單導葉接力器的位置傳感器控制邏輯分析

張旭，薛方方

(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉453636)

寶泉抽水蓄能電站為總容量1200 MW日調節純抽水蓄能電站，共4 臺由某公司設計制造的單機容量300 MW、立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機組。

1 設備工作狀態分析

1.1 導葉接力器位置傳感器工作原理

電站水泵水輪機的導水機構由20 個活動導葉組成，其操作機構對應20 個小型導葉接力器，未設置導葉控制環和剪斷銷裝置。為了避免導葉出現非同步現象，每個導葉接力器設置2 個位置傳感器，主用傳感器161MM 和備用傳感器162MM，互為冗余。在某個導葉出現卡塞或未成功開啟時，由對應的接力器位置傳感器發送位置反饋信號，調速器判斷導葉的實際反饋位置與設定值的差別，進而停機。

導葉位置傳感器安裝在接力器的頂部，屬于拉繩式磁感應位置傳感器，通過內部波導管磁場與外部磁感應式拉桿之間相互感應并輸出信號，采用1條防干擾電纜直接向調速器導葉控制卡件輸送4～20 mA 模擬量位置信號。位置傳感器磁感應活動桿正常活動范圍是0～222 mm，對應導葉開度為0～100%。

1)如果主用傳感器161MM 出現大的波動或誤差，輸出電流信號低于4 mA 或高于20 mA，或變成灰色無效，同時備用傳感器162MM 工作正常，則調速器電氣控制柜進行報警，顯示主用傳感器161MM 無效，調速器系統則自動采用備用傳感器162MM 信號，繼續保持機組負荷與頻率的調節，防止機組負荷出現波動。

2)如果2 個傳感器161MM/162MM 之間的信號出現差別較大，超過調速器邏輯設定值5%，則調速器系統出現二類小故障報警，但仍采用主用傳感器161MM 信號作為調節信號;當主用傳感器161MM 的反饋信號與輸出設定值差別超過設定值15%，經過故障檢測延時后則調速器系統報一類大故障，導致機組機械停機。

跳機邏輯如圖1 所示。圖中的Y 軸導葉開度為反饋信號(0～100%)，伺服閥控制信號在0～1之間逐漸變換，故障與跳機信號在0 與1 互相切換，X 軸為時間變化。

圖1 導葉接力器位置傳感器信號突變跳機曲線(示意圖)

1.2 機組跳機實例分析

寶泉抽水蓄能電站#4 機組在抽水工況穩定運行，監控畫面出現調速器系統一類故障報警，直接執行機械停機流程。經檢查，#11 導葉接力器主用位置傳感器161MM 外部磁性感應活動桿脫落，調速器控制柜顯示tracking error(trip)主故障，從而導致跳機。

#4 機組出現大故障跳機后，導葉全部處于關閉狀態。此時#11 導葉接力器的2 個位置傳感器161MM 和162MM 信號均應顯示4 mA，但主用傳感器161MM 停機后仍顯示為17 mA，此信號在機組抽水時與調速器設定值出現較大差別，直接導致機組停機。

根據導葉接力器位置傳感器邏輯原理，主用傳感器161MM 輸出信號低于4 mA 或高于20 mA，或無效時，調速器系統自動切換至備用162MM 信號。但如果主用傳感器161MM 出現大的波動或誤差，輸出電流信號仍在4～20 mA 之間，調速器系統則判斷主用傳感器161MM 仍正常工作，采用主用傳感器信號;此次#4 機跳機事故發生時，#11 導葉接力器主用傳感器161MM 外部磁感應活動桿脫落，輸出信號仍保持在4～20 mA 之間，調速器系統并未進行主、備位置傳感器161MM 和162MM 之間的信號自動切換，從而導致機械停機。

此次跳機事故暴露了導葉接力器位置傳感器的邏輯設置存在一定的缺陷，需進一步完善其控制邏輯。

2 改進方案

根據上述跳機實例分析和研究結果，對導葉接力器位置傳感器的冗余配置邏輯進行了完善。

1)主用位置傳感器161MM 接頭松動，造成信號丟失或電流小于4 mA，發出報警信號，并自動切換至備用位置傳感器162MM;如主用傳感器161MM 工作正常，備用傳感器162MM 出現信號丟失或電流小于4 mA，只發出報警。

2)主用位置傳感器161MM 信號小幅度突變，則如圖2 所示，發出主用傳感器報警信號的同時，自動切換至備用位置傳感器162MM 信號;如主用傳感器161MM 工作正常，備用傳感器162MM 小幅度突變，僅發出導葉位置不一致報警信號。

圖2 主用位置傳感器小幅突變曲線(示意圖)

3)主用位置傳感器161MM 出現大幅度緩慢波動，則經過故障探測延時后(設置為導葉操作時間的10%左右)，發出主用傳感器故障報警，同時切至備用位置傳感器162MM;如主用傳感器161MM 工作正常，備用傳感器162MM 出現大幅度緩慢波動，只發出傳感器不同步報警。如圖3 所示。

圖3 主用位置傳感器大幅突變曲線(示意圖)

4)主用位置傳感器161MM 和備用傳感器162MM 均出現大幅度緩慢波動，經過延時后，根據參數設置，將會出現導葉傳感器反饋信號和輸出設定信號不一致過大，導致機械停機。

3 改進后效果驗證

在機組檢修期間，根據改進方案將調速器的導葉控制卡件內部程序升級，并進行了導葉開啟、關閉試驗。

1)在正常靜水條件下，手動開啟、關閉導葉，導葉接力器主用、備用位置傳感器161MM 和162MM 的模擬量反饋信號正常，比較穩定。

2)機組運行時，人工模擬導葉接力器主用位置傳感器161MM 發生斷線故障，主用傳感器161MM 的模擬量輸出信號消失，調速器控制系統自動切至備用傳感器162MM 信號，機組運行穩定。同時，在主用位置傳感器161MM 正常時，人工模擬備用傳感器162MM 輸出信號消失，調速器僅進行小故障報警，機組運行未受影響。

3)人工干預導葉接力器主用位置傳感器161MM，其輸出反饋信號瞬間抖動后復歸，測試位置傳感器的信號切換。機組運行時，調速器在主用161MM、備用傳感器162MM 信號之間切換正常，僅輸出小故障報警，之后報警復歸。

4)人工干預導葉接力器位置傳感器外部磁感應式活動拉桿，使得導葉在開啟、關閉過程中，主用位置傳感器161MM 的輸出電流信號保持不變，主用、備用位置傳感器之間的自動切換功能正常，機組運行穩定。

經過升級改造，導葉接力器的位置傳感器161MM 和162MM 的冗余配置發揮了作用，滿足現場設備的運行要求，在主用或備用傳感器發生故障、突變時，能夠相互自動切換，保證機組的運行穩定。

4 結束語

在設備檢查過程中，發現導葉接力器位置傳感器的電氣控制元件密封性能較差，防水、防油污性能較低，未能完全滿足導葉接力器的工作現場環境要求。在以后機組檢修過程中，需進一步加強此傳感器周圍的油污、水污清理，同時做好相關產品的升級換代。

該電站水泵水輪機的單導葉接力器操作機構，未設置導葉控制環及剪斷銷裝置，其每個導葉接力器的位置傳感器工作不正常均能引起導葉出現不同步信號，以致機組誤報警，甚至誤跳機。機組抽水工況的跳機事故，暴露了單導葉接力器的位置傳感器邏輯設置存在一定缺陷，通過對其控制邏輯的修改和完善，保證了導葉位置信號同步性，降低機組跳機的風險。

〔1〕彭煜民，袁豐江. 抽水蓄能機組單導葉控制不同步故障分析與處理〔J〕． 水力發電，2011(9):61-64.

〔2〕GB/T18482—2001 可逆式抽水蓄能機組起動試驗規程〔S〕．北京:中國標準出版社，2002.