张昌胜，肖冉娉，黎先兆，高启迪，蒋小辉

（1.三峡大学科技学院 机械电气学部，湖北 宜昌 443002；2.泰国国家发展管理学院 国际商务管理系，泰国 曼谷 10700）

0 引 言

大型水电机组结构复杂，其运行稳定性对电力系统安全供电至关重要。当机组出现故障时，快速使机组解列是保护电网安全的一种重要措施。在进行机组保护时，通常分为主保护和后备保护两种。传统后背保护通常由继电器-接触器构成保护系统，结构复杂，故障率高，维护困难。现代大型水电机组后备保护均基于PLC组成，系统简单，保护实现程序化，在水电厂应用广泛。

1 水电机组分类及结构

水电机组包括水轮机部分和发电机部分。水轮机从结构形式上分为反击式和冲击式两种。前者充分利用自然优势获得水的动能和水压能，可以分为混流、轴流、斜流和贯流4类；后者与前者有较小的差别，仅仅利用水流获得动能，利用水流获能方式不同主要有斜击、水斗等[1]。水轮机的主要部件包括水轮机的主轴、转轮及尾水机构。转轮承受水压并将水能转换为机械能，主轴将转轮获得的机械能转递至发电机转子，尾水机构将做功后的水引流至下流并回收剩余水能。发电机部分包括定子、转子及端盖等。转子产生磁场并在主轴的驱动下带动定子做切割磁感线相对运动，定子中产生电动势对负载供电，端盖将定子、转子等部件密封在金属壳体内。

2 水电机组后备保护

2.1 过速保护

水电机组启动灵活，常用于电力系统中的调峰调频。当电机组出现甩负荷或故障切除时，往往造成发电机的转子转速过高，导致电网频率变化和过电压现场，严重时可造成系统大面积解列。因为当转速高于一定值时，机组应快速切除，以保护系统安全运行。过速保护系统一般由电气控制系统和机械液压系统组成。如果发电机转速过高，保护系统将控制液压设备的启动，关闭导叶，并停止转子的转动，确保水电站安全运行。

2.2 低油压保护

油压装置的作用是推动导叶活动，实现水电机组调频调峰。油压过低会导致机组失速、润滑油膜破坏、轴瓦及轴承损坏，引发重大机械事故。一般来说，低油压保护应具备以下功能：当润滑油的油压低于正常值时，发出报警信号，自动采取相应措施恢复油压；当继续低于低限时，立即断开机组出口断路器，防止事故进一步扩大。

2.3 过流保护

过流保护的目的是将输出电流控制在固定范围内，并在输出电流短路或过载时保护整个系统或负载。然而，目前常用的过电流保护电路基本存在着不可靠、过电流关断功耗等问题，限制了过电流保护电路的应用范围。过流保护装置应具备选择性、可靠性、快速性和灵敏性。

2.4 温高保护

水轮机在运行过程中由于定子发热、三部轴承轴瓦摩擦发热等，往往造成轴承轴瓦温度过高变形，致使主轴与轴瓦间隙不均匀，主轴摆度过大造成机械不稳定。此外，定子发热过大易导致定子间隙绝缘破坏及其机械强度下降。水轮机导轴承轴瓦温度要求一般在60～70 ℃，65～70 ℃报警，70 ℃跳闸。它的润滑油温度不得高于50 ℃。

3 后备保护系统设计

基于PLC的大型水电机组后备保护系统包含上位机层和下位机层[2]，如图1所示。上位机层选用工控机，集成监控和保护画面。下位机层选用PLC，底层选用智能型传感器。传感器采集机组压力、温度、速度、出口电压及电流传输至PLC。下位机可根据当前采集值做出相应的保护动作，同时将采集值输送至上位机保存，供历史曲线分析、查询。

图1 系统硬件拓扑图

下位机系统控制器采用西门子S7-1215系列PLC，集成8通道模拟量输入模块AI、32通道数字量输入模块DI、16通道数字量输出模块DO及触摸屏[3]，如图2所示。模拟量输入模块AI采集采集机组压力、温度、速度、出口电压及电流信号，数字量输入模块DI采集开关量速度过限、温度过限和压力过限信号。

图2 PLC系统硬件组成

4 后备保护系统程序设计

PLC同时采集传感器传输的压力、温度、速度、出口电压及电流模拟量值及速度过限、温度过限、压力过限开关量值，二者在程序中采用并联方式[4]。压力过低时，PLC开出压力装置加压，延时一定时间，再次判断压力是否过限。如果依然压力过低，则开出停机指令。温度过高及速度过限流程与压力过低相近。PLC后备保护流程，如图3所示。

图3 PLC后备保护流程图

5 结 论

本文基于上、下位机模式设计大型水电机组的后备保护系统硬件构成及保护程序。工控机作为上位机，存储机组压力、温度、速度、出口电压及电流等数据，供历史曲线查询及分析。以PLC系统作为下位机，通过传感器采集压力、温度、速度、电压、电流数字量及模拟量值，依据内部低油压、温度过高、过速等保护流程做出相应的保护动作，以保证机组安全、稳定运行。