老撾南塔河1 號水電站調(diào)速器失電停機及自動跳閘設計

梁啟東，陳 洋,覃貴芳

（1.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，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)技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著我國水電行業(yè)的發(fā)展，水電站運行的自動化程度越來越高，安全性要求也越來越高。安全生產(chǎn)的指導思想已經(jīng)從以保設備為主轉變?yōu)橐匀松戆踩珵橹鳌?/p>

我國的水電行業(yè)自動化規(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性的要求，其他的配套、完整方案需要水電站設計單位、水電站運營單位自行完善。對設計院而言，既要滿足規(guī)范要求，又要針對各個水電站實際提出有效合理的設計方案。

老撾南塔河1 號（Nam Tha 1）水電站工程是由南方電網(wǎng)公司出資建設，老撾電力公司（EDL）參股的BOT 項目，中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司為設計單位。

本工程的調(diào)速器失電停機且自動跳閘方案，已在某工程投入使用超過3 年。本研究主要探討發(fā)電機出口斷路器（GCB）在調(diào)速器失電停機時自動跳閘，并最大限度防止誤跳的設計方案。

1 問題的提出

1.1 基本情況

南塔河位于老撾人民共和國的北部，為湄公河的一級支流。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)電廠房及進廠公路組成，屬Ⅰ等工程。壓力鋼管采用一管三機的供水方式，主管直徑為8.20 m，為Y 型岔管。電站廠房安裝3 臺56MW 共168MW 的混流式水輪發(fā)電機組。

發(fā)電機-升壓變壓器采用單元接線方式，發(fā)電機出口設斷路器。115 kV 側采用戶內(nèi)GIS 設備，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 一級電壓供電，廠用電源分別從3 臺發(fā)電機端引接并經(jīng)廠用變壓器降壓后獲得，另采用一臺柴油發(fā)電機組作為備用電源。生活區(qū)供電電源從1#或2#發(fā)電機機端引接后經(jīng)電力變壓器升壓至22 kV，再由架空線路送出至生活區(qū)。電站采用計算機監(jiān)控，按盡可能少用人值班的理念設計。

1.2 失電停機方案設計背景

根據(jù)中國水電行業(yè)現(xiàn)行標準《水力發(fā)電廠自動化設計技術規(guī)范》（NB/T 35004-2013）中4.1.1 條的要求：水輪發(fā)電機組應選用數(shù)字式電氣液壓調(diào)速器。調(diào)速器宜采用失電停機原則，在控制回路電壓消失時，調(diào)速器宜自動關閉導水機構[1]。

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

該“規(guī)范”正式實施后，國內(nèi)幾大發(fā)電集團也陸續(xù)對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施新“要求”較為困難，因為該要求涉及到電站內(nèi)多個系統(tǒng)，而電廠有限的技術難以完成完整的方案。

2 失電停機方案設計

2.1 失電停機要求分析

《水力發(fā)電廠自動化設計技術規(guī)范》中的要求十分清晰，即調(diào)速器在失電時，由調(diào)速器關閉導水機構，從而切斷發(fā)電機組驅動力，達到停機的目的[3]。

為滿足該要求，需解決以下幾個問題：

（1）機組運行過程中，如果只關閉導水機構，機組失去動力，但機組未與電網(wǎng)解接，電網(wǎng)則可給機組送電，即從電網(wǎng)倒吸負荷，成為電動機，這是必須要避免的。因此在關閉導水機構的同時需要自動跳開發(fā)電機出口斷路器（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。當僅調(diào)速器失電時，全廠直流系統(tǒng)正常，GCB 的操作回路直流電源正常，此時應該能夠正常跳閘。當全廠直流系統(tǒng)崩潰時，GCB 的控制回路直流電源也失電，此時仍要完成一次跳閘。

（3）GCB 如何與失電的調(diào)速器配合。

2.2 失電停機解決方案

最關鍵問題在于調(diào)速器失電后GCB 自動跳閘。老撾南塔河1 號水電站的GCB 配置了直流失壓脫扣器[4]。正常時失壓脫扣器由直流電源維持，當失壓脫扣器電源消失時，自動跳開GCB。當僅調(diào)速器直流電源消失而停機時，失壓脫扣器電源正常，調(diào)速器直流電源消失信號應能上送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)，再由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令使GCB通過其跳閘操作回路跳閘。

但采用失壓脫扣器又存在另一個問題，即：如果機組仍在正常運行，僅僅是GCB 操作回路失電，則失壓脫扣器也會失電，導致GCB 誤跳閘[5]，該情況必須避免。判斷機組正常運行有多種方法，本工程取發(fā)電機出口電壓互感器（PT）電壓作為判據(jù)，即當PT 電壓正常時，認為機組應在正常運行。PT 電壓可經(jīng)開關電源轉換為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GCB 操作回路的直流電源消失時，只要機組正常發(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計了一個失壓脫扣回路。

失壓脫扣回路作為調(diào)速器失電停機工況的補充控制，不應僅僅在全廠失電時生效，在同時滿足“調(diào)速器失電”和“GCB 無法通過操作回路正常跳閘”兩個條件時，失壓脫扣回路也應生效。上述兩個信號接點應串入失壓脫扣回路。

調(diào)速器失電：該信號因調(diào)速器廠家不同，判斷邏輯也不相同。老撾南塔河1 號水電站采用南瑞的調(diào)速器，經(jīng)與廠家核實，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，且有無源接點上送信號。

GCB 無法通過操作回路正常跳閘：操作回路失電或跳閘回路斷線都會導致GCB 無法T 通過該回路正常跳閘。因此僅僅取操作回路的電源監(jiān)視信號無法包含所有工況。根據(jù)我國的設計習慣，該操作回路一般做在發(fā)電機保護的操作箱中，操作箱的“控制回路斷線”信號正好可以包含以上兩種工況。

GCB 失壓脫扣回路接線設計如圖1 所示。

圖1 GCB 失壓脫扣回路接線示意圖

2.3 失壓脫扣回路的補充說明

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 運行，兩個電源輸入端應配置空開。

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

（3）PT 二次側電壓一般為100 V（老撾為110 V），可能無法找到合適的AC/DC 開關電源。尤其國內(nèi)直流系統(tǒng)為DC220 V，難以找到由AC100 V 升壓為DC220 V的開關電源。此時可以配置1 個小型變壓器，先將PT 二次側電壓升壓，再串接合適的AC/DC 開關電源。老撾南塔河1 號水電站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AC220 V/DC110 V 的開關電源，如圖2 所示。

圖2 老撾南塔河1 號水電站GCB 失壓脫扣回路的PT 電壓輸入回路

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

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

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

（7）建議回路中設計1 個功能壓板，以便運行人員根據(jù)實際需求，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)速器失電停機方案總結

（1）調(diào)速器失電時，調(diào)速器緊急關閉導水機構（該功能由調(diào)速器完成）。

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

3 結語

老撾南塔河1 號水電站于2018 年10 月正式投產(chǎn)發(fā)電，并于2019 年底、2020 年初分別順利通過了竣工安全鑒定和專項驗收。目前電站已安全穩(wěn)定運行3 年，調(diào)速器失電停機時的GCB 自動跳閘設計也將得到實踐的檢驗。

通過對本工程對GCB 失壓脫扣回路的電氣二次設計，設計人員認為當今水電工程項目的開發(fā)、改造給設計團隊提出了更新、更高的要求，設計中必須保有嚴謹、靈活、敢于創(chuàng)新的設計思路，以適應日新月異的工程技術要求，不斷積累并革新技術。

對于有調(diào)速器失電自動停機要求的水電站，設計時需要注意了解相關設備特點及必要的程序邏輯，結合工程的實際情況，將問題整體分析、考慮、并逐一解決，以設計出適用于該工程的完整失電停機方案。