抽蓄機(jī)組高速加閘的原因分析與預(yù)控措施

曹永闖，劉鵬龍，吳小鋒，李 欣，董傳奇

（1. 河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽473000；2. 河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng)453636）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組為可逆式發(fā)電電動機(jī)，機(jī)組正常停機(jī)制動采用電氣/機(jī)械制動兩種方式，分別在轉(zhuǎn)速低于50%/5%額定轉(zhuǎn)速時投人。停機(jī)制動的作用是有效地防止機(jī)組惰轉(zhuǎn)或蠕動對軸瓦造成損壞，縮短機(jī)組停機(jī)時間。

當(dāng)機(jī)組在啟停機(jī)過程轉(zhuǎn)速較高或穩(wěn)態(tài)運行時，若此時監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出投制動令、或機(jī)組保護(hù)程序發(fā)出投制動令、或人為誤操作投制動，則機(jī)組機(jī)械制動便立即投人，將造成機(jī)組高速加閘。

1 高速加閘的原因分析

1.1 機(jī)械制動投入邏輯

以B抽蓄電站為例，機(jī)械制動采用制動盤加兩套液壓鉗的液壓制動方式，液壓制動系統(tǒng)布置在發(fā)電機(jī)層集電環(huán)室內(nèi)，機(jī)械制動的投入大體分兩種情況，分為在機(jī)組停機(jī)流程中投入和蠕動程序流程中投入。機(jī)械制動在機(jī)組停機(jī)流程中投入的情況如圖1所示：1）機(jī)組測速裝置正常（01GRE_001MC_DZ_F0），且機(jī)組轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速（01GRE_015SC_DI_DET），且機(jī)組導(dǎo)葉全關(guān)（01GTA_GATE_C）；2）機(jī)組測速裝置正常（01GRE_001MC_DZ_F0），且機(jī)組停穩(wěn)無蠕動（01GRE_202SC_DI_DET）；3）機(jī)組測速裝置正常（01GRE_001MC_DZ_F0），且機(jī)械制動系統(tǒng)可用（01GAL_651FG_DZ_AV），且機(jī)組導(dǎo)葉全關(guān)（01GTA_GATE_C），且機(jī)組轉(zhuǎn)速小于25%額定轉(zhuǎn)速（01GRE_016SC_DI_DET），且意外情況（比如停機(jī)過程中電氣制動未投入同時高壓注油泵停運或?qū)邷囟雀呋蚧馂?zāi)報警時）啟動機(jī)械制動（01GTA_001GA_DZ_MSE）。機(jī)械制動在蠕動程序流程中投入的情況如圖2所示：機(jī)組LCU可用（01GTA_002CC_DI_SVC），且機(jī)組測速裝置正常（01GRE_001MC_DZ_F0），且機(jī)組停穩(wěn)無蠕動信號丟失（01GRE_202SC_DI_DET），此時會啟動機(jī)組蠕動程序，投入機(jī)械制動。

1.2 兩起高速加閘事件的情況介紹及原因分析

（1）2014年07月31日，X抽蓄電站3號機(jī)發(fā)電啟機(jī)過程中帶閘開機(jī)導(dǎo)致機(jī)組機(jī)械跳機(jī)，主要監(jiān)控報文如下：

19：00：26.585 3 號機(jī)組發(fā)電命令

19：01：20.810 3 號機(jī)組順控流程 S6-2步續(xù)完成

19：01：20.810 3 號機(jī)組順控流程 S6-3步續(xù)完成

19：01：52.340 3號機(jī)組發(fā)電機(jī)火災(zāi)報警

19：01：54.159 3號機(jī)組制動閘下腔壓力動作報警（第一次）

19：01：54.167 3號機(jī)組制動閘下腔壓力動作報警（第二次）

19：02：02.306 3號機(jī)轉(zhuǎn)速大于 95%

19：02：03.508 3 號機(jī)組制動閘頂起

19：02：03.610 3號機(jī)組機(jī)械剎車異常動作跳機(jī)

19：02：03.610 3號機(jī)組機(jī)械跳閘動作

帶閘開機(jī)原因分析：

根據(jù)監(jiān)控事件表，“3號機(jī)組順控流程S6-2步續(xù)完成”與“3號機(jī)組順控流程S6-3步續(xù)完成”時間一致，而未找到“3號機(jī)組順控流程S6-3步續(xù)運行”信號，說明S6-3步續(xù)未執(zhí)行。根據(jù)監(jiān)控程序，如圖3所示，S6-3步續(xù)的反饋條件為：“制動閘落下”（PI；B.MBK.OFF）及“調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥復(fù)歸”（PI；B.GOV.EMG.VALVE.ACT取反）同時滿足。查監(jiān)控記錄已在19：00：36.001收到“調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥復(fù)歸”信號，查“制動閘落下”信號，發(fā)現(xiàn)該信號在7月30日08：55：04后就一直存在，至31日3號機(jī)開機(jī)時未變化過。由于此信號的存在，導(dǎo)致監(jiān)控發(fā)電開機(jī)S6-3步續(xù)的反饋條件滿足，該步退制動閘令“SEQ；CMD.MBK.OFF.S6.3”未發(fā)出，實際機(jī)械制動未退出而直接往下執(zhí)行開導(dǎo)葉，最終造成帶閘開機(jī)。“制動閘落下”信號一直存在是導(dǎo)致帶閘開機(jī)的主要原因。

（2）2018年08月13日，L抽蓄電站4號機(jī)組發(fā)電工況帶300 MW負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行過程中，在100%額定轉(zhuǎn)速（250 r/min）時機(jī)械制動異常投入，導(dǎo)葉異常關(guān)閉，逆功率保護(hù)動作，機(jī)組電氣停機(jī)。主要監(jiān)控報文如下：

20：18：46 671 4號機(jī)組機(jī)械制動電磁閥403EM勵磁動作

20：18：47 560 4號機(jī)組機(jī)械制動 1號缸制動投入位限位開關(guān)動作

20：18：47 560 4號機(jī)組機(jī)械制動 2號缸制動投入位限位開關(guān)動作

20：18：47 560 4號機(jī)組機(jī)械制動 3號缸制動投入位限位開關(guān)動作

20：18：47 560 4號機(jī)組機(jī)械制動 4號缸制動投入位限位開關(guān)動作

20：18：47 560 4號機(jī)組機(jī)械制動 5號缸制動投入位限位開關(guān)動作

20：18：47 560 4號機(jī)組機(jī)械制動 6號缸制動投入位限位開關(guān)動作

20：19：07 728 4 號機(jī)組消防火災(zāi)報警

20：19：12 943 4號機(jī)組逆功率保護(hù)動作引起機(jī)組電氣事故停機(jī)

20：19：13 034 4號機(jī)組保護(hù)裝置發(fā)出機(jī)組跳閘命令

20：19：13 052 4 號機(jī)組跳閘命令已發(fā)出

圖1 機(jī)組停機(jī)流程中機(jī)械制動投入邏輯

圖2 蠕動程序流程中機(jī)械制動投入邏輯

圖3 S6-3步續(xù)執(zhí)行反饋條件

高速加閘原因分析：

從以上監(jiān)控事件可以看出，20：18：46 4號機(jī)組機(jī)械制動隔離閥電磁閥403EM動作，機(jī)械制動6個風(fēng)閘投入，20：19：07 4 號機(jī)組消防火災(zāi)報警，20：19：12 4號機(jī)組保護(hù)裝置逆功率保護(hù)動作、4號機(jī)組電氣停機(jī)。查看監(jiān)控系統(tǒng)歷史記錄，發(fā)現(xiàn)事故過程中4號機(jī)組LCU主備用PCX（現(xiàn)地控制單元主控制器）出現(xiàn)自動切換的現(xiàn)象，如下所示：

20：16：12 400 4號機(jī)組LCU主用PCX故障 消失-＞存在

20：16：12 400 4 號機(jī)組 LCU 主時鐘單元 正常-＞故障

20：16：22 540 4 號機(jī)組 LCU 主時鐘單元 故障-＞正常

20：16：22 540 4號機(jī)組LCU主用通信單元 正常-＞故障

20：18：30 000 4號機(jī)組LCU主用通信單元 故障-＞正常

20：18：30 000 4 號機(jī)組 LCU 主用 PCX 故障 -＞正常

20：18：34 980 4 號機(jī)組 LCU 備用 PCX 運行 -＞停運

20：18：40 180 4 號機(jī)組 LCU 備用 PCX 停運 -＞運行

20：18：46 680 4 號機(jī)組 LCU 主用 PCX 備用 -＞主用

20：18：46 680 4 號機(jī)組 LCU 備用 PCX 主用 -＞備用

20：19：17 200 4 號機(jī)組 LCU 主用 PCX 故障 存在-＞消失

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，由備用PCX切換至主用PCX過程中，發(fā)電工況運行機(jī)組狀態(tài)信號出現(xiàn)變位現(xiàn)象，機(jī)組發(fā)電狀態(tài)消失，機(jī)組狀態(tài)變?yōu)槌跏紶顟B(tài)，如下所示：

20：18：46 567 4 號機(jī)組出口開關(guān)位置 未合 -＞合上

20：18：46 567 4 號機(jī)組停機(jī)穩(wěn)態(tài) 是 -＞ 不是

20：18：46 671 4 號機(jī)組發(fā)電穩(wěn)態(tài) 是 -＞ 不是

20：18：46 671 4 號機(jī)組發(fā)電 /發(fā)電調(diào)相 /抽水 /抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài) 存在-＞消失

20：18：46 671 4 號機(jī)組初始狀態(tài) 不是 -＞ 是

20：18：46 671 4 號機(jī)組運行狀態(tài) 是 -＞ 不是

查看監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部邏輯，如圖4所示，機(jī)組在初始狀態(tài)下（Init State），如監(jiān)測到機(jī)組轉(zhuǎn)速大于零（01 GTA_SQ03 S93 CI），監(jiān)控將判斷機(jī)組出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象，機(jī)組順控流程啟動（F/01 GTA_SQ03 SFC{0}），啟動高壓油頂起系統(tǒng)并投入機(jī)械制動。此次故障原因為機(jī)組現(xiàn)地控制單元PCX故障切換過程中，機(jī)組狀態(tài)信號由發(fā)電狀態(tài)變?yōu)槌跏紶顟B(tài)，此時監(jiān)測到機(jī)組轉(zhuǎn)速大于零，觸發(fā)蠕動程序，監(jiān)控發(fā)令投入機(jī)械制動，導(dǎo)致機(jī)組高速加閘。

圖4 機(jī)組蠕動程序

2 高速加閘的預(yù)控措施

高速加閘的后果比較嚴(yán)重，輕則造成閘瓦磨損燒壞，重則造成風(fēng)閘裝置及制動環(huán)毀壞、引起軸系重心的偏移，更嚴(yán)重的可引起風(fēng)洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi)造成發(fā)電機(jī)著火。高速加閘事件的發(fā)生，引起抽蓄系統(tǒng)管理者的高度重視，經(jīng)廠家及專業(yè)技術(shù)人員研究，提出以下3種預(yù)控措施。

2.1 從機(jī)械制動投入邏輯方面閉鎖機(jī)組高速加閘

以B抽蓄電站為例，如圖5所示，異動前的機(jī)械制動投入條件需要滿足機(jī)械制動系統(tǒng)可用（01GAL_651FG_DZ_AV）、機(jī)械制動投入命令（01GAL_651EL_DK_ON）、機(jī)械 制 動無 釋 放命 令（01GAL_651EL_DK_OF）、機(jī) 組 在 停 機(jī) 過 程 中（01GTA_SQ88_DZ_INP或04GTA_SQ98_DZ_INP）；異動后的機(jī)械制動投入條件，如圖6所示，增加了機(jī)組測速裝置正常（01GRE_001MC_DZ_F0）、機(jī)組轉(zhuǎn)速小于 25%（01GRE_016SC_DI_DET）、機(jī) 組 轉(zhuǎn) 速 不 大 于 25%（01GRE_021SC_DI_DET取反），實現(xiàn)了從機(jī)械制動投入邏輯方面閉鎖機(jī)組高速加閘。

圖5 機(jī)械制動投入邏輯異動前

圖6 機(jī)械制動投入邏輯異動后

2.2 從機(jī)械制動投入控制回路方面閉鎖機(jī)組高速加閘

以B抽蓄電站為例，如圖7所示，異動前的機(jī)械制動投入電磁閥0*GAL651EL控制回路，只需220 V直流合閘即可勵磁投入。異動后，如圖8所示，在0*GAL651EL控制回路中串聯(lián)2個常開節(jié)點RV16（機(jī)組轉(zhuǎn)速 ＜25%）、RV24（機(jī)組轉(zhuǎn)速 ＜10%），即只有在機(jī)組轉(zhuǎn)速＜10%額定轉(zhuǎn)速時才能投入機(jī)械制動，實現(xiàn)了從機(jī)械制動投入控制回路方面閉鎖機(jī)組高速加閘。

2.3 設(shè)置機(jī)組高速加閘保護(hù)

以L抽蓄電站為例，異動前并未設(shè)置高速加閘保護(hù)，異動后設(shè)置了高速加閘保護(hù)。保護(hù)邏輯如圖9所示：機(jī)組在調(diào)速器測速裝置正常（01GRE_001MC_DZ_F0），且機(jī)組轉(zhuǎn)速大于25%額定轉(zhuǎn)速（01GRE_021SC_DI_DET），且監(jiān)控監(jiān)測到機(jī)械制動投入（01GAL_651EL_DO_ON），直接退機(jī)械制動，同時作用于報警和機(jī)械事故停機(jī)。

圖7 機(jī)械制動投入控制回路異動前

圖8 機(jī)械制動投入控制回路異動后

圖9 機(jī)組高速加閘保護(hù)邏輯

3 結(jié)論及注意事項

經(jīng)過上述3項預(yù)控措施的異動，目前電廠高速加閘的事故隱患已基本解決，異動后機(jī)組運行至今未發(fā)生一起高速加閘事件，但有幾個問題值得注意：

（1）在機(jī)組測速裝置故障的情況下，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速信號的丟失會影響高壓注油泵、電氣制動、機(jī)械制動的投退，運維人員可參考狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測速裝置測量的轉(zhuǎn)速值，及時手動投退高壓注油泵和機(jī)械制動。

（2）由于機(jī)組LCU主備用PCX具備實時通信、無擾動切換功能，為確保這一功能的正常使用，避免主備用PCX切換時出現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)初始化現(xiàn)象，需要定期在并網(wǎng)工況中進(jìn)行主備用PCX切換試驗。

（3）防止高速加閘改造提取的轉(zhuǎn)速信號應(yīng)為常開節(jié)點，監(jiān)控中的“制動閘頂起”及“制動閘落下”信號輸出節(jié)點也應(yīng)為常開節(jié)點，防止在裝置故障或控制電源丟失情況下誤發(fā)信號。

（4）機(jī)組蠕動程序邏輯中，機(jī)組停穩(wěn)無蠕動信號較為重要，需要定期檢查維護(hù)，確保此信號接線良好、端子緊固，防止其信號丟失導(dǎo)致誤發(fā)信號。

（5）“制動退出狀態(tài)”信號應(yīng)取所有制動器位置信號的“與”邏輯，且同時滿足動力管路壓力低于某一定值（由制動系統(tǒng)設(shè)計值來進(jìn)行合理整定）。

（6）為防止控制回路故障時誤投制動，動力管路上的介質(zhì)控制電磁閥（制動投退電磁閥）應(yīng)采用單線圈單穩(wěn)態(tài)電磁閥，電磁閥勵磁時投入制動，電磁閥失磁時退出制動。

（7）機(jī)組啟動過程中，流程執(zhí)行到退機(jī)械制動這一步時，無論當(dāng)前機(jī)械制動狀態(tài)是投入還是退出，均應(yīng)無條件發(fā)機(jī)械制動退出令（命令寬度應(yīng)確保機(jī)械制動可靠退出），命令發(fā)出后，必須收到“制動退出狀態(tài)”信號并經(jīng)延時后，流程方可繼續(xù)下一步。

（8）對于設(shè)計上停機(jī)穩(wěn)態(tài)時機(jī)械制動保持投入的機(jī)組，“制動投入狀態(tài)”、“制動系統(tǒng)可用（包括設(shè)備控制層、設(shè)備有無故障、電源狀態(tài)等條件）”應(yīng)作為機(jī)組啟動的初始條件，條件不滿足時閉鎖啟動機(jī)組。