小水电站的调速机构多以老旧操作器为主，电网突然停电后，只能手动关机。针对此种隐患，自主研发一种自动关机装置，可与原操作器结合起来使用，来实现自动关机;同时具有开机、关机、增、减负荷等功能。
1概述
河北省石家庄市的小水电站大多建于20世纪80年代，自动化水平低，当电网突然停电或断电时，只能靠人工盘大轮来关闭水轮机，速度慢，如果操作不及时，极易发生飞车事故，时刻威胁着职工和设备的安全，是水电行业安全隐患之一。据统计，在全市有63%的机组中使用的操作器需改造成自动关机的操作器。
2自动关机操作器的分类
目前国内具有停电后可自动关机功能的操作器有以下3类:一是弹簧储能型(TC)操作器，采用机械弹簧储能原理，当失去电源后，蓄能弹簧推动活塞进行关机，价格约5万元。二是高压氮气罐储能(HPU)操作器，当电网突然停电，利用压缩氮气推动油路块与叠加电磁阀组成高压控制油路，直接操控导叶接力器，来实现自动关机，价格在6万元左右。三是DWT微机全自动调速器，是采用日本三菱FX2N高性能可编程控制器作为硬件主体，与适配的机械液压随动系统相配合，用于控制接力器的动作;该装置由高油压操作器数字阀液压系统及直流屏组成，整体价格约12万元。这3类操作器取代了原传统操作器，考虑了失去电源后的紧急停机，但需将原操作器拆除不用，重新做地基，重新安装。由于体积较大，往往受老电站空间尺寸的限制，费用较贵，不易被老旧电站接受，常常应用于新建的电站。石家庄市老电站厂房面积普遍较小，较大规模的土建或改进往往不现实。这决定了此自动化装置的结构要简约，同时与原操控系统对接要可靠、易操控、费用低，易于为电站接受。
3研发思路
石家庄市水电及农村电气化发展处走访了20多座1000kW以下的电站进行调研，各电站普遍要求在原有的操作器上进行改进为好，决定在操作器的传动机构上做文章。因此，选择在最节能、最易衔接、最省费用的操作手轮上，安装1套操控机构，以直流减速电动机为动力，将大链轮装配在操作手轮上，利用链轮传动来操纵手轮按指令进行运转，从而完成操作器的操作工作。特点是改造费用少，结构简单，操控目标明确、直接，动作可靠。日常操作具有关、停机，增减负荷的功能，遇事故时可自动启动紧急停机功能。
4参数的计算及操控原理
4.1参数的计算
首先要确定机械传动机构核心部件的尺寸，以井陉县长征电站3号机组为例，经实际测量操作手轮直径为420mm，由全开至空载状态，手轮需旋转6圈。根据调保要求确定关机至空载的时间5s
4.2自动关机装置的改造及操控原理
将标准件17齿小链轮按电动机轴颈尺寸加工内孔、插键槽，并在小链轮加工凸肩，目的是留出链条的间隙，然后将小链轮装配在电动机的轴颈上。加工标准件60齿大链轮及原操作手轮的配合面，并钻孔套丝用3枚M8键镶入两者的配合面上，使大链轮与操作手轮紧固成一个整体。当电动机接受指令后，小链轮以307r/min转速与减速直流电机同步旋转，通过链条带动大链轮旋转，链速为1.6m/s(经计算此链速可保证在满负荷的情况下，关机时间为8s)。由于大链轮镶嵌在操作手轮上，操作手轮与大链轮同步旋转，从而带动调速轴转动，可以按照要求完成导叶闭合。操控原理是:合上开关ZK1即给充电器充电，合上开关ZK2，蓄电池DC的直流电源供给二次保护控制回路及一次电动机回路。日常的操作可通过控制柜进行操作，控制保护回路电压等级为直流24V。开机时，按下按钮AN2，HC2接触器工作开机指示灯亮，电流通过HC1、HC3接触器及行程开关XK2常闭节点;当导叶全开时，行程开关节点打开，断开直流电源，完成由点动开机至全开的开机过程。关机时，按下AN3按钮HC3接触器工作，电流经过HC3接触器及HC2接触器常闭节点;当机组运行至空载时，行程开关XK1节点打开，切断控制电流，完成点动关机。紧急停机分2种情况:一种情况是当机组出现事故时，如发动机着火，此时按下按钮AN1，HC1接触器工作，控制电流流经行程开关XK1、HC2接触器常闭节点及HC1接触器自锁回路，同时动作DL断路器使机组与系统解列。关机至空载时，行程开关XK1节点打开，切断控制电流，完成紧急停机。另一种情况是当电网突然停电或断电，断路器因失压脱扣跳闸，自锁回路工作，HC1接触器常开节点闭合，启动自动停机功能，控制电流流经流经行程开关XK1、HC2接触器常闭节点及HC1接触器自锁回路。当关机至空载时，行程开关XK1节点打开，切断控制电流，完成紧急停机工作(见图1)。
5现场试验及效益分析
5.1现场试验
现场试验在井陉县长征电站3号机实施，分为2个阶段进行。(1)第一阶段。当水轮机导叶开度50%、70%时，模拟电网突然停电，电站各种保护失效，自动关机装置动作，秒表计时，记录压力表数值。数据显示关机时间分别为4、5s，压力表数值基本没有波动，水轮机摆动、振动值正常，试验成功。(2)第二阶段。水轮机导叶开度100%时，水轮机满负荷工作。模拟电网突然停电，电站各种保护失效，自动关机装置立即启动关机动作。数据显示，关机时间8s，压力表数值瞬时升高10%，随即便拉回原值，随后趋于平稳基本没有波动，水轮机摆动、振动值正常，试验成功。
5.2效益分析
井陉县长征电站给的应用评价是:自动关机装置样机安装于我站3号机组，可用于日常工作的开、关机、增减负荷操作，由原来的每班3人值班，可减少为2人，24h可增效减人3人，当月即可节支6000元，当月收回成本。当电网突然停电，电站各种保护及操作机构失效，自动停机装置自动投入工作，自动开启紧急停机功能，关机性能平稳、可靠，关机时间符合调保计算要求。从社会效益上来看，近几年随着水量逐年减少，电站均采用憋水发电，平均每日开、关机10次，单机每日节水可达到240t。全市60台机组需改造，每天可节约水量14400t。经测算，仅节约的水量，每年可多发电140万kW·h，创收58.8万元，创直接效益178.8万元。可替代火力发电引起的资源损耗，相当于代替490t标准煤，减少污染排放735t的二氧化碳，16.24t的二氧化硫，具有很高的经济价值和社会价值。
6结论
目前老机组的自动化改造，费用较高，每千瓦需万元以上，只有在符合国家政策，并获得国家资金支持的情况下，才能实现。但国家的资金有限，使得大范围老电站的自动化改造仍不能实现。自动关机装置虽具有开机、停机、增减负荷及紧急自动关机功能，填补一项操作器无需电网电源，即可自动关机的空白，但仍不完善。下一步计划将自动并网的功能加入进来，同时增加水位测量，流量监控，将其名称改为水轮机自动控制装置，真正用最少的费用，将老机组的手工操作改变成自动化操作，做到用最经济的方法实现“无人值班(少人值守)”。
《自动关机装置对小水电站的应用》来源：《小水电》，作者：刘利洲