水轮发电机电气事故停机流程可靠启动研究

向 欢，刘智文，吴 辉，杨丹丹

（1.武凌电力有限公司三板溪水电厂，贵州 锦屏 556700；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

0 引言

电气事故停机流程是每个水电厂必备的保护措施，当发生电气事故时，由于会在极短时间内造成对机组的巨大伤害，为防止事故扩大，需要在水电厂设置电气事故停机流程，将机组与系统迅速解列，保护机组设备的安全。常见的电气事故停机信号包括发电机差动保护动作、发电机横差保护动作、主变重瓦斯保护动作等。

三板溪电厂的计算机监控系统上位机是北京中水科水电科技开发有限公司的H9000 V4.0系统，下位机监控主PLC用于机组的数据采集、顺控流程控制等功能，PLC的顺控流程控制包括正常情况下的机组启停、机械事故或电气事故的停机、紧急事故停机等，下位机水机保护PLC独立于主PLC，采集水机保护动作信号，通常为紧急事故停机保护信号，作为主PLC紧急事故停机的后备保护。下位机监控主PLC和水机PLC均为国外知名品牌，主PLC加载程序后扫描周期为80～140 ms，水机PLC加载程序后扫描周期为10～25 ms，保护装置是国内知名品牌，保护动作时间通常为20～60 ms，当发电机保护或主变保护动作后，均由保护装置的出口继电器送至监控系统下位机PLC，用于启动电气事故停机流程。

1 事件描述

2019年9月16日，三板溪水电站2号机组在开机调试过程中，实际进行“并网状态下发电机差动保护动作试验”（并网之前在2号发电机保护A柜用专用短接线短接机端电流互感器二次侧A、B相端子，模拟发电机A/B相间故障），当发电机保护A套差动保护动作后，发电机保护A套跳发电机出口开关802，跳开灭磁开关，机组由发电转空转，监控系统未启动电气事故停机流程。此次发电机差动保护动作时间为68 ms。

2 原因分析

三板溪电厂机组监控系统PLC配置的电气事故停机包括A套发电机保护动作停机，B套发电机保护动作停机，A套主变保护动作停机，B套主变保护动作停机，水机保护中未配置电气事故停机。当监控PLC程序中断量“A套发电机保护动作停机”X32_10动作或B套发电机保护动作停机X33_23动作或A套主变保护动作停机X35_21动作或B套主变保护动作停机X36_12动作时，将触发“电气事故停机”XD_08动作且自保持，随后“电气事故停机”DQSG_TJ动作，进而触发事故停机流程，直至机组停机态动作。

因监控系统PLC的扫描周期为85 ms，而发电机保护差动保护动作信号只有68 ms，并且保护动作信号经保护装置出口送至监控系统，启动电气事故停机流程，需要一定时间，有可能在差动保护动作信号保持的短时间内，监控系统PLC未扫描到该信号，导致无法正常启动电气事故停机流程。

11月20日，在2号机组停机状态下，专业人员用继电保护仪给保护装置加电压电流量，并对动作时间进行了分段测试，再次对2号机组模拟差动保护动作试验，进行电气事故停机试验，测试结果如表1所示。

表1 2号机组模拟差动保护动作试验结果

通过表1的试验数据分析可以得出：

（1）当发电机差动保护动作停机信号保持时间小于当前运行CPU的扫描周期时，就可能会出现计算机监控系统因未能扫描到发电机保护动作信号，而导致未能正常启动电气事故停机流程，保持时间越短，启动电气事故停机流程的概率越小。

（2）当发电差动保护动作停机信号保持时间大于当前运行CPU扫描周期时，启动电气事故停机流程的概率越大，并且发电机差动保护动作停机信号至少为当前运行CPU 2倍完整扫描周期以上时，才能确保电气事故停机流程能够正常启动。

3 处理方案及试验验证

3.1 将保护动作信号接入水机保护PLC（施耐德M580），扩展后反送至主PLC

将发电机保护A套、发电机保护B套、主变保护A套、主变保护B套动作停机出口接点送至水机保护PLC，水机保护PLC通过脉宽为500 ms的信号返送至机组LCU主PLC。

3.2 选择性能优异的PLC

因PLC的扫描周期主要是受限于扫描速度和程序的长短，因此可通过选用高速CPU的PLC，提高扫描速度，或优化程序长度，选择分支或跳步程序，减少主程序执行时间。

为验证选用高速PLC的可行性，采用昆腾140CPU67160与子站环网运行测试数据，与施耐德M580（BME -H58-4040）带昆腾I/O运行状态下进行对比分析。具体试验方法及步骤如下：

（1） 将继电保护测试仪R.OUT开关量输出端接入2号机A套发电机保护动作停机信号端子。

图1 水机PLC采集保护动作停机信号

图2 水机PLC与主PLC通信

图3 主PLC的电气事故停机流程

图4 电气事故停机监控系统报警

（2）将施耐德M580 CPU与现有昆腾I/0子站形成环网运行，将2号机组LCU程序载入。

（3）打开继电保护测试仪“时间测量”，设置“保持时间”，用于开出15～200 ms脉宽信号。

（4）观察并记录监控系统LCU程序中电气事故停机流程动作情况、上位机中断量报警信息。

（5）恢复施耐德昆腾140CPU67160与子站环网运行，重复（3）、（4）试验步骤，测试数据与施耐德M580 CPU进行对比分析。

施耐德M580 加载程序后程序扫描周期为10 ms，分别输入15 ms、20 ms、23 ms、30 ms、40 ms五个脉宽信号，模拟2号机发电机A套保护动作停机信号，各动作10次，其中输入20 ms脉宽信号时，M580 CPU出现4次动作信号漏扫，导致电气事故停机流程未启动。输入25 ms、30 ms、40 ms脉宽信号时，电气事故停机流程30次全部可靠启动。试验数据如表2所示：

表2 施耐德M580（BME H58 4040）试验结果

施耐德昆腾140CPU67160当前扫描周期为85 ms。分别输入15 ms、20 ms、25 ms、30 ms、70 ms、100 ms、155 ms、175 ms、200 ms 9个脉宽信号，各动作10次，其中输入15 ms、20 ms、25 ms、30 ms、70 ms脉宽信号时，电气事故停机流程全部未启动。输入100 ms、155 ms脉宽信号时，共出现12次未启动。输入175 ms、200 ms脉宽信号时，共20次全部可靠启动。试验数据如表3所示：

根据两组试验数据对比分析可得，2号机发电机A套保护动作停机信号脉宽至少为运行CPU 2倍完整扫描周期以上时，方能在流程控制程序中可靠启动电气事故停机流程。三板溪电厂机组实际运行过程中电气事故停机启动信号脉宽在60～100 ms之间。

施耐德昆腾140CPU67160当前完整扫描周期为85 ms，动作停机信号脉宽至少为170 ms才能可靠启动流程。施耐德M580 CPU当前扫描周期为10 ms，动作信号脉宽大于20 ms时，就能在流程控制程序中可靠启动停机流程。综上所述，施耐德昆腾140CPU67160（三板溪电厂监控LCU在运CPU）不满足电气事故停机流程可靠启动技术要求，施耐德M580 CPU（BME H58 4040）满足现场要求。由表2中的结果可以看出选择高性能的PLC，能够可靠启动电气事故停机流程。

3.3 保护装置停机出口信号展宽

将保护装置停机继电器节点设置为具有延时返回功能，延长“保护信号脉宽”，实际将保护装置关导水叶/关主汽门出口均设置展宽至300 ms。确保停机出口信号脉宽大于监控系统PLC的2倍扫描周期。

为验证停机出口信号展宽至2倍扫描周期后电气事故停机流程可靠启动可行性，开展如下试验。修改保护装置配置，将差动保护动作信号延长至150 ms、180 ms、250 ms、300 ms进行试验，试验结果如表4所示：

根据试验结果分析可得，将停机出口信号展宽至PLC程序2倍扫描周期后，电气事故停机流程全部可靠启动。2倍扫描周期以下PLC出现程序漏扫。为保证停机流程可靠启动，实际运行中将保护装置关导水叶/关主汽门出口设置展宽至300 ms。

4 结论

水电厂发电机保护和主变保护动作信号，均经保护装置停机出口送至监控系统PLC，从而启动电气事故停机流程。由于保护装置出口继电器均为瞬时返回接点，且故障切除时间一般为20～60 ms，而监控系统PLC的扫描周期通常在1～100 ms，存在监控系统PLC扫描不到动作停机信号，导致无法启动电气事故停机流程。本文根据电厂的实际情况，提出了3种解决方案，方案1为将保护动作信号接入水机保护PLC（施耐德M580），扩展后反送至主PLC。方案2为选择性能优异的PLC。方案3为保护装置停机出口信号展宽。根据电厂实际和方案经济性，三板溪电厂同时采用方案1和方案3以解决此问题，经试验及生产运行验证，3种方案均能可靠启动电气事故停机流程，保障机组的安全稳定运行。其中方案2适合在新建电厂或更新改造电厂中应用，方案1和方案3适合于在运电厂中应用。