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低压机组水电站安全自动化技术的研究

文档作者：尹刚余少彬文档来源：湖北省地方水电公司安徽水电潜山有限责任公司大关水电站		点击数：	更新时间： 2021年06月05日
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农村水电站安全保障技术 SMALL HYDRO POWER 2010No2 Total NolS2
低压机组水电站安全自动化技术的研究
尹 刚(湖北省地方水电公司 湖北武汉430071)
余少彬(安徽水电潜山有限责任公司大关水电站 安徽潜山 246310)
【摘要】在我国，低压机组水电站总量占全国农村水电站的约80％，电站存在安全技术和安全管鲤的盲区。对电站
存在的安全问题进行了深入的调查分析，提出了可行的技术方法和建议。从根本上解决了低压机组水电站阻碍实现无人值
班的安全技术瓶颈问题。
【关键词】水电站低压机组安全设备安全现状技术研究 。
1 概述
由于低压机组水电站机组单机容量都很小，电
站职工素质普遍不高，电站的安全问题始终没有受
到人们的重视，使得低压机组水电站一直能在设备
配置十分简单，技术装备普遍落后的环境下运行。
我国低压机组水电站安全技术的研发工作一直
落后于水电站生产设备技术的研发，造成了我国绝
大部分的低压机组水电站都存在严重的安全隐患。
目前，除国有电站现在还能够有效的实施统一安全
管理外，集体和民营电站在安全管理方面基本都是
各自为阵，缺乏科学的管理手段，要想落实安全管
理措施非常困难。
低压机组水电站在农村水电站中所占比例较
大，但整体的自动化水平一直得不到提高，电站的
各项控制、调节基本都是按人工操作来设计。这种
落后的设备配置方式和技术装备设计思想一直延续
到了现在，造成低压机组水电站的劳动生产效率无
法提高，电能质量很不稳定，各种事故频繁发生，
已严重危及到电站设备运行安全和人身安全，使得
低压机组水电站在运行、融资、上网等方面受到责
难，影响到电站的效益和生存，使得电站在市场经
济的环境下缺乏应有的竞争力。
2 安全现状调查
上世纪60～80年代，我国经济困难、物质匮
乏，小型水电站的建设主要依靠老百姓投工投劳，
加上政府少量的资金补贴。低压机组水电站建设周
期短，投资少，当时建造的小型水电站大多是低压
机组，受当时设计水平、设备制造能力和物质分配
方式的制约，电站在建设时就存在设计简化和设备
· 78 ·
配套不合理等问题，很多电站的出力严重不足，由
于缺乏完善的自动化元件，电站基本无自动化可
言。经过几十年的运行，这些电站不但存在安全技
术问题，其中不少电站已超过使用年限，很多设备
存在严重的机械磨损、绝缘老化和控制、保护失灵
等问题。
改革开放以来，虽然低压机组水电站的设计观
念发生了很大的变化，设备制造能力也有了很大的
提高，但电站的投资主体多由国家、集体变为民营
和个体，加上电站安全自动化设备的研发严重滞
后，电站安全运行和安全管理方法并没有得到多大
的改善。
低压机组水电站普遍存在的安全技术隐患是一
个历史遗留问题，几十年来都没能很好的去加以解
决，主要原因是牵涉的专业很广，制约的因素太
多，缺乏应有的技术规范。随着社会的进步、技术
的发展，从根本上解决电站安全运行和安全管理的
问题，并不是很困难的事情，只要政府、业主、设
备生产厂家共同努力，特别是政府要尽快出台一些
专门针对低压水轮发电机组水电站的强制性安全生
产管理规定，督促业主和设备生产厂家认真执行。
3 低压机组水电站的主要安全隐患
3．1 阀门及闸门的控制
低压机组水电站主阀和闸门的控制操作常用的
有手动和电动操作两种方式，小容量和部分大容量
的机组现在较为普遍的还是采用手动操作，主要原
因是设备价格低廉，操作简单、维护方便。手动操
作的缺点是，操作速度很难满足事故处理要求，过
慢的关闭速度会使事故扩大。手动操作的阀门一般
没有限位开关，超开和超关的问题十分突出，经常
小水电2010年第2期(总第152期) 农村水电站安全保障技术
会造成阀门机械卡死，超开和超关会造成设备的损坏。
由于手动操作的主阀和闸门无自动开闭功能，
也不可能接受电站自动控制系统对其发出的指令，
当机组发生紧急事故时，这一最后的技术安全保障
设备实际起不到应有的作用。
3．2 调速器
目前我国低压机组采用的调速设备种类繁多，
大体可分为手动、半自动和全自动3种。手动操作
是靠人工操作手轮和折向器(冲击式机组)来完
成；半自动虽能自动开、关机，但是负荷发生变化
时调速器无法自动调整，而是需依靠人工操作来完
成，如手动、电动操作器和各种蓄能方式的操作
器；全自动的有电调、机调、和微机调，现在电
调、机调正在逐步退出全自动调速器市场，微机调
速器已占据全自动调速器的主导地位，PLC调速器
属微机调速器的一种。
受设备价格因素的制约，低压机组的有功调节
还在大量采用手动和半自动调节方式。手动调节设
备的安全性能差，容易造成设备和人身伤害事故。
据有关资料介绍，我国每年都会发生因调速器问题
而造成人员伤害及设备损坏的恶性事故。 半自动调
节方式虽然在安全方面有了很大的改善，但因为一
般都是开环运行，如果不与自动化程度较高的控制
设备联合使用，其自动控制的作用很难有效发挥。
3．3 同期 ‘
低压机组水电站同期并网操作过去都是采用手
动完成，受运行人员工作责任心和业务水平等因素
的影响很大。人工手动同期不但同期的时间较长，
一次同期成功的机率也很低，非同期并网是电站的
主要隐患之一，其对设备的伤害较大，而非同期并
网造成的主开关损坏事故近几年也较多。因此，设
法提高低压机组水电站的自动化程度，配置性能优
良的自动准同期设备，确保电站机电设备的运行安
全是有必要的。
3．4 刹车制动
低压机组很少设计自动刹车装置，也很少装设
全自动调速器，所以电站一般不设气系统，机组的
刹车缺乏气源和油源，现在低压机组水电站大都是
采用手动油泵制动刹车和木棍刹车，既不安全，又
容易造成环境污染。在我国，采用木棍刹车造成人
员的伤亡事故时有发生。
由于没有自动刹车设备，刹车的时间需靠肉眼
观察、人工操作，这样的操作方式是极不安全的。
如果刹车时间掌握不好，转速没有降到30％以下，
这时刹车很容易对设备造成损坏，有时甚至会危及
人的生命。
4 安全隐患的避免和处理方法
要从根本上消除低压机组水电站存在的安全隐
患，就必须全面提高电站设备的自动化水平，完善
相关设备配置。作为低投入电站，想按大中型水电
厂的模式大范围提高设备投入是不现实的。所以，
首先需在低压机组水电站推广安全自动化设备，如
自动准同期装置、自动励磁调节器、高油压全自动
调速器、自动刹车设备、可电动操作的阀门等。在
设计选型上要做到没有安全防护的设备坚决不选，
达不到安全防护等级的设备坚决不用。
加大政府管理机构对电站安全生产指导和监管
的力度，只有强化了政府的监管，才能达到对电站
安全生产监管的效果，才能保证电站生产安全。
建立完善的电站管理制度来解决安全问题，如
制定并执行小水电生产安全规章制度；强化安全生
产制度检查力度；举办运行工上岗培训班，并进行
上岗证的验审；制订和完善农村水电站的安全生产
激励机制，将职工切身利益和安全生产直接挂钩，
等等。这些办法在国有电站也许还能起到一定的效
果，但对于民营和个体水电站，只能是治标，没有
做到治本，因为他们缺乏高素质的员工。
只有通过政府法规和技术规范强制要求电站完
善安全自动化设备的配置，监督使用达到安全标准
的设备，严格按安全标准进行安装、调试、实验，
并通过安全检测，才能从根本上保证电站运行人员
和设备在有安全保障的环境下工作。
5 低压机组安全自动化
低压机组水电站安全自动化技术是在自动化设
备中设置预先性的安全措施，可在无人干预的情况
下按规定的程序或指令自动进行监测、操作或控
制，进而保护员工及减少意外和安全事故的发生。
安全自动化技术不仅可以把电站运行人员从恶劣危
险的工作环境及繁重的体力劳动中解放出来，而且
能极大地提高劳动生产率，也是解决电站不安全问
题的有效手段。
6 安全自动化设计．
安全自动化设备的配置以保证水电站的主要设
· 79 ·
农村水电站安全保障技术 SMALL HYDRO POWER 2010No2．T~tal No152
备和运行人员不会受到伤害为前提。首先，在水电
站的机电设计中要重视安全自动化设计和安全装置
的配置，体现“以人为本”的现代管理理念。安全
生产标准的制定，保证了一个生产工艺流程的安全
运行，在一定程度上起到对人的约束。一个生产工
艺流程的安全标准定得越高，则事故发生的几率越少。
由于低压机组水电站的生产工艺流程是要靠人
工去完成，过去我们只能求助于制度的完善和员工
的自觉性。在创造和谐社会的今天，政府部门有职
责去推动安全自动化设计理念的更新，推行安全自
动化设备的使用。如电站进水阀必须配备电动机
构、水轮发电机组应该全封闭运行、发电机控制柜
必须达到3C的防护标准、严禁使用手动油刹和木
棍刹车、调速器不得使用手动操作器和手电操，等等。
随着n’技术的快速发展，智能化的安全保护
设备已广泛应用到水电站的各个环节中，水电站安
全自动化技术的应用，可以极大的降低员工的劳动
强度，提高监测精度和信息传输的实时性，有效避
免安全事故发生，保证设备的安全运行。水电站安
全自动化技术将成为确保电站安全生产的重要技术
手段。
7 安全自动化设备的研究
由于低压机组水电站设备技术落后、设备配置
不完善、人员素质偏低的问题在短期内很难从根本
上得到解决。安全自动化设备的研发将成为解决这
些难题的最佳方法，傻瓜型低压机组微机智能控制
保护器、低压机组数字励磁调节器和低压机组微机
全自动调速器的研制，将根本性解决低压机组水电
站的安全运行问题，使已建和新建的低压机组水电
站实现自动控制成为可能，并且可以解决高科技产
品需要高水平员工这一难题。
7．1 低压机组微机智能控制保护器
低压机组微机智能控制保护器是专门为实现低
压机组自动化而研制的安全智能装置，是微机技术
与现代通信技术相结合的高科技产品。它具有机组
自动控制、测量、自动准同期、发电机保护、温度
巡检等功能，配合低压机组数字励磁调节器和低压
机组微机调速器，可完整的实现低压机组水电站安
全自动运行。使低压机组水电站实现无人值班成为
现实。
低压机组微机智能控制保护装置的设计，主要
从结构简单、安装方便、人机界面简洁、没有复杂
· 80 ·
的操作过程和现场不需维护等几个方面下功夫。达
到运行人员只需按照说明书的要求操作，即可独立
完成电站的手动开停机操作的目的，正常情况下只
需一键就可实现机组的自动开停机，事故情况下机
组可自动完成关机程序，保证机组安全。这一切都
是由低压机组微机智能控制保护装置发出指令，低
压机组数字励磁调节器和低压机组微机调速器配合
完成的。
7．2 低压机组数字励磁调节器
低压机组数字励磁调节器是专为低压机组研制
的数字励磁调节器，其采用目前成熟的技术，在装
置结构简单、经济可靠上做文章，可实现无功的自
动调节。配以晶闸管功率部分和干式励磁变压器，
即可组成完整的自并励低压机组励磁系统。整个励
磁系统可成套安装在低压机组自动控制屏内，既简
化了布置，减少了管理环节，也提高了设备的安全
性。由于采用的是高性能的元器件，常年依靠电风
扇实现励磁冷却的现象将不会发生，节能效果十分
明显。
7．3 低压机组微机调速器
DWT低压机组微机调速器是为调速功在
1 000 kw及以下的低压水轮发电机组专门研制的高
油压微机调速器，它填补了国际、国内在低压机组
领域全自动调速器的空白。DWT系列产品的研制
成功，既解决了低压机组水电站安全运行问题，也
使低压机组水电站实现无人值班成为可能。
低压机组微机调速器共有3 000、6 000、10 000
(N·m)3种调速功和25、40、8O升3类冲击式调
速器规格，基本能够满足低压机组水电站的需求。
该产品具有手动、自动开关机和避免关机过度而损
坏导水机构的功能；具有频率调节、开度调节、水
位控制、闭环控制和功率调节等多种运行模式，能
适应不同运行工况的要求；可按“调保计算”要
求，实现先快后慢关机；还可提供多种刹车方式及
手动开停机。
8 安全自动化设备的安装和维护
低压机组微机智能控制保护器和低压机组数字
励磁调节器的设备尺寸都是按相同规格设计，统一
的设备尺寸方便了设备的互换。为了方便维护，装
置进出线采用的是专用的插座，拆装如同计算机安
装，十分简单，做到了人性化设计。
低压机组微机调速器有接力器外置式和内置式
小水电2010年第2期(总第152期) 农村水电站安全保障技术
2种。外置式的接力器与调速器本体可分开布置，
特别适合厂房跨度小的低压机组水电站，为了方便
用户的使用习惯，低压机组微机调速器也设计有接
力器内置式结构形式，供用户选择。由于调速器采
用的是模块化结构设计，整套设备由储油箱、油
泵、高压气罐、接力器、数字阀和电气柜组成，除
储油箱和电气柜外，其他配件都是市场上通用的标
准产品，维护和零部件的更换十分方便。
9 安全自动化设备的应用
DZK低压机组自动控制屏作为低压机组水电站
自动化控制设备的更新换代产品，通过不断的技术
完善，已实现研发时制定的安全可靠、操作方便、
维护简单的目标，达到国际、国内先进技术水平。
产品自推向市场后，在很多地方掀起了低压机组水
电站自动化改造高潮。浙江某县共有6o台低压机
组，已有近40台改造安装了DZK系列低压机组自
动化设备。DZK系列低压机组自动化设备主要有以
下几个特点。
9．1 人性化的设计
DZK系列低压机组自动化设备是经过了大量需
求调查后开始研发的，主要关注的是设备的安全性
和使用群体的习惯性，重点在安全自动化和人性化
设计上下功夫。针对电站运行人员素质普遍不高，
将产品设计成不需现场维护；针对电站运行人员对
高科技的畏惧，尽量减少运行人员的监视和操作工
作，运行时只需操作开、停机开关，剩下的工作都
由自动化设备去完成；针对电站运行人员大多未经
过专门的技术培训，将自动化设备高度集成，减少
操作环节，使得操作更简单、维护更方便、管理更
容易。一台机组的一次设备和控制、监测、信号、
保护、温巡、同期、励磁、厂用电等集中设计在一
块屏里；调速器具备调速、刹车、黑起动、手动等
功能，这种高度集成的设计思想，就是安全设计和
人性化设计的充分体现。
现在已装设DZK系列产品的电站基本上不需
要专业的运行人员，很多电站采用老年夫妻共同管
理，电站自今都在安全、正常运行。这一运行模式
应该同样适合应用在高压机组水电站。
9．2 低廉的价格，优质的产品
影响低压机组水电站自动化技术应用的一个主
要原因就是设备价格难以承受。产品研发之初，针
对锁定的用户群专门进行了经济承受力调查，了解
用户群对设备价格的期望值。根据调查统计，影响
低压机组水电站安全自动化设备使用的主要因素有
二，首先是价格因素，其次才是技术复杂程度。正
常情况下，用户对价格的承受力为电气控制屏在每
台3万元左右，调速器在每台3万元以下。
设备价格的低廉并不代表质量的低下。为解决
故障设备的快速更换，减少停机对电站造成的损
失。在产品研发中，尽量选择市场上使用率较高的
通用产品，既方便采购，又可以降低零部件的采购
成本。同时，用好的产品质量，减少市场营销和工
程调试费用。高度自动化的产品和用户可以接受的
价格，解开了长期制约低压机组安全自动化的瓶
颈，使得20岁小伙和60岁的长者，无论你是否接
受过专业技术的培训，都能放心的使用，因为安全
自动化操作都是自动进行，无需人工参与。
9．3 系统化的理念
低压机组安全自动化设备的各项功能，一开始
就是按系统化理念进行研发规划的，自动控制、励
磁和调速器各设备既是单一的个体，可以独立使
用，同时也是一个整体，相互关联。任何一个自动
调节设备出现故障，都不会影响到其他设备的正常
运行，这些有别于国际国内使用的低压机组自动化
设备。
一套完整配置安全自动化设备的低压机组水电
站，其安全自动化的功能，基本可以达到高压机组
自动化的水平，但价格只是高压机组的1／10不到，
而且可以真正实现无人值班。这些在已运行的几百
座电站中已得到印证。
一
尹刚(1957一)，男，高级工程师，长期从事农村水
电厂设计、管理及低成本水电厂自动化技术的研究：现主
要研究方向为低压机组自动化系统和数字化水电站技术。
EmRil： yg76531@ 163．com
责任编辑赵建达
建立完善安全生产责任制度
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