水輪機調速器典型電氣故障案例分析及處理要點

唐亞波

(四川大唐國際甘孜水電開發有限公司,四川 甘孜 626001)

水輪機調速器典型電氣故障案例分析及處理要點

唐亞波

(四川大唐國際甘孜水電開發有限公司,四川 甘孜 626001)

闡述了水輪機調速器典型電氣故障案例的發生過程,分析了故障發生的原因,提出了故障的處理辦法和注意事項,為水電站調速器維護人員提供了故障處理參考方案。

水電廠;調速器;電氣故障;處理案例

0 前言

水輪機調節系統是由調節控制器、液壓隨動系統和調節對象組成的閉環控制系統。通常我們把調節控制器和機械液壓系統稱為水輪機調速器。水輪機調速器作用是保證水輪發電機的頻率穩定、維持電力系統負荷平衡,并根據操作控制命令完成各種自動化操作,是水電站的重要基礎控制設備。在水輪機調速器構成中,目前可編程控制器以其高度的可靠性成為調節器構成首選[1];機械液壓系統中的電液轉換器件主要有電機類、比例伺服閥類、數字閥等幾類。

目前水輪發電機調速器采用高可靠性的可編程控制器等作為調節器,并設計了少量的合理外圍電路,電氣部分故障率比較低,偶爾出現的異常現象,大部分是由于接觸不良、設置有誤、調速器部件產品質量問題和機械雜質堵塞造成。本文分析了幾起典型的調速器電氣故障案例,為維護人員迅速判斷故障原因和故障部位及時排除故障提供參考。

1 主配壓閥壓閥抽動

1.1 故障現象

在無導葉開度調節指令的情況下,導葉主配壓閥上下擺動、頻率很快、幅度較大,能聽到液壓油流過發出的“呲呲”聲。主配壓閥壓閥抽動危害較大,使用油量大增,極端情況導致壓力油罐出現事故低油壓,另外主配壓閥頻繁大幅度抽動勢必造成主配壓閥機械部位磨損和松動。

1.2 原因分析

(1)調節系數沒調好,對于比例伺服閥結構的,閉環調節中包含大環調節和小環調節。小環比例系數調得太靈敏,會導致主配壓閥抽動。

(2)主配壓閥中位傳感器的問題,比例伺服閥型的電液轉換系統,在自動時必須用電氣方法使主配壓閥壓閥復中,區別于手動或伺服電機型的主配壓閥壓閥通過機械方式復中。如果主配壓閥中位傳感器采集錯誤或誤差較大,將會導致電氣復中失敗,在調節過程中,主配壓閥就會發生頻繁抽動。

1.3 處理方法

將調速器導葉控制方式切至手動方式,用調試筆記本連接PLC觀察導葉調速器導葉主配壓閥采樣信號,觀察主配壓閥采樣是否在中位設定值,如果在中位設定值說明不是主配壓閥傳感器的問題。可適當修改小環系數,再將導葉控制方式切自動方式觀察導葉抽動幅度大幅降低。開機至空轉,觀察開機成功,導葉不抽動。

理論上說,適當降低大環系數也有助于改善主配壓閥的抽動情況,但是修改大環系數直接影響了導葉的調節速度,需要重新做調速器靜特性、空載試驗,且在正常運行時,需要落進水口檢修門,工作量非常大,所需時間也比較長,一般電網難以批準。機組不在檢修期,一般情況下不宜修改大環系數。

如果聯機發現主配壓閥采樣不在中位設定值,說明是主配壓閥壓閥傳感器的問題,直接更換傳感器。現在的主配壓閥傳感器多采用磁致伸縮原理,最好用進口傳感器,以保障可靠性。

2 比例伺閥發卡

2.1 故障現象

正常的開機過程是兩段開機,調速器接收到計算機監控系統的開機令后在第一段開機過程將導葉開啟至第一開機度,一般比空載開度要大,目的是盡快的將轉速升至90%額定轉速附近,然后進入第二段開機過程,即當轉速上升至90%時,將導葉壓回至第二開機度,然后根據頻差進行PID調節,將機組轉速維持在50 Hz。筆者遇到的比例伺服閥發卡故障發生時,在完成了第一開機過程后,在轉速上升至90%后進入第二開機度過程中,導葉無法關回而是持續開啟,調速器報故障將導葉控制方式切至手動方式。現場將導葉切自動,發現導葉開度繼續打開,調速器又報故障切手動。判斷為比例伺服閥發卡在開機側,使主配壓閥一直往下運動,導致導葉一直開啟。

2.2 原因分析

比例伺服閥型的調速器對油質要求非常高,如果調速器用油的油質不是很理想,極容易導致比例伺服閥卡塞。尤其是水電站機組安裝初期,調速器使用的各個電磁閥、液控閥、主配壓閥壓閥、主機廠提供的接力器及其相應使用的管路、閥門等部件,在產品出廠或運輸以及現場安裝時,容易在部件內部保留或產生雜質,從而導致油質出問題[2]。

2.3 處理方法

比例伺服閥發卡的處理,需要做好油路的隔離措施,主要是比例伺服閥管路泄壓,其次是保證導葉處于關閉狀態,宜落下進水口檢修門再處理。首先是將壓力油管出口閥關閉,將比例伺服閥兩側閥門隔離,將管道中的油路泄壓,然后更換比例伺服閥。

從長效管理來說,必須加強調速器用油的定期濾油工作,有條件的可以安裝在線濾油機,實時濾油,保證調速器用油的清潔度。

3 斷路器位置信號誤報甩負荷

3.1 故障現象

在調速器電氣控制信號中,斷路器的位置信號是個非常關鍵的開關量信號。調速器空載至負載態的判斷,主要取決于斷路器位置信號。如果在并網過程中,斷路器位置信號誤報消失,會導致導葉壓回,造成遛負荷事故。筆者在實際的維護工作中遇到過一起斷路器位置信號消失的故障。筆者所在的電站是四角星主接線圖,發電機在主變高壓側可以通過兩個斷路器中任意一個斷路器并入電網。所以調速器斷路器位置信號是兩個高壓側斷路器位置取“或”邏輯后再與發電機出口斷路器取“與”邏輯。當時高壓側兩個斷路器有一個斷路器(代號為A斷路器)在檢修,發電機(代號C發電機)通過另外一個斷路器(代號為B斷路器)并入電網。在C發電機帶150 MW負荷并網運行時,導葉突然關回至0開度,負荷瞬間變為0 MW,而此時的發電機出口斷路器和高壓側B斷路器均在合閘狀態。

3.2 原因分析

檢修人員對A斷路器進行輔助觸點更換工作,導致C發電機調速器斷路器位置信號消失,瞬間導葉從70%開度關到0,負荷壓空。理論上講C發電機可以通過A斷路器或B斷路器任何一個斷路器并入電網,B斷路器檢修不影響C發電機的正常運行。但是問題就出在C發電機調速器斷路器位置取的是A斷路器跟B斷路器“或”邏輯后再跟C發電機出口斷路器位置取“與”邏輯,而A斷路器和B斷路器的位置信號是公用一個公共端,所以在B斷路器更換觸點工作的過程中,影響了B斷路器和A斷路器位置信號的公共端電壓波動,導致信號丟失。

3.3 處理方法

在機組正常并網發電時,嚴禁在斷路器信號回路工作,防止信號丟失。另外,在調速器程序中做防誤閉鎖,增加對發電機有功功率的判斷,如果發電機有功功率大于某個基準值(根據機組容量自行設定),即使發電機出口斷路器位置信號消失,也不應該執行甩負荷程序。

4 導葉開機故障

4.1 故障現象

在日水頭變化較大的水電站中,導葉的第一開機度和第二開機度要隨著水頭的變化而變化。如果水頭有問題或者程序設計有問題,則會導致第一開機度和第二開機度紊亂,影響正常開機。筆者遇到過一次因為施耐德程序問題導致開機故障。在汛期時,由于來水較大電站在泄洪,導致下游水位抬高,使水頭降低至額定水頭以下,在低水頭下根據調速器設置的水頭-開限表計算得到一個較高的第一開機度。當水頭恢復正常后,再次進行開機操作時,出現機組第一開機度過大,導致開機過速的情況。

4.2 原因分析

目前采用施耐德PLC作為調速器控制器的水電站,水頭開限表是一個插值運算表,根據若干組水頭數組和開限數組進行開限插值運算得出開機度。施耐德插值運算表有個漏洞,如果水頭數組有兩組一樣的數組,運算會出錯,水頭變化時開度不變化。在汛期,因為泄洪導致水頭降低至最低水頭13 m,因為前兩個數組都是13 m,導致運算出錯,當水頭上升時,第一開機度和第二開機度并不改變,還是維持在13 m水頭下的第一開機度,導致水頭上升時第一開機度過大,機組開機過速。

4.3 處理方法

對于參數表這類問題,就必須在機組檢修時,對涉及到的調速器參數,一一試驗,不能有漏項,發現問題及時修改相關參數,當然最根本的措施是源程序廠家要保證運算模塊設計的完整性,不能出現程序漏洞。

5 主配壓閥拒動節點信號誤報

5.1 故障現象

當機組因各種原因過速超過115%Ne(Ne為機組額定轉速)時,如果導葉沒有迅速關回,將會導致機組繼續過速,影響機組安全運行,此時調速器就會報主配壓閥拒動信號至計算機監控系統,計算機監控系統根據115%Ne轉速信號加上主配壓閥拒動信號的判據,啟動115%Ne過速保護事故停機流程,將導葉關回。筆者遇到的主配壓閥拒動信號誤動的情況是在機組投產時做甩100%負荷實驗時出現的,在甩100%負荷時,調速器并沒有出現拒動現象而發出主配壓閥拒動信號,導致115%Ne過速保護誤動。

5.2 原因分析

主配壓閥位置接近開關動作原理:只能機械的判斷主配壓閥拒動信號,即主配壓閥往下運動或者保持中位時(開啟導葉時)動作,主配壓閥往上運動(關回導葉時)時不報信號。見圖1,紅線是轉速信號,藍線是導葉信號。

圖1 甩100%負荷轉速-導葉圖

在A1點,轉速第一次上升到115%額定轉速,導葉關回,根據主配壓閥拒動接近開關動作原理,此時主配壓閥拒動接近開關不動作。

在A2點,轉速第二次上升到115%額定轉速,但是此時導葉已經開啟,根據主配壓閥拒動接近開關動作原理,主配壓閥拒動接近開關動作,水機保護115%過速保護動作。

根據水輪發電機甩負荷過程,甩負荷后,轉速升高,導葉以最快的速度關回,所以主配壓閥拒動信號是不會報的,第一次轉速上升到115%額定轉速過程是正常的。

而當轉速從最大轉速下降的過程中,為了使轉速不至于下降過低至45 Hz以下,調速器會自動在轉速下降到115%額定轉速之前將導葉開啟,此時主配壓閥拒動信號的動作是誤動作。

5.3 處理方法

主配壓閥拒動條件必須是在115%Ne轉速點的上升沿時進行判斷才合理,而傳統的主配壓閥拒動接近開關是純機械式的,沒有辦法加入轉速的判斷。為克服傳統的主配壓閥位置接點動作不可靠的缺點,可以在調速器程序中定義主配壓閥拒動條件。原理是當機組甩負荷后,調速器將導葉關回時,導葉開度給定減去導葉實際開度為負值,而此時主配壓閥位移減去中間位置也應該為負值(往關方向運動),而此時如果主配壓閥位移減去中間位置為0或正值,說明主配壓閥處于中間位置或往開方向動作位置。綜合以上兩點,采用圖2進行主配壓閥位置接點判斷,可以在調速器程序中實現,圖中,YPID為導葉開度給定,Y為實際導葉開度,y為主配壓閥位移。

圖2 主配壓閥位置信號判斷流程圖

6 結語

調速器是電廠發電機組的控制中心,對機組的安全高效運行起著至關重要的作用,必須在實際的運維實踐中不斷地進行總結,通過對幾起典型調速器電氣故障的案例進行分析,這些實踐經驗幫助檢修人員及時正確地判斷和處理了調速器的各種故障,有效減少了調速器故障所帶來的損失,保障了發電機組安全可靠的運行,希望對調速器維護人員帶來一定的參考意義。當然,隨著自動化水平的提高,相信調速器電氣控制設備在設計、產品的先進性和可靠性上會取得更大的提高,如何研究高自動化水平下的調速器設備的維護方法將是需要考慮的問題。

[1]南海鵬,王德意,王 濤.基于可編程控制器的水輪機調速器[J].中國農村水利水電,2001(5):55-56.

[2]劉亞濤,王立賢.景洪水電站調速器比例伺服閥發卡故障診斷[J].大電機技術,2010(2):63-64.

TK730.4

B

1672-5387(2017)07-0074-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.023

2017-04-27

唐亞波(1987-),男,工程師,從事大型水電廠電氣設備管理工作。