏移等嚴(yán)重不良后果。

鑒于天荒坪公司機(jī)械制動(dòng)投、退邏輯運(yùn)行安全可靠，響水澗、仙居、洪屏、仙游等電站設(shè)計(jì)階段優(yōu)化了機(jī)械制動(dòng)控制原理。機(jī)械制動(dòng)控制回路中串接導(dǎo)葉全關(guān)、5%Nr機(jī)組轉(zhuǎn)速和GCB分閘常開(kāi)接點(diǎn)，閉鎖機(jī)械制動(dòng)投入。

3.5.2 背靠背拖動(dòng)機(jī)組出口斷路器跳閘回路優(yōu)化

背靠背啟動(dòng)作為抽水蓄能電站特有的運(yùn)行方式，是泵工況啟動(dòng)重要的備用方式。在背靠背啟動(dòng)的過(guò)程中，拖動(dòng)機(jī)組作為原動(dòng)機(jī)，其出口斷路器處于合閘狀態(tài)，和被拖動(dòng)機(jī)組建立的電氣軸上流過(guò)的都是低頻電流。如果啟動(dòng)過(guò)程中任何一臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)電氣故障時(shí)，拖動(dòng)機(jī)組出口斷路器將立即跳閘。但拖動(dòng)電流頻率越低，機(jī)組斷路器切斷故障電流能力就越差，直接影響到斷路器的使用壽命。為保證設(shè)備安全，天荒坪電站在設(shè)備投產(chǎn)調(diào)試時(shí)就增設(shè)了背靠背拖動(dòng)機(jī)組跳閘閉鎖邏輯，當(dāng)機(jī)組保護(hù)動(dòng)作時(shí)，先跳滅磁開(kāi)關(guān)，在一定延時(shí)后解除低頻（整定值為25Hz）閉鎖，再跳機(jī)組GCB開(kāi)關(guān)。根據(jù)天荒坪的經(jīng)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)策略后應(yīng)用在宜興、響水澗、洪屏、仙居抽蓄機(jī)組。

3.5.3 機(jī)組進(jìn)水閥和尾水事故閘門閉鎖回路優(yōu)化

洪屏、仙居電站球閥與尾閘操作在電氣回路上均采用硬布線閉鎖，安全聯(lián)鎖邏輯通過(guò)電纜接線來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于電纜連接距離較遠(yuǎn)，閉鎖接點(diǎn)采用抗干擾大功率繼電器進(jìn)行重動(dòng)，電源采用DC220V。一些抽水蓄能電站由于球閥關(guān)閉回路串接了尾閘全開(kāi)信號(hào)，發(fā)生了多次尾閘全開(kāi)信號(hào)丟失導(dǎo)致球閥誤關(guān)閉的事件，借鑒天荒坪改造經(jīng)驗(yàn)，將尾閘下降小于400mm機(jī)械位置開(kāi)關(guān)量信號(hào)作為全開(kāi)信號(hào)判據(jù)之一，極大地降低了球閥誤動(dòng)幾率。

4 結(jié)束語(yǔ)

天荒坪電站運(yùn)行二十年來(lái)設(shè)備改造點(diǎn)多面廣、時(shí)間長(zhǎng)、難度大，很多改造在后續(xù)建設(shè)的抽水蓄能電站上都得到了推廣和應(yīng)用。本文只對(duì)天荒坪電站二次設(shè)備改造的一部分作了介紹。通過(guò)對(duì)天荒坪二次設(shè)備改造的梳理和總結(jié)，結(jié)合后續(xù)應(yīng)用的成效，從設(shè)計(jì)的角度我們覺(jué)得有以下幾個(gè)方面值得思考：

（1）設(shè)計(jì)的生命在于應(yīng)用。作為設(shè)計(jì)單位，要高度重視電站投產(chǎn)后設(shè)計(jì)成果在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用效果，不斷總結(jié)提高。尤其是抽水蓄能快速發(fā)展的今天，更要抽時(shí)間、花力氣去走訪、調(diào)研已投運(yùn)電站設(shè)備運(yùn)行和改造的情況，汲取養(yǎng)分，不斷改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案，把服務(wù)客戶的理念真正落到實(shí)處。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)要特別重視自動(dòng)化元件動(dòng)作的可靠性?；〞r(shí)就要十分關(guān)注自動(dòng)化元件的選型，盡量采用電氣量的元件，避免可靠性較低的機(jī)械式產(chǎn)品。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)二次跳閘回路的分析，增加防誤跳措施[2]。

（3）對(duì)機(jī)械保護(hù)的設(shè)置原則既要保護(hù)設(shè)備本身，也要考慮電網(wǎng)的承受能力。隨著西電東送電量越來(lái)越大，電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能快速響應(yīng)的要求也越來(lái)越高，對(duì)哪些保護(hù)需要直接作用于跳機(jī)，哪些保護(hù)可只設(shè)報(bào)警，一定要多分析、研究。在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，要在保護(hù)設(shè)備和電網(wǎng)響應(yīng)需要尋找平衡點(diǎn)。