水电站水泵运行时断路器开断最佳负荷值的选定

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摘 要：本文以某水电站水泵运行机组实际情况为例，就在水泵运行状态下，断路器开断最佳负荷值的选定方案，以及最佳的负荷取值问题展开了较为详细的分析与说明，希望能够引起各方工作人员的特别关注与重视。

关键词：水电站；水泵；机组；断路器；开断；负荷

中图分类号：TH31 文献标识码：A

相关研究工作发现：水泵水轮机在基于过渡过程的运行状态下，会在转轮及叶片装置当中出现一定的应力。在水泵机组转轮装置所流经水流产生共振现象的过程当中，使此状态下的应力水平明显较高。造成这一现象的因素主要包括以下几个方面：水泵机组导叶叶片数量；水泵机组转轮装置叶片数量；运行工况负荷数值；导叶装置关闭速度等。因此，在水电站水泵运行的过程当中，就需要对应力指标进行合理控制，以确保应力分布相对应水泵水轮机组的影响能够得到显著的降低与控制。因此，为了确保水电站水泵运行状态下，整个机组的安全与可靠，就需要重点关注对断路器开断最佳负荷取值的确定工作。本文结合实践工作经验，就上述相关问题做详细分析与说明。

1 水电站水泵运行概况

某水电站共安装有4台水泵水轮机-发电电动机运行机组，水泵机组正常运行状态下的单机容量设定为300MW状态，额定水头长度为244.0m（最大水头长度为286.0m，最小水头为234.0m）。转轮部件半径参数为2400.0m，且正常运行状态下的额定转动速度设定为平均300r/min。水电张所选取的断路器为ABB公司所生产的发电机断路器，该型号断路器所对应的开端故障电力次数为6次。说明开断正常电流负荷所对应电流数值越大，相应的使用寿命也就越短。

2 断路器开断最佳负荷值的选定方案

基于对厂家设计参数的分析，该水电站机组水泵在正常运行状态下的开断负荷取值应当控制在110～300MW单位范围之内。为了确保所选取的开断负荷数值最优，就需要通过试验的方式实现。具体的试验思路为：分别在1#、5#、以及10#导叶上，对叶片部件与转轮装置之间的对应应力关系进行测定。整个测定是建立在不同负荷工况基础之上完成的（具体的负荷工况按照110MW、220MW、260MW、以及300MW这4个等级进行划分）。具体的试验结果同样可以按照负荷工况的不同，分以下4个方面进行详细总结。

2.1 建立在负荷工况110MW状态下的断路器开断试验结果分析

图1为在110MW负荷工况状态下，断路器开断试验结果示意图。结合图1中的相关数据不难发现：在整个机组水泵运行负荷自300MW极大值逐步降低至110MW极小值的过程当中，导叶部件相对于转轮装置的压力呈现出了一定程度上的上升取值（在运行负荷取300MW极大值的状态下，压力为2.80MPa；在运行负荷取110MW极小值的状态下，压力为3.84MPa），2者之间为反相关关系。与此同时，在断路器断开14.0s时间状态下，整个水泵运行机组的转动速度仅表现为3/4*额定转动速度。

2.2 建立在负荷工况220MW状态下的断路器开断试验结果分析

在整个水电站水泵机组运行负荷自300MW极大值逐步降低至220MW设定值的过程当中，导叶部件相对于转轮装置的压力同样有所上升（在运行负荷取300MW极大值的状态下，压力为2.80MPa；在运行负荷取220MW设定值的状态下，压力为3.42MPa），2者之间同样为反相关关系。并且，在断路器断开7.0s时间状态下，整个水泵运行机组的转动速度仅表现为3/4*额定转动速度。

图1 负荷工况110MW状态下断路器开断试验结果示意

2.3 建立在负荷工况260MW状态下的断路器开断试验结果分析

在整个水电站水泵机组运行负荷自300MW极大值逐步降低至260MW设定值的过程当中，导叶部件相对于转轮装置的压力有所上升（在运行负荷取300MW极大值的状态下，压力为2.80MPa；在运行负荷取260MW设定值的状态下，压力为3.30MPa），2者之间同样为反相关关系。并且，在断路器断开5.0s时间状态下，整个水泵运行机组的转动速度仅表现为3/4*额定转动速度。

2.4 建立在负荷工况300MW状态下的断路器开断试验结果分析

图2为在300MW负荷工况状态下，断路器开断试验结果示意图。结合图2中的相关数据不难发现：在整个水电站水泵机组处于满负荷（即300MW负荷工况）的情况下，导叶部件相对于转轮装置之间的断路器直接表现为断开，2者之间所形成的压力取值为2.80MPa。同时，值得注意的一点是，为了防止水泵机组压力钢管内水流出现反向性移动的问题，因此就要求导叶能够在较短的时间内，实现自最大开度下降至极小值的状态。在断路器断开3.5s时间状态下，整个水泵运行机组的转动速度仅表现为3/4*额定转动速度。

图2 负荷工况300MW状态下断路器开断试验结果示意

不难发现，在断路器开断动作的实施过程当中，伴随着水电站水泵机组运行负荷工况数值的不断降低，包括叶轮与转轮之间的压力数值，以及自额定转速下降至3/4*额定转动速度的时间消耗均呈现出一定的增长趋势。但在满负荷，即300MW负荷运行状态下，尽管导叶部件与转轮装置之间的压力脉动有所降低，但由于此状态下导叶部件的开度处于较大水平，因此，为了防止水泵机组压力钢管内部的水流流向反向，就要求调速器装置能够在较短时间内对导叶部件进行关闭。这种快速性的关闭显然是无法确保机组停机稳定可靠的。同时，在机组处于110MW较低负荷工况运行条件的状态下，导叶与转轮之间的压力显著提升，为上述4层运行工况下的最大数值。受到压力过大因素的影响，不单单会使得水泵的运行振动频繁，同时也加大了在机组维护以及保养方面的工作量。结合上述分析来看，要求在水电站水泵运行的过程当中，将断路器的开断负荷控制在110～260MW范围之内。在兼顾电气方面，断路器通过电流以及维护周期要求的基础之上，将水泵运行下的断路器开断负荷确定为190MW的合理数值。

3 结语

本文结合某水电站水泵机组的实际情况，在分析其相关运行信息及数据的基础之上，通过建立在不同负荷工况下试验研究的方式，分110MW、220MW、260MW、以及300MW这4个等级进行了断路器开断动作的试验，得出在该水电站水泵机组常规运行状态下，断路器的开断负荷需控制在110～260MW范围之内。同时，还需要基于对断路器通过电流以及维护周期要求数值的分析，将最合理的水电站水泵运行断路器开断负荷值确定为190MW。

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