水輪機調速器主配頻繁抽動原因分析及處理

袁海芬，李志文

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南　長沙 410004）

水輪機調速器主配頻繁抽動原因分析及處理

袁海芬，李志文

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南長沙 410004）

摘要：白市水電廠自2013年4月投運以來，水輪機調速器步進電機調節頻繁，引起主配壓閥及接力器來回抽動。因步進電機調節頻繁，步進電機及驅動器發熱嚴重，最高溫度達50℃（正常30℃左右）；壓油泵加載頻繁，特別2號機組，加載間隔時間由投產初期的4 h降低到1 h左右，嚴重影響水輪發電機組安全穩定運行。本文重點從水輪機調速器控制原理，設備硬件結構，調速器控制軟件等方面進行了原因分析，并采取了相應措施，有效解決了該設備重大缺陷。

關鍵詞：調速器；步進電機；主配抽動

1　概述

白市水電站位于沅水干流上游河段清水江中下游，壩址位于貴州省黔東南州天柱縣境內。電站裝有3臺單機容量140MW混流式水輪發電機組，總裝機容量420MW。調速器系統采用長江三峽能事達電氣股份有限公司生產的WBDT-150-6.3微機步進式調速器。液壓隨動系統由引導閥、主配壓閥、接力器組成。控制器采用施耐德莫迪康M340系列PLC，雙PLC冗余配置。轉速反饋，步進電機位移轉換機構中位反饋，導葉位置反饋，均采用兩套冗余配置。

白市水電廠3臺水輪機調速器系統，采用步進電機直線位移轉換器，接受調節器發出的電信號，轉換成機械位移，經液壓放大來控制主配壓閥，控制接力器，改變導葉開度，從而控制水輪發電機組轉速和出力。

2　控制原理

機組帶負荷運行時，LCU有“遠方增”或“遠方減”給定脈沖輸出；或者調速器檢測到實際開度、頻率、功率與給定值有偏差，且偏差超過死區值，此時調速器將給定信號或者偏差信號，經過控制器處理后，輸出給步進電機驅動器，驅動步進電機轉動，帶動引導閥控制主配壓閥開、閉，控制接力器調整導葉開度，從而調整機組出力或轉速。

主配壓閥芯偏離中位的位置通過中位傳感器測得的電壓反饋信號，接入PLC控制模塊，形成電機控制小閉環，電機控制小閉環與導葉開度反饋大閉環控制配合，使調速器控制滿足快、準、穩3個基本要求。

由圖1可知，主配中位傳感器負反饋信號、導葉開度負反饋信號在整個控制回路中起到重要的作用，兩者中任意一個環節反饋量不準確，將影響控制的精確性和穩定性。

圖1　調速器系統大環、小環控制圖

3　故障現象

白市水電廠1號~3號機組自2013年4月份投產以來，調速器步進電機調節頻繁，主配壓閥存在細微抽動現象。隨著運行時間增長，抽動越來越頻繁，抽動幅度越來越大。因頻繁動作，3號機步進電機溫度高達40℃以上，最高達50℃，2號機壓油泵加載間隔由投產初期的4 h縮短為1 h左右，已嚴重影響到主設備的安全運行。

4　原因分析

為全面檢查故障原因，必要的安全措施必需布置到位：落下進水口工作閘門，引水鋼管消壓，風閘頂起，接力器液壓鎖錠拔出。

4.1機械部件檢查分析

將調速器切至“現地”、“導葉機手動”控制，手動開啟導葉至50%開度左右，松開手輪。在接力器活塞桿上裝設千分表，觀察10min調速器在“導葉機手動”靜止狀態，接力器是否有開或關方向的明顯的位移量，檢查引導閥、主配壓閥機械中位調整是否合格，檢查接力器密封是否可靠。通過檢查，接力器位置未發生變化，主配未存在抽動現象。

4.2導葉反饋檢查分析

4.2.1導葉反饋接線檢查

導葉反饋設置A/B兩套BTL6-E500-M1100-PF -S115德國balluffc位移傳感器，傳感器量程1100mm，電源24 VDC，四線制4~20mA電流輸出，導葉反饋接線見表1所示。

檢查傳感器連接線無誤，在調速器電氣柜內測量A/B兩套傳感器電流值，均在正常值范圍內。

表1　導葉傳感器接線

表2　A套導葉反饋傳感器檢驗檢查記錄

4.2.2傳感器線性度檢查

接線檢查無誤后，用端點測量方法，檢測傳感器線性度，導葉傳感器檢查記錄結果見表2、3。

檢查A套、B套傳感器偏差值符合0.5級要求，導葉傳感器性線度滿足控制要求。

4.3中位反饋檢查分析

4.3.1中位傳感器接線檢查

上述分析的中位傳感器反饋信號接入PLC控制器的模擬量輸入模塊（BMX AMI0810）。該模塊是一種高電平、快速8路輸入工業測量設備，提供電壓、電流2種信號輸入，范圍如下：電壓范圍+/-10V、0~10 V、0~5 V、1~5 V、+/-5 V，電流范圍0~20mA、4~20mA、+/-20mA。接線圖如圖2所示。

按照PLC模塊接線原理圖及傳感器結構分析，中位傳感器反饋信號應以電壓形式輸入（可調節區間為0～12 V，范圍大，區分度高），應按電壓型傳感器方式接線，但調速器電調柜在配線時卻錯誤地按電流型傳感器方式接線（圖3所示）。由于中位傳感器電阻阻值為5 kΩ，電壓信號轉變成電流信號后，導致反饋量可變區間太小（0~2.4mA），使得小環部分容易出現控制過頭或控制不到位現象，導致步進電機需要來回小范圍旋轉以彌補控制精度缺陷，即出現抽動現象。

圖2　電壓、電流型接法　圖3電流型中位傳感器接線圖

4.3.2中位傳感器穩定性檢查

白市電廠調速器中位傳感器為滑阻式傳感器，開、關導葉時中位傳感器內滑桿隨著主配壓閥閥芯的上下移動而滑動。由于滑桿長時間處于上下滑動狀態，時間一長，滑線電阻穩定性下降，特定位置反饋的電壓信號有變化，導致主配壓閥閥芯中位位置發生變化，引起導葉“錯誤”地開與關，導致大環控制回路總是存在偏差，進而引發小環控制回路總有輸出，驅動步進電機順時針、逆時針轉動，即發生抽動現象。此原因對于3號機組調速器可能性最大，在處理過程中，A、B套中位傳感器均進行了更換。

4.4控制軟件

現場進行檢查，對步進電機控制死區、電機開方向補償、關方向補償等參數進行檢查；發現之前參數響應性能稍差，調節時間長，且此控制算法容易受到外界干擾，容易造步進電機需要來回小范圍旋轉。

5　解決措施

5.1更換新傳感器并恢復正確的接線

更換A套和B套中位傳感器后，恢復中位傳感器正確的接線，解開A套IC5（A）PLC控制器的模擬量輸入模塊（BMX AMI0810）6號端子上接線，解開B套IC5(B)PLC控制器的模擬量輸入模塊（BMX AMI0810）6號端子上接線如圖4所示，并在檢修中定期檢查中位傳感器中位值及線性度。

圖4　中位傳感器正確接線

5.2控制軟件

在更換傳感器及恢復中位傳感器正確的接線后，重新對中位傳感器量程數值，步進電機控制死區、電機補償、最大速度限制、最小速度限制等參數進行了優化，并對小環控制程序進行優化，將電機正反轉控制“B_CW_CWW”單獨寫入程序塊中，優化后的小環控制程序模塊如圖5所示。

圖5　優化的小環控制程序模塊

優化后控制性能明顯提升，調速器控制的響應速度提高，控制穩定性得到很大改善，調速器步進電機調整到中位給定值后，步進電機停轉，將引導閥停在中位，不再來回轉動。優化控制程序說明見表4。

表4　優化控制程序說明

6　結語

由于水輪機調速器系統是一套自動閉環控制系統，某一個環節出現問題，就有可能使整個調速器系統不穩定。實際上，水輪發電機組的運行工況不同、水輪機調速器所選用的某些器件不合適、控制結構、控制參數的不合適都有可能造成調速器系統不穩定。所以，需要結合多方面因素進行綜合分析，逐步完善水輪機調速器性能，以提高自動控制的可靠性，在保證水輪機調速器系統本身可靠穩定運行的同時，滿足水輪機調速器的標準，達到電網的響應要求，提高機組運行穩定性。

參考文獻：

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中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0053-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.015

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：袁海芬（1985－），男，助理工程師，從事水電廠電氣維護檢修管理工作。