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摘要：现如今，我国是科学技术快速发展的新时期，水轮发电机组在关机时，若接力器机械分段关闭出现故障，原有的2段关闭变成1段关闭，此时水击压力将会升高，严重时会造成抬机，影响机组的安全稳定运行。为了避免上述情况发生，保证机组、设备健康稳定，某水电厂决定加装1套电气分段关闭功能，与机械分段关闭互为冗余。当机械分段关闭装置故障时，电气分段关闭能实现机组的正常停机，最大程度地避免事故发生。某水电厂率先运用了这一新技术，投运后机组运行情况良好，为该技术在相同类型的水电厂中的运用起到了较好的推广作用。
关键词：分段关闭;接力器;拐点;监控系统
引言
在水电站的工程实践中，由于受水工结构、引水管道、机组转动惯性等因素的影响，经过调节保证计算，要求导叶在关闭过程中接力器以不同的速率关闭。其关闭特性是，按拐点分成关闭速度不同的两段（或多段），导叶分段关闭装置就是用来实现这种特性的。水轮机水力调节保证计算的基本任务就是确定机组及电站在大波动时的极值：最大转速上升βmax和最大压力上升ξmax。为了限制最大转速上升和最大压力上升或协调二者之间的矛盾，主要有两种方法：（1）选择合适的关闭、开启时间及GD2，这是最主要的方法。（2）其次就是研究最优调节规律，尤其是关闭规律。由此可以看出分段关闭装置在水电站有着广泛的应用。实现两段或三段关闭规律的手段可由调速器通过微机控制完成，也可由调速器之外的机械液压元件完成。当机组配置了事故配压阀等调速器之外的关闭设施时，仅能通过调速器外部零部件实现分段关闭。随着目前微机控制系统的可靠性不断提高，通过调速器软件可很容易实现各种不同的机组关闭规律。目前可靠的分段关闭装置仍然是由机械液压元件组成，本文主要讲述由机械液压元件组成的分段关闭装置。
1工作原理
水电站实现不同关闭规律是通过接力器回油節流，控制接力器的回油流量来完成的。分段关闭装置的执行元件一端连接接力器的开启腔，另一端连接调速器的开启腔。液压分段关闭装置可以呈现为系统A和系统B两种形式。
2接力器改造
2.1单向节流阀更换
此次改造将单向节流阀更换为型号LD-II的一种大流量液控单向节流阀，主要用于单方向改变管路的流量，通过电磁方向阀对分段关闭装置的先导控制，达到使水轮机导叶接力器在关闭过程中实现分段关闭的目的;先快速关闭至分段点，电磁方向先导阀动作，再慢速关闭至全关。单向节流阀安装在导叶接力器开机腔与事故配压阀、调速器主配压阀之间的油管路上，用来控制接力器的关闭速度，快关用于减小机组转速的上升，慢关用于减小机组的压力钢管的水压力上升，防止水锤事故，以确保水轮发电机组安全可靠地运行。
2.2电气液压切换阀电气控制回路原理
由于液压切换阀是瞬动型，具有一经通电就可以动作，且断电后不能自动复归的特性，因而控制液压切换阀带电时先导电磁阀为主用，失电时先导行程阀为备用。为此采用分段关闭电磁阀和分段关闭复归电磁阀来控制液压切换阀是否带电。在机旁APG4屏内加装1个直流220 V空气开关QF4，2个PLC开出继电器K7，K8。其中，接点1，2均在调速器控制系统PLC内部实现逻辑判断。接点1的闭合条件为机组在开机状态、发生机组事故且导叶开度不大于35 %;断开条件为停机状态或导叶开度大于35 %。接点2的闭合条件为停机状态或导叶开度大于35 %时延时1 s闭合，断开条件为接点2闭合后延时1 s自动断开。
2.3将现有接力器进行改造
前面我们已经分析并得出结论，造成接力器关闭曲线异常变化的真正原因是：GE公司没有按接力器三段关闭曲线的要求设计或制造主接力器，第一段关闭排油管的中心线与第二段关闭排油管的中心线的距离不够，只有165mm。如果我们能将第二段关闭排油管向第三段关闭排油管方向移动145mm，就可以满足第二段关闭曲线占全行程的50%这一要求。解决这一间题的简单而有效的方法是：在接力器内壁开导流槽。将第二段关闭排油管与接力器缸内壁焊接处往第三段关闭排油管方向铣出两道145mmX8ommX20mm的导流槽（两槽之间留20mm宽的肋）即相当于将第二段关闭排油管向第三段关闭排油管方向移动了145mm。经过校核计算，开槽之后，接力器缸壁强度仍能满足要求。
2.4监控系统控制部分改造
此次改造对电磁阀增加1组0～24V的控制信号线，引入监控现地LCU，在监控柜内增加1个开出继电器开出信号，主要功能如下：机组正常停机情况下，当导叶开度下降至70%时，监控系统开出信号，经过一定延时，使单向节流阀上的电磁阀动作，实现分段关闭功能。并对监控程序进行修改，将电气分段关闭控制写入主程序中：当机组开机运行时，若监控系统给出停机令，当机组当前导叶开度小于或等于70%，监控直接开出电气分段关闭信号，开出继电器动作，分段关闭装置电磁阀线圈带电，分段关闭信号动作20s后，监控系统复归电气分段关闭信号，此时电气分段关闭功能退出。
2.5动作原理
正常时，液压切换阀控制先导电磁阀为主用，控制先导行程阀为备用，仍采用原来的导叶开度在35 %位置的开关量信号作为拐点信号。监控系统在收到拐点信号的同时，控制先导电磁阀动作，发出分段关闭装置的分段关闭指令。如果先导电磁阀动作0.2 s后，分段关闭装置未动作，即电气分段投入位置接点未动作，则切换阀自动切换到先导行程阀控制。由于节流滑块固定在水轮机调速环上，在导叶开度关至20 %时，凸轮位置开始与节流滑块的最低点接触;随着导叶继续关闭，凸轮位置随着节流滑块的坡度上升而不断滑动上升;在先导电磁阀控制分段关闭装置未动作0.2 s后，凸轮杆正好顶起至分段关闭行程阀动作位置，从而控制分段关闭装置动作，实现导叶分段关闭。
2.6调整关闭曲线至最佳状态
在现有的接力器三段关闭曲线的基础上，适当降低导叶第二段的关闭速度，尽量提高导叶第三段的关闭速度，这样即可以控制因导叶第二段关闭过快而引起的过高水击压力。同时，在导叶第三段关闭开始后，机组达到最高转速的时间将缩短，机组的最高转速将下降，而且机组持续高转速的时间将缩短。但这种调整是有限度的。
结语
此次机组电气分段功能改造，采用了电气信号控制导叶分段关闭这一新技术。当机组导叶开度降至70%时，监控系统内部程序进行判断，通过继电器开出信号给电磁阀，动作于单向节流阀以改变油流的大小，实现分段关闭，并取得了成功。此次改造已在该电厂的机组上投入运行。可以说，这一新技术的使用，不仅保证了当机械分段关闭功能失效时，机组能够正常停机，不发生转速瞬时升高，造成抬机的现象，同时，也为该技术在相似水电站的电气分段关闭功能上的推广起到了良好的促进作用，具有比较深远的意义。
参考文献
[1]胡细波，毛先强，张楠林.水轮机的导叶关闭规律分析及应用[J].水电与新能源，2015（7）：66-68.
[2]占小涛，张晓宏，张俊发.水轮机导叶开启和关闭规律探讨[J].人民长江，2017（9）：89-93.
[3]徐晓燕，张晓宏，李建斌.水轮机导叶关闭过程的探讨研究[J].电网与清洁能源，2015（2）：135-138.
[4]郑伟.调速器系统分段关闭装置故障分析及处理[J].电工技术，2018（9）：114-115.
关键词：分段关闭;接力器;拐点;监控系统
引言
在水电站的工程实践中，由于受水工结构、引水管道、机组转动惯性等因素的影响，经过调节保证计算，要求导叶在关闭过程中接力器以不同的速率关闭。其关闭特性是，按拐点分成关闭速度不同的两段（或多段），导叶分段关闭装置就是用来实现这种特性的。水轮机水力调节保证计算的基本任务就是确定机组及电站在大波动时的极值：最大转速上升βmax和最大压力上升ξmax。为了限制最大转速上升和最大压力上升或协调二者之间的矛盾，主要有两种方法：（1）选择合适的关闭、开启时间及GD2，这是最主要的方法。（2）其次就是研究最优调节规律，尤其是关闭规律。由此可以看出分段关闭装置在水电站有着广泛的应用。实现两段或三段关闭规律的手段可由调速器通过微机控制完成，也可由调速器之外的机械液压元件完成。当机组配置了事故配压阀等调速器之外的关闭设施时，仅能通过调速器外部零部件实现分段关闭。随着目前微机控制系统的可靠性不断提高，通过调速器软件可很容易实现各种不同的机组关闭规律。目前可靠的分段关闭装置仍然是由机械液压元件组成，本文主要讲述由机械液压元件组成的分段关闭装置。
1工作原理
水电站实现不同关闭规律是通过接力器回油節流，控制接力器的回油流量来完成的。分段关闭装置的执行元件一端连接接力器的开启腔，另一端连接调速器的开启腔。液压分段关闭装置可以呈现为系统A和系统B两种形式。
2接力器改造
2.1单向节流阀更换
此次改造将单向节流阀更换为型号LD-II的一种大流量液控单向节流阀，主要用于单方向改变管路的流量，通过电磁方向阀对分段关闭装置的先导控制，达到使水轮机导叶接力器在关闭过程中实现分段关闭的目的;先快速关闭至分段点，电磁方向先导阀动作，再慢速关闭至全关。单向节流阀安装在导叶接力器开机腔与事故配压阀、调速器主配压阀之间的油管路上，用来控制接力器的关闭速度，快关用于减小机组转速的上升，慢关用于减小机组的压力钢管的水压力上升，防止水锤事故，以确保水轮发电机组安全可靠地运行。
2.2电气液压切换阀电气控制回路原理
由于液压切换阀是瞬动型，具有一经通电就可以动作，且断电后不能自动复归的特性，因而控制液压切换阀带电时先导电磁阀为主用，失电时先导行程阀为备用。为此采用分段关闭电磁阀和分段关闭复归电磁阀来控制液压切换阀是否带电。在机旁APG4屏内加装1个直流220 V空气开关QF4，2个PLC开出继电器K7，K8。其中，接点1，2均在调速器控制系统PLC内部实现逻辑判断。接点1的闭合条件为机组在开机状态、发生机组事故且导叶开度不大于35 %;断开条件为停机状态或导叶开度大于35 %。接点2的闭合条件为停机状态或导叶开度大于35 %时延时1 s闭合，断开条件为接点2闭合后延时1 s自动断开。
2.3将现有接力器进行改造
前面我们已经分析并得出结论，造成接力器关闭曲线异常变化的真正原因是：GE公司没有按接力器三段关闭曲线的要求设计或制造主接力器，第一段关闭排油管的中心线与第二段关闭排油管的中心线的距离不够，只有165mm。如果我们能将第二段关闭排油管向第三段关闭排油管方向移动145mm，就可以满足第二段关闭曲线占全行程的50%这一要求。解决这一间题的简单而有效的方法是：在接力器内壁开导流槽。将第二段关闭排油管与接力器缸内壁焊接处往第三段关闭排油管方向铣出两道145mmX8ommX20mm的导流槽（两槽之间留20mm宽的肋）即相当于将第二段关闭排油管向第三段关闭排油管方向移动了145mm。经过校核计算，开槽之后，接力器缸壁强度仍能满足要求。
2.4监控系统控制部分改造
此次改造对电磁阀增加1组0～24V的控制信号线，引入监控现地LCU，在监控柜内增加1个开出继电器开出信号，主要功能如下：机组正常停机情况下，当导叶开度下降至70%时，监控系统开出信号，经过一定延时，使单向节流阀上的电磁阀动作，实现分段关闭功能。并对监控程序进行修改，将电气分段关闭控制写入主程序中：当机组开机运行时，若监控系统给出停机令，当机组当前导叶开度小于或等于70%，监控直接开出电气分段关闭信号，开出继电器动作，分段关闭装置电磁阀线圈带电，分段关闭信号动作20s后，监控系统复归电气分段关闭信号，此时电气分段关闭功能退出。
2.5动作原理
正常时，液压切换阀控制先导电磁阀为主用，控制先导行程阀为备用，仍采用原来的导叶开度在35 %位置的开关量信号作为拐点信号。监控系统在收到拐点信号的同时，控制先导电磁阀动作，发出分段关闭装置的分段关闭指令。如果先导电磁阀动作0.2 s后，分段关闭装置未动作，即电气分段投入位置接点未动作，则切换阀自动切换到先导行程阀控制。由于节流滑块固定在水轮机调速环上，在导叶开度关至20 %时，凸轮位置开始与节流滑块的最低点接触;随着导叶继续关闭，凸轮位置随着节流滑块的坡度上升而不断滑动上升;在先导电磁阀控制分段关闭装置未动作0.2 s后，凸轮杆正好顶起至分段关闭行程阀动作位置，从而控制分段关闭装置动作，实现导叶分段关闭。
2.6调整关闭曲线至最佳状态
在现有的接力器三段关闭曲线的基础上，适当降低导叶第二段的关闭速度，尽量提高导叶第三段的关闭速度，这样即可以控制因导叶第二段关闭过快而引起的过高水击压力。同时，在导叶第三段关闭开始后，机组达到最高转速的时间将缩短，机组的最高转速将下降，而且机组持续高转速的时间将缩短。但这种调整是有限度的。
结语
此次机组电气分段功能改造，采用了电气信号控制导叶分段关闭这一新技术。当机组导叶开度降至70%时，监控系统内部程序进行判断，通过继电器开出信号给电磁阀，动作于单向节流阀以改变油流的大小，实现分段关闭，并取得了成功。此次改造已在该电厂的机组上投入运行。可以说，这一新技术的使用，不仅保证了当机械分段关闭功能失效时，机组能够正常停机，不发生转速瞬时升高，造成抬机的现象，同时，也为该技术在相似水电站的电气分段关闭功能上的推广起到了良好的促进作用，具有比较深远的意义。
参考文献
[1]胡细波，毛先强，张楠林.水轮机的导叶关闭规律分析及应用[J].水电与新能源，2015（7）：66-68.
[2]占小涛，张晓宏，张俊发.水轮机导叶开启和关闭规律探讨[J].人民长江，2017（9）：89-93.
[3]徐晓燕，张晓宏，李建斌.水轮机导叶关闭过程的探讨研究[J].电网与清洁能源，2015（2）：135-138.
[4]郑伟.调速器系统分段关闭装置故障分析及处理[J].电工技术，2018（9）：114-115.