滩坑水电站水淹厂房控制保护回路分析及优化

摘要：对水电站水淹厂房的危害和风险进行了分析，结合滩坑水电站的防水淹厂房水力机械设备控制保护回路设计上存在的不足和实际运行过程存在的问题，提出有针对性的措施并付诸于实践，为国内外大中型水电站在防水淹厂房设计和改造提供借鉴。

关键词：水电站;防水淹厂房;风险分析;优化改造

1、 引言

滩坑水电站位于浙江省青田县境内瓯江支流小溪中游河段，工程主要任务为发电，兼顾防洪。水库正常蓄水位160m，总库容41.9亿m?，调节库容21.26亿m?，为多年调节水库。电站总装机容量为604MW，保证出力87.8MW，多年平均发电量10.23亿kWh，电站于2009年7月全部投产发电。2009年8月17日俄罗斯萨杨—舒申斯水电站发生的水淹厂房事故，导致变压器发生爆炸、水电站墙体损毁、机房进水，造成75人死亡、130亿美元的巨大经济损失和广泛的社会负面影响。此次事件后，国内外水电界针对此次事故进行分析，提出了一系列的防止水淹厂房事故的建议和措施，并在相应标准制度修订时提出一系列新的要求。本文针对近些年关于水淹厂房新的要求重点梳理了滩坑水电站防水淹厂房水力机械设备控制保护回路设计上存在的不足和实际运行过程存在的问题，并结合日常改造对这些问题提出改进措施，提高水机和闸门保护动作的可靠性，降低滩坑水电站上游侧来水量大导致水淹厂房的风险性。

2、 原防水淹厂房水力机械系统保护逻辑及配置

滩坑水电站引水发电系统主要由电站进水口、引水隧道、引水式地面厂房系统等组成，发电引水洞采用单洞单机布置，机组选用混流式机组，主阀采用筒形阀，进水口配置事故检修闸门。防水淹厂房水力机械方面保护回路逻辑为：当安装在厂房上游侧廊道（厂房最低高程）的浮球水位计动作后，水淹厂房报警信号送到电站监控系统，由运行人员人为判断，在监控系统中手动操作紧急事故停機关闭机组导叶和机组筒形阀，同时通过进水口LCU发出紧急关闭闸门指令到进水口事故检修闸门启闭机控制柜关闭闸门，以实现快速截断上游侧来水，防止事故的进一步扩大。

3、 原设计存在的问题及风险点

3.1水位计设置不合理

原设计只在厂房上游侧廊道（厂房最低高程）设置2只浮球水位计，每只水位计输出1付报警节点信号至公用设备LCU，当其中一个浮球动作后，发出水淹厂房报警信号。因水位计安装在交通廊道旁，如果水位计发生故障或在此区域工作不小心碰到浮球都有可能触发信号报警，极易造成信号误报。

3.2机组未设置独立的水机保护

当机组发生水力机械故障时，只是单纯通过水电厂监控系统来实现机组紧急停机，实现快速关闭导叶和筒形阀功能，但是当监控系统控制单元冗余系统发生故障或工作电源全部失去时，就无法实现机组自动紧急停机，只能靠运行人员到各个现地控制装置去手动操作停机，不能及时有效地快速隔离故障，可能造成事故的进一步扩大。

3.3进水口未设置独立关闭闸门的硬回路

电站未配置独立于监控系统之外硬布线（包括独立电缆）防止水淹厂房紧急操作系统，在发生水淹厂房时，中控室运行人员只能通过监控系统操作进水口LCU发出紧急落门指令，如果监控系统发生控制单元冗余系统发生故障、工作电源全部失去时或通讯故障时，就不能实现远方快速落进水口事故检修闸门。

3.4进水口配电系统未配置备用电源

进水口闸门启闭机及控制系统采用单路供电，电源取自电厂厂用电10.5kVⅠ段，通过一台型号为SGB10-400/10的干式变压器降压至400V后供电。一旦厂房进水、厂用电失电、变压器、电缆检修或发生事故，将导致进水口配电系统失电，机组进水口事故检修闸门无法正常工作。进水口机组事故检修闸门如果在事故情况下不能及时关闭，将对机组和大坝安全形成严重的威胁，影响电站的安全稳定运行。

3.5调速系统不具备失电关闭功能

在2014版《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》之前，从维持电网稳定的角度考虑，当水轮发电机组的保护和控制回路电压消失时，调速系统相关标准和设计都是要求导叶保持失电前的状态，机组保持原状态运行，不设置失电自动关闭导叶功能。但是随着我国电网的不断扩大和技术的进步，单台机组突然跳机对电网频率和电压影响越来越小，当电厂发生故障时，快速关闭导叶，截断上游来水，防止事故的进一步扩大，对电站的安全运行有着重要意义。

4防水淹厂房功能及方案优化

4.1水位信号装置和逻辑优化

原有两只浮球水位计只有一副接点输出，现在上游侧廊道两个地点分别选用两种不同原理的水位计，一套采用浮球式水位计，一套采用电极式水位计，每套水位计带2付独立接点输出，各设置1个低限位报警，1个高限停机落闸门接点，将这些信号送到水淹厂房PLC。为了防止误动采用低限闭锁高限的方式，全厂采用4取2的控制方式，且不同型式的水位计至少1套动作，并在两套水位计外部加装EC套管防止误碰。

4.2增设独立的水机事故停机系统

按照《水力发电厂计算机监控系统设计规范（DL/T5065-2009）》要求，滩坑水电站在2019年进行监控系统改造时，在机组现地控制单元之外，单独设置了一套独立的PLC用于水机保护停机，该系统包含独立继电器、独立电源、独立输入输出信号，可在发生重要的水机事故、现地控制单元监控系统LCU冗余系统全部故障、工作电源全部失去等故障时，确保机组可靠停机。

4.3增设独立的水淹厂房系统

电站新配置1套独立于计算机监控系统之外硬布线（包括独立电缆）防水淹厂房紧急操作系统，在发生水淹厂房时，能够实现紧急停机和快速落进水口事故检修闸门功能。该系统配置独立光端机、独立光纤回路、中控室设置紧急停机和落进水口闸门按钮、独立水淹厂房PLC、独立继电器和出口动作回路等设备，作为独立于监控系统以外的备用通道。当水淹厂房PLC判断满足水淹厂房条件时，紧急停机信号送到监控系统各机组LCU和水机保护PLC系统，机组执行事故停机流程，关闭机组导叶和筒形阀;同时水淹厂房PLC将水淹厂房信号送到监控系统进水口LCU和新增的水淹厂房光端机，监控系统进水口LCU和水淹厂房光端机同时把紧急落闸门信号开出到进水口闸门现地控制柜，实现紧急落进水口事故检修闸门。增设的水淹厂房硬布线回路，作为监控系统的备用回路，进一步提高机组紧急停机和紧急关闭闸门动作的可靠性。

4.4增加进水口配电系统备用电源

为了提高进水口配电系统供电可靠性，在进水口配电室新增加一台功率为600kW的柴油发电机组作为进水口配电系统的备用电源，并对进水口400V配电盘进行改造，使之具备柴油发电机自动启动和配电盘电源自动切换功能。改造后的柴油发电机开关与进水口400V配电盘进线开关进行电气闭锁，当进水口400V配电盘母线电压失压时，经3秒延时自动启动柴油发电机组向进水口400V配电盘供电。当检测到进水口400V配电盘工作电源恢复时，柴油发电机组断路器自动分闸并自动停机，进水口恢复正常供电运行。

4.5设置调速系统停电动作功能

按照新的要求，电站结合现有调速系统结构，对机组的紧急停机回路进行改造，增设失电关闭回路，以实现调速器控制回路具备得電关闭和失电关闭导叶功能。得电关闭油路和失电关闭油路采用并联方式，任一油路动作都可使水轮机组紧急关闭。得电关闭控制部分利用原有的紧急停机回路，当紧停电磁阀带电后，紧停液动阀A与主配压阀控制腔相通，实现机组关机。失电关闭控制部分以串联方式依次连接的失电动作阀A、失电动作阀B、失电切除阀、失电联动阀、紧停液动阀B，失电动作阀A的输入口与压力油连接，紧停液动阀B的输入口与主配压阀控制腔相连，只有失电动作阀A和失电动作阀B两个阀门全部失电，此油路才会接通去关闭导叶，防止单个失电动作阀线圈烧毁或信号线故障造成机组误停机，起到非正常动作容错功能，提高设备运行的稳定性。

5、结语

水淹厂房是水电站重大风险之一，水淹厂房事故的特点是突发性、发展快，造成的后果极其严重。正是因为这些特点，如何保证水力机械设备动作的可靠性就尤为重要，防水淹厂房保护回路一旦发生误动作或拒动将给电厂安全稳定运行和经济效益带来重大影响。滩坑水电站根据国家或行业标准和规定新的要求，结合本电站具体类型的实际情况，制定了切合本电站实际的防止水淹厂房应对措施并付诸实施，进一步提高了水力机械设备动作的可靠性，有效的降低了上游侧来水造成的水淹厂房风险，值得国内外大中型水电站在设计和改造过程中借鉴使用。

参考文献：

[1]刘磊，王旭一，耿沛尧，孙嘉.回龙电站独立回路水淹厂房紧急操作系统设计.水电站机电技术.2019.42（S1）：59-61.

[2]国家能源局.防止电力生产重大事故的二十五项重点要求[Z].2014-04-15.

[3] DL/T5065-2009，水力发电厂计算机监控系统设计规范[S].

[4]张春锐.水电站防水淹厂房系统设计与分析[J].电力自动化，2020，45（01）：110-112.

作者简介：刘峰（1982—），男，湖北广水人，工程师，工学硕士，主要从事为水电厂运行、维护和诊断。