水電站調(diào)速器電氣部分典型故障處理

1、水電站調(diào)速器電氣部分典型故障處理電站位于黃河北干流托龍段尾部（內(nèi)蒙古托克托至），是黃河水利樞紐的配套工程。電站共裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量100MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組用于晉蒙電網(wǎng)調(diào)峰，1臺(tái)單機(jī)容量20MW的混流式機(jī)組用于非調(diào)峰期向河道泄放基流并參與基荷運(yùn)行。水電站調(diào)速器主要包括調(diào)節(jié)控制器和機(jī)械液壓系統(tǒng)，用以保證水輪發(fā)電機(jī)頻率穩(wěn)定、維持電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡，并根據(jù)操作控制命令完成自動(dòng)開停機(jī)、負(fù)荷調(diào)節(jié)等自動(dòng)化操作。目前，水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器均采用較高可靠性的可編程控制器等作為調(diào)節(jié)器，配合少量的外圍信號(hào)電路，電氣部分故障率總體相對(duì)較低，偶爾出現(xiàn)的異常故障現(xiàn)象，大部分是由于信號(hào)線接觸不 良、程序設(shè)計(jì)考慮不足、產(chǎn)品

2、壽命質(zhì)量問題以及機(jī)械液壓部件雜質(zhì)堵塞造成的1。4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組均采用長(zhǎng)江控制研究所研究生產(chǎn)的WDST-100型調(diào)速器，該型調(diào)速器控制部分采用完全獨(dú)立的交叉冗余配置，原理框圖如圖1所示。V M* *冃4*HlMW 韋 31eI I. . q Ml .i-?電 i. -M< | II圖1調(diào)節(jié)器原理示意圖1主配壓閥抽動(dòng)1.1故障現(xiàn)象3號(hào)機(jī)組調(diào)速器多次出現(xiàn)抽動(dòng)現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)觀察主配壓閥頻繁上下動(dòng)作；壓油裝置油壓低 信號(hào)頻報(bào)，主泵啟動(dòng)頻繁；機(jī)組有功功率在給定值附近持續(xù)波動(dòng)2。某次抽動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)歷史曲線記錄如圖2所示：抽動(dòng)前機(jī)組有功功率 65MW，調(diào)節(jié)輸出始終穩(wěn)定為 67.28%（轉(zhuǎn)速波動(dòng) 尚在死區(qū)限制

3、范圍內(nèi)），抽動(dòng)后導(dǎo)葉開始在 66.96%67.84%范圍內(nèi)頻繁開閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速及有 功功率波動(dòng)均顯著。運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急處理措施通常為將調(diào)速器切換至純機(jī)械手動(dòng)運(yùn)行， 此時(shí)抽動(dòng)現(xiàn)象可消失。但機(jī)械手動(dòng)運(yùn)行方式為開環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度差，只能試驗(yàn)或短時(shí)應(yīng)急 使用。M.-IWIE-MB4H卜:BWflic HrfTl| 1 -1JKiilif Hia ilid； * airdi 4i|r a - r a i«fl i bH- » uh* JrE . 1巨II : * |-H_i|ii.» fit i i4" «i i -ii! n-11*. *M 嚴(yán)I&#

4、171;ilHi MV)|i iy4i-i* i'-J- f-PJS-CIM丄mi滬軒-圖23號(hào)機(jī)組抽動(dòng)歷史曲線1.2故障原因分析通過調(diào)節(jié)器和比例閥的交叉配置試驗(yàn)，初步判斷抽動(dòng)現(xiàn)象由A比例閥相關(guān)部分引起。導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)信號(hào)和協(xié)聯(lián)控制調(diào)節(jié)信號(hào)在對(duì)應(yīng)的比例閥驅(qū)動(dòng)板處與導(dǎo)葉開度反饋信號(hào)作差， 有差值時(shí)，驅(qū)動(dòng)板對(duì)比例閥開機(jī)或關(guān)機(jī)側(cè)線圈勵(lì)磁，進(jìn)而控制主配壓閥使主接力器向開機(jī)方向或關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。其中，平衡表顯示調(diào)節(jié)器輸出和導(dǎo)葉開度反饋的差值。機(jī)械部分故障時(shí)平衡表常單偏指示，電氣部分故障時(shí)則表現(xiàn)為在零刻度兩側(cè)不停地動(dòng)作3。3號(hào)機(jī)組調(diào)速器抽動(dòng)時(shí)平衡表指針在零刻度兩側(cè)來回?cái)[動(dòng)，因此，問題直接指向電液轉(zhuǎn)換電

5、氣部分，即比例閥驅(qū)動(dòng)板部分。比例閥驅(qū)動(dòng)板是 WDST-100型調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換核心部件，用來將控制器調(diào)節(jié)信號(hào)與接力器位移信號(hào)的差值轉(zhuǎn)換為控制比例閥動(dòng)作的電信號(hào)，涉及到開關(guān)機(jī)補(bǔ)償、開度反饋信號(hào)調(diào)零調(diào)幅、放大倍數(shù)以及震動(dòng)分量等關(guān)鍵參數(shù)，調(diào)整方式均為設(shè)備維護(hù)人員調(diào)整電位器實(shí)現(xiàn)各參數(shù)整定，暫無定量調(diào)整依據(jù)。 現(xiàn)場(chǎng)觀察導(dǎo)葉開度反饋機(jī)構(gòu)固定良好，隨接力器動(dòng)作反應(yīng)靈敏，測(cè)值準(zhǔn)確；三角波振動(dòng)分量頻率為253Hz，滿足100HZ-500HZ的要求范圍，且比例閥未有共振聲；觸摸屏觀察，在線調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出信號(hào)和導(dǎo)葉開度反饋信號(hào)偏差較大，遠(yuǎn)超 0.5%規(guī)定范圍。綜上，抽動(dòng)故障原因集中在比例閥驅(qū)動(dòng)板開關(guān)機(jī)補(bǔ)償部分。1.3

6、故障處理調(diào)速器再次發(fā)生抽動(dòng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)A比例閥驅(qū)動(dòng)板上對(duì)應(yīng)的開關(guān)機(jī)補(bǔ)償電位器分別往減小補(bǔ)償方向適量調(diào)整， 抽動(dòng)現(xiàn)象隨即消失， 故障消除后的歷史曲線如圖 3所示，各項(xiàng)參數(shù)特 別是導(dǎo)葉開度波動(dòng)范圍大幅減少。觀察運(yùn)行至今，3號(hào)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，未再發(fā)生之前的抽動(dòng)現(xiàn)象。另外應(yīng)注意，在進(jìn)行比例閥驅(qū)動(dòng)板死區(qū)補(bǔ)償調(diào)整時(shí)，應(yīng)配合放大倍數(shù)電位器一起調(diào)整。一般先調(diào)整好死區(qū)再提高放大倍數(shù)，若系統(tǒng)不抽動(dòng)，則要盡量提高放大倍數(shù)。on 1 Am irP i4 v d i l-d1!u II >r "«中 III ' rft-is*:Err-Mi宀幅劭Si和d日沖« 11? APOk&

7、gt; * t.iv 1a i i“4X4 抽吃由，口 臥Iv i 1 "414*1jr rim=* Hu十Mhri * 1>.口1. >!1円j圖3 3號(hào)機(jī)組在線調(diào)整參數(shù)后歷史曲線2自動(dòng)水頭未投入2.1故障現(xiàn)象軸流轉(zhuǎn)槳式雙調(diào)節(jié)機(jī)組調(diào)節(jié)過程中，導(dǎo)葉和槳葉之間通過最優(yōu)協(xié)聯(lián)控制以增加水輪機(jī)高效率區(qū)域?qū)挾?，使水輪機(jī)組具有最好的運(yùn)行效率，協(xié)聯(lián)控制即某時(shí)刻的水頭信號(hào)和導(dǎo)葉開度共同確定槳葉開度。長(zhǎng)期以來，由于水頭測(cè)量回路誤差較大，電站運(yùn)行人員根據(jù)水庫(kù)上下游水位值手動(dòng)修改調(diào)速器側(cè)水頭值參與協(xié)聯(lián)控制，無法滿足調(diào)速系統(tǒng)對(duì)水頭值的實(shí)時(shí)要求，不能及時(shí)反映機(jī)組實(shí)際工作水頭變化，從而使機(jī)組長(zhǎng)期偏離

8、最優(yōu)工況運(yùn)行4。2.2故障原因分析按照設(shè)計(jì)，電站水輪機(jī)工作水頭是通過測(cè)取水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口壓力與尾水管出口壓力后計(jì) 算而得。機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電后，隨著水庫(kù)泥沙含量增多，各機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力和尾水管出口壓力測(cè)量管路被泥沙不同程度淤堵，各壓力表計(jì)輸出數(shù)據(jù)與實(shí)際壓力值相差較大，上述水頭測(cè)量方式已不能為機(jī)組調(diào)速器提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)水頭數(shù)據(jù)5。2.3故障處理新的水頭信號(hào)采集設(shè)計(jì)采用由機(jī)組攔污柵后水位和下游水位在機(jī)組LCU （現(xiàn)地控制單元）中相減得到實(shí)時(shí)水頭。其中，機(jī)組攔污柵后水位現(xiàn)有液位傳感器至機(jī)組LCU的硬接線回路，電站下游水位屬于全廠公用LCU中現(xiàn)有的采集信號(hào)。各機(jī)組LCU通過監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互取功能完成下游水位值實(shí)時(shí)

9、調(diào)用并參與水頭信號(hào)運(yùn)算，運(yùn)算后的水頭信號(hào)通過原有模擬量輸出通道至調(diào)速器側(cè)參與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，水頭信號(hào)數(shù)據(jù)流向如圖4。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，機(jī)組水頭信號(hào)采集過程經(jīng)零物質(zhì)條件投入方式修改后，進(jìn)一步提高了機(jī)組自動(dòng)化水平，解決了人工修改水頭的繁瑣以及人工水頭對(duì)機(jī)組運(yùn)行效率的影響，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的，對(duì)同類水電 廠調(diào)速器順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水頭投入功能具有一定借鑒意義。圖4水頭信號(hào)采集數(shù)據(jù)流向示意圖3調(diào)節(jié)器在線機(jī)頻繁切換3.1故障現(xiàn)象WDST-100型水輪機(jī)調(diào)速器以雙冗余控制器結(jié)合電氣部分其他冗余配置構(gòu)成了具有交叉 冗余特性的調(diào)速系統(tǒng)。2015年6月15日以來，3號(hào)機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)且為A比例閥在線工況下多次發(fā)生在線

10、機(jī)切換為 B機(jī)而在線閥未發(fā)生切換現(xiàn)象，并同時(shí)報(bào)出電氣故障信號(hào)。3.2故障原因分析電氣故障為調(diào)速器電氣部分故障中較為嚴(yán)重且影響在線機(jī)運(yùn)行的故障，導(dǎo)致在線機(jī)電氣故障的原因如圖5,當(dāng)在線機(jī)出現(xiàn)電氣故障后，調(diào)節(jié)器自動(dòng)完成在線機(jī)切換，且在線機(jī)切換 指令與在線閥切換指令同步下發(fā)，在線閥切換指令需要比在線機(jī)切換指令保持更多的時(shí)間以完成復(fù)雜的切換動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)通過拆除信號(hào)線方式模擬了導(dǎo)葉反饋1斷線（A閥在線），調(diào)速器在線機(jī)能夠正確判斷該電氣故障，同時(shí)正確執(zhí)行了在線機(jī)切換和在線閥切換。上述驗(yàn)證過程說明， 在線機(jī)自動(dòng)切換極有可能由瞬時(shí)干擾信號(hào)引起，瞬時(shí)信號(hào)持續(xù)了足夠完成在線機(jī)切換的時(shí)間，卻未持續(xù)至完成在線閥切換的時(shí)間

11、。為了驗(yàn)證上述猜想，在調(diào)節(jié)器程序中添加三個(gè)相應(yīng)的故障計(jì)數(shù)器，分別用于監(jiān)視引起在線機(jī)電氣故障并自動(dòng)切機(jī)的具體原因。停機(jī)工況下，數(shù)日內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)先后捕捉到數(shù)次調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換在線機(jī)動(dòng)作，且均為 A閥在線工況，歷次動(dòng)作信號(hào)均小于20ms。至此，可以充分肯定導(dǎo)致A機(jī)和B機(jī)頻繁自動(dòng)切換的原因是導(dǎo)葉反饋1信號(hào)斷線。切機(jī)不切閥則是由于該類故障信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，瞬時(shí)干擾信號(hào)僅完成了切機(jī)中間繼電器短時(shí)勵(lì)磁，但沒有足夠時(shí)間勵(lì)磁比例切換閥線圈。3.3故障處理為了確定故障點(diǎn)，對(duì)兩路導(dǎo)葉反饋信號(hào)進(jìn)行比例閥驅(qū)動(dòng)板輸入前和輸出后錄波，如圖6所示，U1、U2為導(dǎo)葉反饋1經(jīng)比例閥驅(qū)動(dòng)板調(diào)整前后信號(hào)，U3、U4為導(dǎo)葉反饋2經(jīng)比例閥驅(qū)動(dòng)板調(diào)

12、整前后信號(hào)。導(dǎo)葉全關(guān)位，U2出現(xiàn)較大幅值波動(dòng)，且負(fù)向部分幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出導(dǎo)葉反饋斷線判斷閾值（-0.076V）。將比例閥驅(qū)動(dòng)板執(zhí)行反饋信號(hào)處理的核心器件LM324更換后重新錄波如圖7所示，該波形圖已沒有較大幅值的波動(dòng)現(xiàn)象，負(fù)向幅值均小于0.01V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)葉反饋判斷條件。采用上述措施處理后， 機(jī)組調(diào)速器至今未再發(fā)生在線機(jī)頻繁自動(dòng)切換現(xiàn)象。圖6故障處理前導(dǎo)葉反饋信號(hào)錄波4小網(wǎng)標(biāo)志頻繁動(dòng)作4.1故障現(xiàn)象按照華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定要求，機(jī)組調(diào)速器正常調(diào)節(jié)模式為PI調(diào)節(jié)的一次調(diào)頻模式。小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作后機(jī)組退出一次調(diào)頻模式進(jìn)入小網(wǎng)工況運(yùn)行，小網(wǎng)工況是采用PID調(diào)節(jié)的頻率調(diào)節(jié)模式， 目標(biāo)是快速對(duì)

13、頻率變化做出響應(yīng)， 穩(wěn)定頻率變化，但單 純的頻率調(diào)節(jié)模式對(duì)機(jī)組當(dāng)時(shí)負(fù)荷穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。機(jī)組發(fā)電狀態(tài)時(shí)上位機(jī)監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)機(jī)組頻報(bào)小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作、復(fù)歸信號(hào)，動(dòng)作周期小于1s；停機(jī)工況下，偶爾也會(huì)發(fā)生小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作、復(fù)歸信號(hào)；小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作時(shí)刻，故障錄波器、監(jiān) 控系統(tǒng)以及機(jī)組功角測(cè)量裝置的頻率采集值并未發(fā)現(xiàn)超過小網(wǎng)標(biāo)志閾值的記錄。4.2原因分析機(jī)組并網(wǎng)工況下調(diào)速器頻率越過小網(wǎng)閾值（機(jī)組頻率大于50.50 Hz或小于49.50Hz）即進(jìn)入小網(wǎng)工況，置 PID調(diào)節(jié)參數(shù)。當(dāng)機(jī)組頻率恢復(fù)正常（進(jìn)入 50.2049.80 Hz范圍），退出 小網(wǎng)模式。大網(wǎng)至小網(wǎng)工況的切換轉(zhuǎn)移完全由小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作與否確定，而決定小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作與否的是機(jī)頻測(cè)值是否上下越過小網(wǎng)閾值。經(jīng)過對(duì)比其他對(duì)頻率動(dòng)作有記錄功能設(shè)備的歷史曲線，在調(diào)速器小網(wǎng)標(biāo)志動(dòng)作時(shí)刻均未發(fā)現(xiàn)任何異常動(dòng)作記錄。由此考慮到，現(xiàn)場(chǎng)電力生產(chǎn)環(huán)境干擾不可避免， 雖然在機(jī)頻信號(hào)采集硬件回路中已采取了抗干擾措施，如硬件濾波、信號(hào)電纜屏蔽等技術(shù)，但是由于在應(yīng)用程序中直接通過判斷機(jī)組頻率是否超出閾值來確定信號(hào) 動(dòng)作與否的方法不能排除現(xiàn)場(chǎng)噪聲與瞬時(shí)干擾因素導(dǎo)致的誤判，從而引起小網(wǎng)標(biāo)志頻繁動(dòng)作復(fù)歸現(xiàn)象。4.3處理方法采用了延時(shí)判斷方法以消針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境中難以完全避免的機(jī)頻信號(hào)瞬時(shí)干擾問題，除干擾突變，