抽水蓄能电站非电气量保护故障原因分析及完善对策.docx

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1、抽水蓄能电站非电气保护故障原因分析及完善对策摘要：与常规机组相比，抽水蓄能机组过渡过程复杂，工况转换频繁，因此抽蓄机组的非电气量保护配置更为繁琐、复杂，且对机组安全稳定运行至关重要。本文针对抽水蓄能电站非电气量保护引起事故或故障，结合实例对保护误动或拒动的原因进行分析和总结，并从自动化元件、动作逻辑、闭锁逻辑、管理制度等多个方面提出减少或避免非电气量保护误动或拒动的对策，以提高机组保护的可靠性，保证机组安全稳定运行。关键词：抽水蓄能电站；非电气量保护；误动与拒动；对策Abstract:Comparedtonorma1hydro-generatorunit,pumpedstorageunitne

2、edsmorecomp1exandsystematicconfigurationofnon-e1ectricityprotectiontoensureitsre1iabi1ityandsafetyduetoitscomp1icatedtransitionprocessandfrequentconditiontransformation.Thisresearchstudiesonthefai1uresofpumped-storageunitcausedbynon-e1ectricityprotectionerror,throughana1ysisonthevariousreasonsinma1-

3、operationofnon-e1ectricityprotectionusingpractica1instance,thispaperputforwardsomecountermeasuresfromthefo11owingaspects:automationcomponent,protection1ogic,b1ocking1ogic,andmanagementsystem,toimprovethesecurityandre1iabi1ityofthepumped-storageunit.Keywords:pumped-storageunit;non-e1ectricityprotecti

4、on;ma1-operationandprotectionrejectingaction;countermeasure0引言抽水蓄能电站机组运行工况多、工况转换频繁、设备造价昂贵，因而对机组保护提出了更多、更高的要求。抽水蓄能机组保护一般分为电气量保护与非电气量保护，两者对维持机组正常运行，避免事故扩大都具有十分重要的作用。机组非电气量保护是指旨在自动实现机组温度、压力、位置、液位、流量、过速、振动和摆度，以及开停机或工况转换过程控制逻辑异常时机组报警或停机保护的功能。抽水蓄能电站电气量保护的设计要求和具体配置现已十分完备，如文献1-2,而非电气量保护相关标准和规范尚不完善，且保护措施和保护设

5、备配置不全面，部分电站的非电气量保护存在较高误动率甚至出现保护拒动的情况，非电气量保护亟需优化完善3。非电气量保护误动会造成机组无故障停运，影响电网的稳定性，降低电厂运营的经济性；非电气量保护的拒动会使机组在恶劣条件下继续工作，造成设备的损伤甚至人员伤亡事故。因此，研究非电气量保护引发的事故或故障的原因，采取相应的防范措施减少或消除非电气量保护拒动、误动，提高非电气量保护的可靠性具有非常重要的意义。1非电气量保护误动或拒动原因分析1.1 自动化元件不可靠抽水蓄能电站非电气量保护所涉及的自动化元件主要分为测量元件、动作元件和自动化装置三类。测量元件将采集的非电气量参数信号传给自动化装置，自动化装

6、置对信号分析后将其决策命令传给动作元件，由动作元件执行保护动作如图所示。作为非电气量保护的基本组成单元，自动化元件的工作质量与非电气量保护的可靠性直接相关。图1非电气量保护流程图由于测量元件故障而误发信号导致保护误动或拒动、由于动作元件故障而无法执行动作或误动和由于自动化装置功能不完善而保护失效在非电气量保护故障中所占比例很大，有些电厂甚至超过了一半4。经研究分析发现自动化元件故障主要包括以下几种原因。1.1.1 选型与安装设计不合理除了自动化元件本身质量问题，引起自动化元件故障的主要原因还有元件选型不当和安装工艺设计不合理。自动化元件的选型不当、安装工艺不合理、工作环境恶劣和不注意定期检查维

7、护都可能造成动作元件的寿命短、测量精度低、响应速度慢、可靠性差等问题，严重降低了非电气量保护的可靠性。例如国内某抽蓄电站采用的是电子式液位开关作为测点对尾水管水位进行保护，在该电站运行期间尾水管水位过高多次误报警甚至导致机组机械停机。该事故发生的直接原因是由于传感器金属探头存在水垢和水位波动造成了传感器灵敏度下降，输出误报警信号。而其根本原因则是元件选型不当，在潮湿、水流溅射的工作环境中电子元件的可靠性会大大降低。该电站通过技术改造，重新选型为机械浮球式液位开关后，此类故障再未发生。自动化装置实现对测量元件采集到的信号进行初步处理的功能，其运行状态直接影响受保护装置的行为。在软件层面上，某些自

8、动化装置功能不完善，缺乏信号品质判断功能，无法屏蔽由传感器或接线故障、人为因素等引起的偶然信号而导致机组跳机；在硬件层面上，某些非电气量保护自动化装置控制回路设计不良，存在易短路、断路等问题，这些都会引起抽水蓄能机组非电气量保护故障。例如，国内某抽水蓄能电站在抽水工况运行时，下库水位信号突然丢失，由于自动化装置功能不完善，此时该保护的自动化装置没有保持现有的水位信号，而是将下库水位信号自动切至最低值（预设），导致下库低水位保护误动作，使两台抽水工况中的发电机组紧急停机，造成了不必要的经济损失。1.2 逻辑设计不合理抽水蓄能电站非电气量保护动作逻辑是整个保护系统的核心。在已投运蓄能电站中，由于保

9、护动作逻辑不合理、不完善，造成保护动作不正确的现象时有发生。1.2.1 跳闸逻辑不合理抽水蓄能电站的跳闸逻辑保护是旨在实现在机组运行过程中发生异常后迅速切除机组，以及时进行维修检查，避免事故进一步扩大或的功能。过于保守的跳闸逻辑易引发保护的误动，经常在不必要的情况下紧急切除机组，造成非计划停运，给电站带来巨大的经济损失；过于冗余的跳闸逻辑易造成保护的拒动，保护未能及时动作，造成设备损伤或引发安全事故。例如，某抽水蓄能电站主变冷却器全停保护跳闸逻辑为：当任意一台冷却器故障后，判定主变冷却系统故障，导致主变跳闸并闭锁机组。而机组在空载状态下只有一台冷却器处于运行状态，而处于负载状态时主变冷却器的工

10、作方式为：两台主用，一台辅助，一台备用，并定期切换相互之间关系。正常负载状况下只有两台冷却器在工作状态。当只有一台冷却器发生故障时仍能满足机组满负荷时正常运行要求，此时不需要直接闭锁切除机组，其跳闸动作逻辑过于严格，致使该机组在运行中因此保护动作而多次非正常停机。1.2.2 闭锁逻辑不完善与常规水轮发电机组相比，抽水蓄能机组在运行模式、工况和接线方式等方面都存在很大不同，如抽蓄机组存在发电及抽水两种旋转方向、多种且切换频繁的运行工况、背靠背拖动和SFC启动等多种启动方式等，这决定了抽水蓄能机组的非电气量保护的特殊性。其中最大的不同在于抽蓄机组非电气量保护需设计复杂且全面的闭锁逻辑来防止不同工况

11、下的保护相干扰而引发误动和拒动，这是研究抽水蓄能机组非电气量保护的核心课题5。在抽蓄电站运维过程中，仍然存在保护闭锁逻辑考虑不全面，闭锁逻辑设计不完善或者不合理的现象，应该引起电站运维人员的重视。例如，国内某抽水蓄能电站在开机过程中，机组SFC拖动启动超时保护误动作，导致机组机械跳机。此次事故发生的直接原因是机组蠕动信号丢失，致使SFC启动超时保护动作。但事故发生的根本原因在于保护闭锁逻辑的不完善，保护误动作时，SFC拖动启动过程已完成，机组转速已上升至80%,完全能够正常完成开机流程。此时缺乏闭锁逻辑的SFC拖动超时保护变成了机组蠕动信号检测保护，造成了保护的误动。13定值设置不合理电站的许

12、多非电气量保护的设定值是通过理论计算和模型实验得出的，在机组理想情况下是满足的，但是在实际运行过程中，由于各种各样的原因机组不能处在理想情况或最优工况下，使许多设定值不能完全满足机组实际运行需要。例如，国内某抽水蓄能电站，发生过由于振摆过大导致机组转机械或紧急停机流程的事故，其原因是在抽蓄机组工况转换的暂态过程中，机组振动剧烈，稳态过程下的保护定值不再适用，该电站通过增设一套针对暂态过程的振摆定值后，机组运行状况良好。1.4 保护配置不完善抽水蓄能电站非电气量保护的配置相比于常规电站更为复杂，对保护可靠性的要求也更高。其非电气量保护应该针对被保护对象，结合其工作原理、工作条件以及工作环境等多方

13、面因素综合考虑。先要将保护对象、顺控流程的动作原理梳理清楚，把其中存在的风险危害都找出来，再一一设置保护措施来减少或避免不利后果。在电站运维过程中，因保护配置不完善引发的故障或事故时有发生。例如，国内某抽水蓄能电站在发电工况的启动过程中，水车室振动巨大，顶盖垂直振动值达8.4mms,运行了大约15分钟后，水车室仍然发出异常的声音。相关工作人员将机组停机直到导叶全关闭后异常声音才消失。事后经过解体检查，发现上迷宫环已严重磨损。此次事故发生的直接原因是上下迷宫环的间隙匹配不合适，但究其根本则是由于缺失机组抬机量保护造成的，未设置相应的测点监测机组的抬机量。当问题出现后，不能在第一时间停止机组运行而

14、造成了设备严重损伤。1.5 环境因素导致误动或拒动如今抽水蓄能电站，虽然工作环境有了很大的改善，但是由于抽蓄电站的特性，有部分自动化元件、装置和电缆仍不可避免的处在高温、潮湿、振动大、水质差、粉尘多或强电磁干扰的恶劣环境下。长时间、高频次的使用下，导致非电气量保护可靠性降低，自动化元件、装置或接线电缆易发生故障，从而造成保护误动或拒动。1.6 人为因素造成误动或拒动水轮发电机组存在的人为工作量大，对点接线复杂，很容易因人为因素发生错误6；相比于常规机组，抽蓄机组自动化元件动作频次更高，工作环境更为恶劣，导致某些自动化元件使用寿命不高或经常需要维护保养，从而极易因定期维护或巡检不到位而造成保护故

15、障。2防止误动、拒动应采取的措施及对策由于抽水蓄能机组自身工况种类繁多且转换频繁的特性，使得其非电气量保护的设计配置极为复杂、繁琐。为提高机组非电气量保护的可靠性，防止其误动与拒动，本文从自动化元件优化、保护逻辑优化、保护定值优化、完善保护配置、改善自动化元件的工作环境和严格执行管理制度等多个方面提出多种优化改进对策（如图2）,以减低非电气量保护不完善引起的事故或故障的风险，提高机组安全、稳定运行水平。图2非电气量保护完善对策2.1 自动化元件、装置优化(1)选型和安装工艺优化。自动化元件的选型和安装工艺设计是一个因地制宜的过程，应先通过调研收集、了解同类型电站自动化元件运行情况，借鉴其经验，

16、再根据本电站中该元件的布置位置、工作原理、工作环境等实际情况综合考虑之后确定。(2)定期检查、校验自动化元件装置。为保证自动化元件的正常性能、非电气量保护的可靠性，需根据有关规程要求对自动化元件装置进行定期检查和校验。定期检查主要包括跳闸矩阵功能检查、保护定值检查。定期校验包括对振动、摆度探头校验和RTD的校验等。(3)完善非电气量保护自动化装置的功能。在对测量元件采集到的信号进行初步处理的过程中，通过简单的容错逻辑判断，对部分非正常信号延时闭锁(容错判断逻辑见表1),给予运维人员调查、处理故障的时间，防止因单一测量元件故障引发保护误动，提高非电气量保护的可靠性。表1容错判断逻辑闭锁方式作用断线闭锁对突然丢失、断线的信号延时闭锁斜率闭锁对跳变或突升陡降的信号延时闭锁延时闭锁对因振动、电磁或认为干扰产生的短期峰值延时闭锁2.2 保护逻辑优化2.2.1 跳闸逻辑优化