基于MMC的小水電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)方法研究

李學(xué)璐

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局,新疆 伊犁 835000)

水電廠在運(yùn)行過(guò)程中，如何確保機(jī)組的安全運(yùn)行，是非常重要的問(wèn)題，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的部位和固定部位發(fā)生碰撞，很容易造成設(shè)備的重大損失，甚至人員傷亡。需要采取有效的過(guò)速保護(hù)措施，超大的離心力會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)高，通常由機(jī)組專用調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)。在調(diào)速器工作異常、機(jī)組轉(zhuǎn)速不能及時(shí)調(diào)整時(shí)，過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)測(cè)速裝置接收到信號(hào)，從而使機(jī)組停止運(yùn)行，及時(shí)關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水通道[1]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)水電站的過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)都是電氣過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)能與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，具有較高的自動(dòng)化水平，但由于需要有專用的速度檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)機(jī)組的轉(zhuǎn)速，一旦測(cè)速設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)很難及時(shí)檢測(cè)機(jī)組的過(guò)速，因此，提出基于MMC的小水電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)方法。

1 基于MMC的小水電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)方法

1.1 引用MMC保護(hù)機(jī)組電壓

MMC作為一種新型的高壓大功率電力電子變換器，能夠針對(duì)小水電站機(jī)組構(gòu)建不同的子模塊結(jié)構(gòu)，在水電站的模塊中可以形成水位差異。設(shè)小水電站機(jī)組存在N個(gè)子模塊(sub module,SM)與L個(gè)附加子模塊，形成基于MMC的小水電站機(jī)組保護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可抑制附加子模塊間諧波失真和環(huán)流的影響，并可通過(guò)電流上升來(lái)抑制故障的發(fā)生[2]。故障回路電流鎖閉前受到多種參數(shù)的影響，主要有水電站附加子模塊(L)，電站子模塊(C)，水電站數(shù)量(N)。所以當(dāng)MMC具有一定容量時(shí)，恒定在電容電壓直流中的電流峰值增大，使得故障后模塊電容值增大。因此在不改變直流電容電壓的時(shí)候，當(dāng)機(jī)組短路時(shí)，電場(chǎng)能量增大，模塊內(nèi)的電容值越大，達(dá)到電流峰值最大化。但是，隨著水電站機(jī)組抗壓能力的提高，電流峰值逐漸減小，這是因?yàn)榭箟耗芰υ酱螅瑑?chǔ)存相同能量所需的電流越小[3]。另外，直流線路斷路時(shí)，電壓和直流線路電流的變化對(duì)斷路電流瞬時(shí)變化影響機(jī)組接力器。通常，MMC采用的是水力發(fā)電站模塊(half bridge sub module,HBSM)，它是由2個(gè)IGBT模塊組成(IGBT驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低)，反向并聯(lián)2個(gè)二極管和1個(gè)直流電容器。在正常工作中T1線路和T2線路相互交替通電，當(dāng)T1線路通電、T2線路關(guān)閉時(shí)，在電容電壓相等時(shí)，子模塊處于輸入狀態(tài)；當(dāng)T1線路關(guān)閉、T1線路通電時(shí)，電壓輸出為0，附加子模塊處于鎖定狀態(tài)。

1.2 變壓保護(hù)

小水電站機(jī)組采用ALSTOMDEVSS設(shè)計(jì)的機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置，它是由脫扣器、配壓閥、離心檢測(cè)器、安裝環(huán)及其他附件組成，其中脫扣器與配壓閥為一個(gè)整體[4]，是一種與接力器連接的純機(jī)械離心液壓過(guò)速保護(hù)裝置。當(dāng)彈簧、離心塊作為離心檢測(cè)儀的主要部件時(shí)(圖1)，機(jī)組會(huì)根據(jù)以往過(guò)速運(yùn)動(dòng)的離心力，進(jìn)行加壓離心力。同時(shí)離心檢測(cè)器通過(guò)安裝環(huán)固定在機(jī)組大軸上，在大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在彈簧的預(yù)緊力小于離心力時(shí)，離心檢測(cè)器會(huì)產(chǎn)生向外位移的情況，當(dāng)該離心檢測(cè)器和脫扣器擺輪之間的安裝間隙大于或等于位移距離時(shí)，離心塊會(huì)碰撞擺輪，在脫扣器發(fā)生脫扣動(dòng)作后，脫扣器會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)擺軸在彈簧的扭力作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪運(yùn)行，從而推動(dòng)切換分壓閥活塞桿的運(yùn)動(dòng)與油路[5]。

圖1 離心探測(cè)器

水電站機(jī)組設(shè)定裝置轉(zhuǎn)速達(dá)到轉(zhuǎn)速值，作用在檢測(cè)器上的彈簧壓力小于離心力時(shí)，促使向外運(yùn)動(dòng)的離心塊去撞擊棘輪，從而產(chǎn)生脫扣現(xiàn)象，使之在彈簧的范圍旋轉(zhuǎn)在90°以內(nèi)(圖2)。本系統(tǒng)安裝了配壓閥，凸輪通過(guò)棘輪牽引作用于配壓閥上，將其轉(zhuǎn)換為控制油路，從而使機(jī)械過(guò)速裝置的控制閥油路發(fā)生壓力變化，因此，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組保護(hù)作用。

圖2 切向脫扣原理

1.3 機(jī)組負(fù)荷保護(hù)

在水電站設(shè)置兩端關(guān)閉裝置，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，可以將機(jī)組轉(zhuǎn)速和水壓降至最低。降低過(guò)水部件結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，還可以最大程度地降低機(jī)組的反水推力。降低機(jī)組徑向軸承、推力軸承損壞的風(fēng)險(xiǎn)。采用調(diào)整塊移動(dòng)方式，從而可以改變兩段封閉拐點(diǎn)的位置，因此對(duì)機(jī)組過(guò)速起到一定的保護(hù)作用。采用調(diào)節(jié)限位閥上部的螺母的方式，可以調(diào)節(jié)接力器后端(慢)關(guān)閉時(shí)間。

兩段關(guān)閉特性曲線S=f(T)如圖3所示。S為導(dǎo)葉，T為接力行程，A為兩段閉合的分界點(diǎn)，S1、S2分別為第一段、第二段閉合時(shí)間。停機(jī)指令發(fā)出后，調(diào)速器立即使導(dǎo)葉以較快的第一停機(jī)速度，轉(zhuǎn)向關(guān)閉方向，使導(dǎo)葉關(guān)閉至拐點(diǎn)打開(kāi)。也就是說(shuō)，以較低的第二停機(jī)速度關(guān)閉導(dǎo)葉，實(shí)現(xiàn)兩段關(guān)閉。一級(jí)閉合時(shí)間整定為9 s，二級(jí)閉合時(shí)間整定為16 s，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角為200°。當(dāng)發(fā)生緊急甩負(fù)荷時(shí)，應(yīng)該緊急關(guān)閉調(diào)速器隨即驅(qū)動(dòng)接力器[6]。驅(qū)動(dòng)扇形輪旋轉(zhuǎn)回流鋼絲繩和回流軸，同時(shí)關(guān)閉接力器時(shí)，轉(zhuǎn)向拐點(diǎn)位置的扇形輪可帶動(dòng)主配壓閥活塞移動(dòng)，使主配壓閥活塞的關(guān)向位移減小，從而使主配壓閥窗口的流通區(qū)域縮小，從而減緩接力器的移動(dòng)速度；兩段關(guān)閉裝置通過(guò)引導(dǎo)閥針塞移動(dòng)，引導(dǎo)閥進(jìn)入限位閥控制腔而進(jìn)入壓力油，使限位閥向下移動(dòng)，以達(dá)到保護(hù)機(jī)組過(guò)速[7]的目的。

圖3 兩端關(guān)閉系統(tǒng)

1.4 機(jī)組失靈保護(hù)

通過(guò)液控閥門將機(jī)械過(guò)速裝置串聯(lián)到機(jī)組緊急停車回路中，特別是串聯(lián)在調(diào)速器緊急停車電磁閥與電液轉(zhuǎn)裝置之間的油管路上[8]。從圖4可以看出，在事故停機(jī)電磁閥與機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置切換閥中的任何一個(gè)閥組發(fā)生切換動(dòng)作或同時(shí)發(fā)生切換時(shí)，調(diào)速器主配壓閥下腔回油將被控制油切換，在機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)速時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組事故停機(jī)，減少機(jī)組過(guò)速造成的損失。

圖4 機(jī)械過(guò)速加裝系統(tǒng)

2 試 驗(yàn)

為了機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置能夠有效地保護(hù)到機(jī)組，在過(guò)速的情況下確保水電站機(jī)組運(yùn)行安全，開(kāi)展機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置的仿真實(shí)驗(yàn)。首先分別以水電站的4個(gè)機(jī)組為目標(biāo)，對(duì)這4個(gè)過(guò)速保護(hù)裝置以往數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置以往數(shù)據(jù)

表2 機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

全機(jī)械式過(guò)速保護(hù)裝置動(dòng)作正常，運(yùn)行時(shí)間為1 s，過(guò)速保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)真機(jī)試驗(yàn)符合能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，正在報(bào)批中。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與以往4個(gè)機(jī)組動(dòng)作值分析，在機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置動(dòng)作值與整定值中不超過(guò)1%的誤差，因此可以證明該裝置動(dòng)作值的可靠性和準(zhǔn)確性。從1號(hào)機(jī)組前后對(duì)比可以看出動(dòng)作整定值高出了6.00%ne，裝置保護(hù)動(dòng)作值高出了5.90%ne；4號(hào)機(jī)組前后對(duì)比動(dòng)作整定值高出了5.00%ne，裝置保護(hù)動(dòng)作值高出了4.95%ne。在平均值上來(lái)看，機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體平均值要高于以往的機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置數(shù)值。而且，機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置操作簡(jiǎn)單，保護(hù)精度高，動(dòng)作可靠，安裝簡(jiǎn)單，可在測(cè)速系統(tǒng)、調(diào)速器、電源出現(xiàn)故障時(shí)，帶來(lái)有效的防護(hù)作用[8]。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了基于MMC的小水電機(jī)組過(guò)速保護(hù)的方法，針對(duì)機(jī)組過(guò)速保護(hù)方法的試驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了機(jī)組過(guò)速調(diào)節(jié)方法的研究與試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，本文提出的方法具有可行性。本文研究的保護(hù)措施能夠?yàn)榻鉀Q機(jī)組過(guò)速問(wèn)題提供理論依據(jù)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出，此次改造使機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，為機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)速時(shí)減小損傷，消除安全隱患，提高了機(jī)組過(guò)速運(yùn)行時(shí)的安全性。