福堂水電站位于阿壩州汶川縣玉龍至福堂壩溝口的岷江干流上，采用低閘引水式開(kāi)發(fā)，主要任務(wù)為發(fā)電。電站裝機(jī)為4臺(tái)，單機(jī)容量為90MW，總裝機(jī)容量為360MW，保證出力為133.4MW，年發(fā)電量為22.7億kW?h，年利用小時(shí)數(shù)為6305h。電站于2004年投產(chǎn)發(fā)電，于2013年進(jìn)行全站二次系統(tǒng)改造。

電站二次系統(tǒng)改造前機(jī)組過(guò)速保護(hù)采用機(jī)組轉(zhuǎn)速115%額定轉(zhuǎn)速+主配拒動(dòng)為機(jī)組第一級(jí)過(guò)速保護(hù)；140%額定轉(zhuǎn)速電氣過(guò)速為第二級(jí)過(guò)速保護(hù)；150%額定轉(zhuǎn)速機(jī)械過(guò)速為第三級(jí)過(guò)速保護(hù)。115%額定轉(zhuǎn)速+主配拒動(dòng)第一級(jí)過(guò)速保護(hù)由于其主配位置接點(diǎn)動(dòng)作不可靠，在機(jī)組正常的甩負(fù)荷過(guò)程中，會(huì)直接引起保護(hù)誤動(dòng)作使機(jī)組緊急事故停機(jī)，從而無(wú)法確保在事故情況下機(jī)組帶廠用電源的正常供電。

福堂電站地處“5.12”汶川大地震的重災(zāi)區(qū)，震后電站相繼經(jīng)歷了“8.13”、“7.10”、“7.20”泥石流災(zāi)害，電站送出輸電線路薄弱。在電站與系統(tǒng)解網(wǎng)后，如何利用機(jī)組、以確保站內(nèi)廠用電安全是設(shè)計(jì)院重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

為此，在2013年電站二次技改過(guò)程中，設(shè)計(jì)院采用了機(jī)組轉(zhuǎn)速115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故為機(jī)組第一級(jí)過(guò)速保護(hù)；145%額定轉(zhuǎn)速為電氣過(guò)速第二級(jí)過(guò)速保護(hù)；150%額定轉(zhuǎn)速為機(jī)械過(guò)速第三級(jí)過(guò)速保護(hù)。

1 福堂電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)存在的安全隱患

2013年電站進(jìn)行了站內(nèi)設(shè)備的二次系統(tǒng)改造工作，監(jiān)控系統(tǒng)由南瑞集團(tuán)的NC2000系統(tǒng)改造為中水科H9000系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)由武漢能事達(dá)的DFWT- 100-6.3-STARS可編程微機(jī)調(diào)速器升級(jí)為MGC4004比例閥+伺服電機(jī)自復(fù)中雙微機(jī)調(diào)速器。

MGC4004調(diào)速器投運(yùn)后，由于油質(zhì)及其他原因，導(dǎo)致比例閥工作不正常，出現(xiàn)溜負(fù)荷的情況，因此電站一直采用伺服電機(jī)運(yùn)行。

2013年11月6日電站運(yùn)行人員在執(zhí)行正常停機(jī)流程時(shí)，上位機(jī)發(fā)3#機(jī)組由“空轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)“停機(jī)”令，調(diào)速器接到停機(jī)令后進(jìn)行關(guān)導(dǎo)葉操作，導(dǎo)葉關(guān)閉至3.5%左右時(shí)，由于機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致導(dǎo)葉不能全關(guān)至零，監(jiān)控系統(tǒng)起動(dòng)關(guān)蝶閥流程，機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度維持在3.5%開(kāi)度27s后，使導(dǎo)葉突然打開(kāi)（導(dǎo)葉開(kāi)度由3.5%上升至70%，持續(xù)時(shí)間17s），機(jī)組轉(zhuǎn)速由85%上升至152%，機(jī)組轉(zhuǎn)速大于115%額定轉(zhuǎn)速接點(diǎn)動(dòng)作，145%電氣過(guò)速保護(hù)及150%機(jī)械過(guò)速保護(hù)均動(dòng)作，致使事故配壓閥動(dòng)作，機(jī)組起動(dòng)緊急事故停機(jī)流程，關(guān)閉蝶閥，導(dǎo)葉全關(guān)到位。

機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)記錄的導(dǎo)葉位移曲線和機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 導(dǎo)葉位移曲線圖

圖2 機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線圖

事故發(fā)生時(shí)，機(jī)組處于“空轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)“停機(jī)”流程，導(dǎo)葉未全關(guān)，調(diào)速器將導(dǎo)葉開(kāi)度由3.5%瞬間往全開(kāi)的方向開(kāi)起，直至機(jī)組電氣及機(jī)械過(guò)速保護(hù)動(dòng)作停機(jī)為止（監(jiān)控記錄數(shù)據(jù)為：16:37:58機(jī)組轉(zhuǎn)速115%接點(diǎn)動(dòng)作，16:38:04機(jī)組轉(zhuǎn)速145%接點(diǎn)動(dòng)作，16:38:05機(jī)組轉(zhuǎn)速150%接點(diǎn)動(dòng)作）。

福堂電站為“一井雙管四機(jī)”的布置方式，根據(jù)河海大學(xué)的水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果，水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉采用二段直線關(guān)閉，第一段直線關(guān)閉時(shí)間為5s，第二段直線關(guān)閉時(shí)間為10s，拐點(diǎn)開(kāi)度為30%，全關(guān)閉時(shí)間為15s。

當(dāng)4臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷時(shí)，蝸殼的最大壓力升高率◆max為17.1%，機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速升高率◆max為42.9%，尾水管進(jìn)口的最大真空度為4.4mH2O，其結(jié)果符合SDJ 173—85《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》有關(guān)調(diào)保計(jì)算的規(guī)定（ max＜30%， max＜45% 及GB/T 9652.1—1997《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》。

但電站引水隧洞長(zhǎng)度達(dá)19.33km，壓力管道主管長(zhǎng)為357.841m，支管長(zhǎng)為48.597m，機(jī)組在調(diào)速器失控后，由于調(diào)壓井的涌浪及機(jī)組慣性而導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速上升較快，在機(jī)組電氣過(guò)速保護(hù)動(dòng)作1s后使機(jī)組機(jī)械過(guò)速保護(hù)動(dòng)作。機(jī)組115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故第一級(jí)過(guò)速保護(hù)未動(dòng)作，該情況對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行極為不利。

事故發(fā)生后，廠家技術(shù)人員對(duì)調(diào)速器在停機(jī)過(guò)程中突然全開(kāi)導(dǎo)葉缺陷進(jìn)行排查，通過(guò)程序進(jìn)行多方面模擬：停機(jī)過(guò)程中加發(fā)開(kāi)機(jī)信號(hào)，或并網(wǎng)令給調(diào)速器；在停機(jī)等待時(shí)，加發(fā)開(kāi)機(jī)信號(hào)，或并網(wǎng)令給調(diào)速器；在關(guān)機(jī)時(shí)，使導(dǎo)葉關(guān)至3%以上，不繼續(xù)關(guān)閉，此時(shí)另外在外圍調(diào)速器上觀察調(diào)速器狀況，未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)分析認(rèn)為，在停機(jī)過(guò)程中伺服電機(jī)處于失控狀態(tài)，因此，對(duì)PLC至伺服電機(jī)回路硬件及電纜全部進(jìn)行更換。

在此次事故過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速已達(dá)到115%額定轉(zhuǎn)速，且調(diào)速器處于失控狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)未起動(dòng)115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故第一級(jí)過(guò)速保護(hù)，導(dǎo)致了機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到150%額定轉(zhuǎn)速，使二、三級(jí)過(guò)速保護(hù)動(dòng)作的事故。經(jīng)查監(jiān)控系統(tǒng)在機(jī)組整個(gè)過(guò)速期間未收到調(diào)速器事故信號(hào)，因此，未起動(dòng)115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故緊急事故停機(jī)流程。

查閱調(diào)速器廠家說(shuō)明書(shū)，調(diào)速器事故被定義為：導(dǎo)葉接力器反饋故障、電機(jī)故障、比例閥故障、比例閥中位反饋故障、殘壓和齒盤(pán)測(cè)頻同時(shí)故障。機(jī)組整個(gè)停機(jī)過(guò)程中調(diào)速器未報(bào)任何故障信號(hào)。

從以上事件看出，機(jī)組在調(diào)速器失控后，調(diào)速器往開(kāi)起方向動(dòng)作，不會(huì)觸發(fā)調(diào)速器事故信號(hào)，因此，采用115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故作為第一級(jí)過(guò)速保護(hù)不能起到應(yīng)有的保護(hù)作用。另外，由于引水系統(tǒng)過(guò)長(zhǎng)及機(jī)組慣性，機(jī)組二、三級(jí)保護(hù)整定定值過(guò)于接近，導(dǎo)致二級(jí)保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)起動(dòng)了三級(jí)過(guò)速保護(hù)。

2 福堂電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)的解決方案

根據(jù)《GBT 11805—2008水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化元件（裝置）及其系統(tǒng)基本技術(shù)條件》要求：過(guò)速限制系統(tǒng)應(yīng)能在一級(jí)過(guò)速（一級(jí)過(guò)速觸點(diǎn)動(dòng)作，同時(shí)調(diào)速器主配壓閥拒動(dòng)，再經(jīng)延時(shí)）及二級(jí)過(guò)速時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作，并能根據(jù)要求調(diào)整關(guān)閉接力器時(shí)間。由于各臺(tái)機(jī)組機(jī)械特性及調(diào)速器特性不一致，導(dǎo)致在整定一級(jí)過(guò)速保護(hù)延時(shí)時(shí)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間整定存在一定的隨意性，可能導(dǎo)致機(jī)組在甩負(fù)荷過(guò)程中使一級(jí)過(guò)速保護(hù)動(dòng)作。

目前對(duì)電站機(jī)組三級(jí)過(guò)速保護(hù)分別接入的現(xiàn)地控制單元（local control unit, LCU）信號(hào)有：機(jī)組一級(jí)過(guò)速保護(hù)（機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)控箱115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故）、機(jī)組二級(jí)過(guò)速保護(hù)（機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)控箱145%額定轉(zhuǎn)速）和機(jī)組三級(jí)過(guò)速保護(hù)（機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置150%額定轉(zhuǎn)速）。

從本次事故來(lái)看，機(jī)組一級(jí)過(guò)速保護(hù)未正確動(dòng)作，機(jī)組二級(jí)保護(hù)正確動(dòng)作，但由于機(jī)組慣性而導(dǎo)致機(jī)組二級(jí)電氣過(guò)速保護(hù)動(dòng)作后1s，使機(jī)組三級(jí)機(jī)械過(guò)速保護(hù)再次動(dòng)作。因此，需要對(duì)機(jī)組一、二、三級(jí)過(guò)速保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化完善。

電站調(diào)速器現(xiàn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主配壓閥閥芯動(dòng)作，在主配壓閥閥芯處安裝主配位置開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)實(shí)際定義為“主配壓閥不在偏關(guān)側(cè)”，用于在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)判斷主配是否有拒動(dòng)的信號(hào)。

1）一級(jí)過(guò)速保護(hù)解決方案

為了避免在機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程中轉(zhuǎn)速由高轉(zhuǎn)速下降（電站甩90MW最高轉(zhuǎn)速為139%額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速還大于115%額定轉(zhuǎn)速（由于調(diào)速器PID調(diào)節(jié)特性和空載開(kāi)度的設(shè)置，這時(shí)有可能主配壓閥不在關(guān)閉位置，從而誤判為主配壓閥拒動(dòng)而導(dǎo)致緊急事故停機(jī)出口），將監(jiān)控系統(tǒng)中判斷轉(zhuǎn)速大于115%額定轉(zhuǎn)速接點(diǎn)修改為115%接點(diǎn)接通后保持2s[10]，將調(diào)速器事故點(diǎn)修改為主配拒動(dòng)點(diǎn)。

2）一級(jí)過(guò)速保護(hù)起動(dòng)流程圖

圖3 一級(jí)過(guò)速保護(hù)起動(dòng)流程圖

3）二級(jí)過(guò)速保護(hù)動(dòng)作定值整定

鑒于電站引水系統(tǒng)的特殊性，結(jié)合機(jī)組檢修后甩負(fù)荷試驗(yàn)確定機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率，將機(jī)組二級(jí)過(guò)速保護(hù)定值由目前的145%額定轉(zhuǎn)速修改為技施設(shè)計(jì)值140%額定轉(zhuǎn)速，以確保機(jī)組一、二、三級(jí)過(guò)速保護(hù)動(dòng)作的時(shí)效性及準(zhǔn)確性。

結(jié)論

在將機(jī)組一級(jí)過(guò)速保護(hù)由115%額定轉(zhuǎn)速+調(diào)速器事故流程修改為115%額定轉(zhuǎn)速延時(shí)2s+主配拒動(dòng)流程后，在福堂電站4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，未出現(xiàn)正常甩負(fù)荷導(dǎo)致誤起動(dòng)緊急事故停機(jī)流程的情況，也未出現(xiàn)機(jī)組過(guò)速后由于調(diào)速器故障不能正常起動(dòng)緊急事故停機(jī)流程的情況，保證了設(shè)備可靠及安全運(yùn)行。