南津渡水電站調速器電氣部分國產化改造

陳敬明

（湖南省南津渡水電站 永州市 425006）

湖南省南津渡水電站位于湘江水系瀟水末端，電站裝設3臺20MW燈泡貫流式水輪發電機組，水輪機轉輪型號K84a/5，發電機型號SV420/180，轉速150r/min，飛逸轉速385 r/min，1991年11月至1992年5月3臺機組相繼投運。

南津渡水電站原調速器為德國Voith公司生產，由電氣部分和機械液壓部分組成，電氣部分包括控制盤和SPS-R84型數字式調速器。控制盤上可以讀出所有重要數值，并可對必要的參數進行手動整定。SPS-R84型數字調速器由信息貯存、中央微處理室、模擬-數字轉換系統及數字輸入、輸出系統組成，其中數字輸入、輸出系統及模擬-數字轉換系統已做成模塊插件，使用十分方便。

調速器械液壓部分采用電液轉換器與主配壓閥間通過一根杠桿直接連接的機械液壓系統，由電液轉換器、液壓放大器、主配壓閥等組成。速器設置了快速關閉液壓系統，是從油壓裝置到電液轉換器的快關下腔的同一油路上，串聯著防氣體中間閥、快關電磁閥Ⅰ、快關電磁閥ⅠⅠ、手動快速關閉閥、最小壓力閥、過速保護電磁閥等，只要其中一個保護裝置動作，都會緊急關閉導葉。

電站自1992年投運以來，調速器電氣部分元器件日益老化，由于調速器為進口產品，原廠家已經對調速器進行了升級換代，備品備件的采購困難；且由于性能有所下降，導致電氣部分故障時有發生，影響電站及電網的安全穩定運行。

為徹底解決存在的問題，并考慮原調速器機械液壓部分設計理念比較合理且運行狀況較好，經充分論證，決定對調速器電氣部分進行國產化改造，保留主配壓閥以下的機械液壓部分。

1 改造后的調速器電氣部分簡述

為保證改造后的調速器電液轉換部分與原調速器的主配壓閥良好結合，并保證調速器電氣部分性能優越，經選型，決定選用長沙星特自控設備實業有限公司的WWST系列“四無”型可編程微機雙調節調速器。該調速器是以可編程控制器(PLC)為控制核心，以無油“電液轉換器”作為電-液轉換環節，以“塊式”直連型電液隨動系統作為執行機構，組成的一種新型水輪機微機調速器。

無油“電液轉換器”由滾珠螺旋自動復中裝置聯接交流伺服電機組成，不需用壓力油，可靠性高，不僅提高了調速器的抗油污能力，而且提高了整機的可靠性，徹底解決了以往電液轉換環節抗油污、防卡能力差的問題，可取代常規的電液伺服閥、電液比例閥及所有依賴油液作轉換的閥件。由于采用位置控制環，該調速器實現了全數字控制。此外，利用交流伺服電機自帶的旋轉編碼器作為位置反饋信號構成位置環，不需加裝外部傳感器，機構簡單，提高了控制性能及可靠性。

采用真彩觸摸屏作為調速器與運行人員的人機接口，具有顯示信息量大、清晰、準確、操作方便等優點。

具有故障自診斷及容錯功能：如機頻消失、接力器反饋斷線、A/D模塊等故障診斷及處理功能。調速器與電站計算機監控系統之間通過硬接線和通信兩種方式連接，實時進行信息和信號交換。

2 改造中關鍵問題的實施

原調速器的某些功能應該說比目前已投運的國產調速器還完善，如浪涌控制、轉速故障下的減速曲線等；同時調速器還集成了某些其他功能，如轉速繼電器開出等，在改造中，都必須充分考慮原調速器所具有的功能，并結合改造后的調速器特點，對調速器功能進行完善。

（1）調速器供電電源。

調速器采用交流220V和直流220V兩路電源，互為熱備用，當其中某路電源故障時，另一路電源自動投入工作，并發出報警信號，電源的切換過程為無擾動零時間切換。

（2）調速器的頻率測量。

原調速器的頻率測量采用的是兩路齒盤測速，互為熱備用。改造后的調速器仍保留了原齒盤測速功能，并增加了殘壓測頻功能。齒盤測速的精度與測速探頭的安裝及機組運行有較大關系，在機組運行在振動區或甩負荷時，有可能出現測頻故障，因此增加了殘壓測頻功能。在機組并網運行時，殘壓測頻的精度是很高的。殘壓測頻為了保證其精度，殘壓測頻能夠測量到頻率最小值一般在10Hz以上，而機組的機械制動轉速為3%額定轉速，因此在開停機過程中，頻率的測量還是以齒盤測速為主。

（3）轉速開關信號的開出。

原調速器還承擔了監控系統轉速測量的功能，監控系統所需要的轉速開關量信號都是由調速器提供的。改造后的調速器也必須保留該功能，功能的實現難度并不大，但要求可編程控制器有足夠的開關量輸出接口，并保證工作可靠性，因為這些開關量直接影響到機組的并網、電氣制動、機械制動、過速保護。

（4）減速曲線的實現。

由于機組轉速開關信號由調速器提供，有可能出現轉速故障情況，無法向監控系統提供轉速開關信號，導致停機過程中電氣制動和機械制動無法實現，原調速器設計了減速曲線，即在轉速測量故障的情況下，由調速器根據一定的規律模擬機組停機時的轉速下降趨勢，并開出轉速開關量信號。

但調速器相關資料沒有給出如何設置減速曲線的方法，根據對改造前停機試驗結果分析，最終設定減速曲線為：轉速由100%降低到0%的時間為40s，且轉速為直線下降，根據這一設定，分別在不同時間驅動<95%、、<90%、<40%、<3%等轉速開關信號給監控系統。

（5）分段關閉功能的實現。

調速器改造前，機組甩負荷過渡過程導葉關閉規律由調速器實現分段關閉，分段關閉的拐點以及第二段的關閉速度由調速器確定，且拐點位置根據水頭、甩負荷前機組出力、機組轉速上升值等確定，沒有固定值，且相關資料也沒有給出如何計算拐點位置和第二段關閉速度。

通過對改造前3臺機組調速器試驗曲線的分析，確定分段關閉拐點設定為24%，第一段關閉速度為導葉最大關閉速度，第二段關閉速度為6.25%/s。采用調速器實現導葉分段關閉，就是控制主配壓閥的動作行程，即控制主配壓閥的開口值，這樣就可以控制導葉關閉速度。在調速器中進行兩段關閉選擇，在導葉開度大于拐點設定值（初步設定為24%），選擇為第一段關閉速度，在導葉開度小于拐點設定值，選擇為第二段關閉速度。

經過研究調速器的電氣和機械的結構，確定改變導葉關閉速度通過改變伺服電機旋轉角度實現。為了確定伺服電機不同旋轉角度時導葉關閉速度，分別將伺服電機旋轉角度設定為14.4°、21.6°、28.8°、36°、43.2°、50.4°、57.6°、64.8°、72°、79.2°等角度 （對應于調速器程序的計算值分別為200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100），設定調速器開度給定，使導葉從全開向全關和從全關向全開動作，用調節系統綜合測試儀記錄導葉接力器行程的變化情況。

根據以上試驗結果，對于第一段速度的確定，將伺服電機旋轉角度設定為最大值79.2°(對應于調速器程序的計算值為1100)；對于第二段速度的確定，將伺服電機旋轉角度設定為21.6°（對應于調速器程序的計算值為300）。

（6）浪涌控制功能的實現。

為避免涌浪或尾水位下沉，機組上設有涌浪控制保護，該控制可通過機組控制屏上的按鈕預先選擇。如果涌浪控制預先投入，在甩負荷時，快關不投入并且輪葉位置在原運行位置上增加3°（涌浪控制最大輪葉開度為18°），輪葉在此位置保持一段時間（原程序設定為60s），然后慢慢關閉直到重新達到協聯關系。

改造后的調速器根據原設計要求，在調速器觸摸屏上設置了涌浪控制投入和退出按鈕，可根據需要投入和退出涌浪控制。輪葉保持時間和涌浪控制下輪葉關閉時間可通過參數輸入單元調節。

（7）調速器的故障保護。

根據調速器的運行經驗，在調速器出現頻率測量故障、導葉接力器位移信號故障、電源故障時，對調速器的性能影響較大。改造后的調速器，最初的設計是在上述故障時，切斷交流伺服電機的電源，這樣，就可以保持調速器的導葉開度保持在當前位置不變。在機組并網運行時，這種處理方法是可行的，如果此時遇到機組甩負荷，由于導葉無法通過調速器關閉，就會導致過速，對機組安全運行不利。為了解決這一問題，在調速器上述故障且機組處于非并網狀態（開停機過程、空載運行），調速器向監控系統開出嚴重故障信號，由監控系統動作緊急停機，通過快關電磁閥關閉導葉，保證機組的安全，而在機組并網運行時，則只進行報警。

3 結語

南津渡水電站3臺調速器電氣部分國產化改造后的試驗和運行實踐表明，改造后的調速器電氣部分運行是可靠的，滿足機組運行的要求，其控制調節功能與改造前基本一致，為同類型進口調速器的國產化改造提供了寶貴經驗。