水輪發電機組微機電液調速器幾次不常見故障分析探討

張志高 楊偉

【摘 要】本文主要介紹水輪發電機組微機電液調速器系統出現過的幾次不常見故障檢查及分析。隨著計算機技術的飛速發展，水輪發電機組微機調速器也進行了快速的更新換代。高性能工控機和大量電子元器件的使用，在提高控制系統各方面的性能的同時，也很大程度增加了設備故障的排查難度，對設備檢修維護人員的技能水平要求也越來越高。

【關鍵詞】微機調速器；故障分析

引言

水輪發電機組調速器系統在機組自動控制環節起到至關重要的作用，除了能夠完成機組自動開停機操作，調整機組有功負荷以滿足電網運行要求外，還能在電力系統或者發電機組發生故障時實現緊急停機，有效避免事故擴大，維持電網和其他機組的正常運行。

目前國內外水輪機調速器系統微機控制技術都已較為成熟，其中微機電液調速器已成為大中型水輪發電機組首選調速器器類型，其電氣調節部分應用現代控制理論與微電子技術相結合，基于可編程計算機控制器PCC和實時操作系統支持，能夠普遍適用于混流式、軸流轉漿式、抽水蓄能、沖擊式和貫流式等類型水輪機發電機組的轉速調節、有功功率調節。

相比起機械液壓調速器來講，雖然微機調速器有效解決了大電網、大機組對調節器提出的高靈敏度、高可靠性和高自動化程度的要求，但由于大量電氣元器件的使用，在調速器裝置出現故障時，也加大了專業人員分析處理故障的難度，對現場維護人員的技能水平也提出了更高的要求。這里簡要介紹幾起微機調速器系統不常見的故障分析及處理過程。

一、自動準同期裝置改造后調速器多次并網失敗問題

故障概述

2號機組檢修期間，更換了自動準同期裝置，參數設置與原自動準同期裝置一致。在機組同期并網試驗時，發現并網調節過程中調速器多次出現超調現象，最終調節超時，并網失敗。經專業組人員檢查發現該機組在空載至同期并網過程中，同期裝置啟動后，發出“增速（或減速）”脈沖信號至調速器電器柜時，機組轉速存在來回波動現象，不能很好的跟蹤電網頻率，滿足并網條件，最終導致并網失敗。

調速器系統檢查分析

查看調速器控制程序如下：

機組開機進入空載狀態穩定運行后，如果沒有收到外部增速（或減速）信號，將以0Hz的頻差跟蹤50Hz額定頻率。即當機組轉速偏離50Hz，調速器工控機即進行空載PID調節，以使機組轉速恒定在50Hz。若空載時收到來自同期裝置的增速（或減速）脈沖信號，則根據脈沖時間寬度，做出響應。

根據調速器系統程序設計，空載狀態時，頻率給定變化量由外部開入脈沖寬度決定，具體為 （程序段一個掃描周期是20mS）。也就是說，如果調速器系統收到來自同期裝置400mS寬度的脈沖，則頻率給定變化量為400*0.005/20=0.1Hz。

綜合分析

通過上述分析，結合故障現象，可以發現新更換的自動準同期裝置參數“ ”設置與調速器系統不匹配，存在“一步調到位”的情況，而不是“逐次逼近型”調節，由于大中型水輪機組慣性大，這樣就會造成超調現象，導致機組轉速來回波動，無法跟蹤電網頻率，并網失敗。

處理情況及效果驗證

將同期裝置的 值，由原來的40修改為20，按照上面的理論計算，則在0.1Hz頻差時，同期輸出的脈沖寬度減半，為200mS。則調速器的頻率調整幅度為0.05Hz，相比參數修改之前，每次調節頻率步長為頻差的一半，如此循環，逐次逼近。

參數修改后，做同期裝置與調速器器聯調模擬并網試驗（解脫同期開出至機組出口斷路器“合閘”信號接線），使用錄波儀記錄調節過程。經模擬試驗驗證，調節過程平穩，不再出現超調現象，三次模擬并網試驗均成功。

二、程序漏洞導致復歸故障時造成機組調相運行

故障概述

4號機組調速器系統改造投運后，某日，自動開機過程中系統報“調速器一般故障”，但自動開機正常，機組并網發電運行。專業人員接到設備異常檢查通知后，現場查看故障情況，僅有“頻率故障”，即點擊故障復歸按鈕，故障復歸后，4號機組導葉快速關至全關，機組進入調相運行狀態。

調取調速器系統事故追憶曲線查看，發現在自動開機前，機組處于停機狀態時，機組頻率曲線出現了100Hz周期性的干擾，如下圖1所示，開機后，頻率穩定在50Hz。

為查找出故障原因，專業人員對調速器系統程序進行了全面檢查分析，根據控制邏輯，調速器程序設計了五個狀態：靜止、開機、空載、發電、停機。其中，“開機態”和“停機態”僅是一個過渡狀態，各種狀態的轉換關系及轉換條件如下：

其轉換順序依次為：靜止態 開機態 空載態 發電態 空載態 停機態 靜止態。工況轉換具有順序性，不能越級。

“靜止態”轉入“開機態”的條件為：收到監控系統“開機”令；

“開機態”轉入“空載態”的條件為：在“開機態”下，機組頻率大于45Hz，或調速器從收到開機令開始計時，該時間大于設定的“開機限時”時間，均轉入空載態。

“開機態”轉“空載態”的第一個條件，采用頻率判斷是目前的通用做法，未加過多約束條件，主要考慮是使得調速器能夠從開機順利轉入空載，降低這個環節啟動的失敗率。機組在實際啟動時，轉速是緩慢上升的，不會突變到90%。

“空載態”轉入“停機態”的條件為：在“空載態”下，收到“停機令”，或導葉開度小于4%且轉速小于15Hz，均轉入“停機態”。

空載轉停機，后一條判據采用開度和頻率綜合判斷的目的是考慮到一種情況，即手動停機。當機組在空載時，若需要手動關閉導葉使機組停下來（多用于試驗期間），這時調速器一般并不能收到“停機令”，即便機組已經停下來，但調速器工況還在“空載態”；這時，如果下次開機前將控制方式把手切換到“自動”，調速器將自動開啟導葉到空載開度，從而出現異常。

“停機態”如要轉入“靜止態”需要同時滿足兩個條件：①收到監控系統“停機至電調”命令延時40秒；②導葉開度小于2%。

由此，結合故障錄波曲線進行分析，4號機組在開機前調速器系統在A套運行，此時系統受到一個100Hz的頻率干擾，且該干擾在收到“開機令”時一直存在，因此，4號機組調速器在收到“開機令”時，立即滿足了狀態轉換的相關條件：靜止態 開機態（100Hz>45Hz滿足） 空載態，直接由靜止態進入到“空載態”，而此時的空載態實際為一個假狀態，因為導葉并未開啟、機組并未旋轉。因此立即又進行下一步狀態轉換“空載態 停機態”（導葉開度小于4%且轉速小于15Hz，注意上圖中的頻率干擾是脈沖形方波，0-100Hz之間來回跳變），所以A套控制器停留在“停機態”這一過渡狀態，并報出“頻率故障”、“一般故障”等告警信號。

由于上述這些過程的轉換在程序里都是在毫秒級的時間內完成的，上述過程完成后，“開機令”脈沖并未結束。

隨后，由于A套有一般故障，B套無故障，系統自動切到B套運行，切至B套控制器后，開機令仍然有效，而剛好頻率干擾下降到0Hz的低谷，因此正常開機后并網發電運行。

維護人員現場檢查，系統控制把手在A套位置，A套有一般故障，實際B套運行，點擊故障復歸按鈕，此時，由于A套的狀態還在“停機態”這一過渡狀態，而故障復歸后，A、B套均無故障，因此以把手位置為主，系統切到A套運行，繼續完成“停機態”程序，導葉給定-2%，造成發電運行中導葉全關，機組調相運行。

處理情況及效果檢查

經全面檢查，發現干擾源來自調速器控制柜內部的頻率信號處理模塊，更換后，干擾源消失。另外，綜合上述分析，發現程序存在不完善的地方，進行了如下優化：

在“開機態”轉入“空轉態”程序段中加入了等待導葉開啟及頻率上升的時間延遲。加入20s延時后，在這20s期間內，導葉開度能夠開到空載開度16.8%左右，機組頻率也會逐漸上升超過15Hz，此期間即使出現頻率采樣故障，由于導葉開度不滿足小于4%這個條件，控制器也不會轉入“停機態”。

通過程序優化，更換頻率信號處理模塊，進行了多次自動開機試驗，結果均正常。

三、導葉傳感器采樣值漂移導致機組功率波動

故障概述

8號機組帶固定負荷運行過程中，調速器系統導葉位移傳感器1采樣值出現緩慢漂移。實際導葉機械開度值約85%，調速器電氣柜采集到的導葉傳感器1開度會由85%緩慢漂移至100.3%，此漂移過程有時經過數小時，有時經過1-2天后突然復歸，復歸瞬間，導致機組功率波動。

故障檢查分析

相關設備檢查

經專業人員現場檢查，當前導葉位移傳感器1為主用，采樣值為100.3%，查看導葉位移傳感器2采樣值為84.4%，水輪機室導葉位移機械標尺，實際開度為84.5%，與導葉傳感器2采樣值一致，因此，可以初步判定導葉位移傳感器1采樣回路或通道存在問題。但具體是傳感器故障，還是信號回路受干擾，或是模擬量通道存在問題，還需進一步檢查分析。

8號機組調速器系統安裝有2套導葉位移傳感器，雙重冗余，互為備用，當兩套傳感器信號品質均正常（傳感器輸出電流在4-20mA范圍內）的情況下，系統默認導葉位移傳感器1主用，只有當導葉位移傳感器1測點“品質壞”（即輸出電流小于4mA，或者大于20mA），系統才會判斷導葉傳感器1故障，并將導葉采樣主用信號切換至導葉傳感器2。由于導葉位移傳感器1采樣值不穩定，存在漂移情況，但輸出電流還在4-20mA范圍內。因此，系統不會判定為傳感器1故障，不會自動切換到傳感器2運行。

功率波動原因分析

8號機組帶負荷運行時，當前水頭下，正常導葉開度為84.5%。而當前導葉傳感器1主用，且存在問題，導葉開度值會緩慢的從84%逐漸變化到95%，甚至100.3%。這個緩慢變化的過程中，由于采樣值（如100.3%）與115MW負荷所需給定值（84%）發生了偏離，即反饋大于給定，此時調速器系統會發“關”導葉命令，關閉速度與傳感器1采樣漂移速度一致，但方向相反（即開度往大方向漂，調速器發關導葉命令），而由于8號機組帶115MW固定負荷，因此，導葉緩慢關閉會導致負荷不足115MW，一旦累積的功率缺口超過調節死區1.2MW，此時，8號機監控系統PID調節即發“有功增”脈沖，將導葉給定值調大，保證有功115MW恒定，如此多次調節，始終保證導葉反饋與導葉給定一致，最終結果就是導葉1反饋漂移到100.3%，導葉給定也會調整到100.3%，這樣才能保證機組出力不變。

漂移過程持續數小時或1～2天后，在某一時刻，導葉1采樣突然恢復正常（100.3%突然變回84.5%），此時，調速器并沒有收到監控“功增”或“功減”命令，給定還是100.3%，而反饋僅僅只有84.5%，調速器會認為沒有調到位，因此會往100.3%這個目標值發令開導葉，所以導葉快速打開，機組功率突增，大于115MW，而隨即監控PID檢測到功率偏離115MW，即發“有功減”脈沖信號將導葉關小，直到負荷穩定在115MW。

導葉傳感器1回路檢查

經過進一步檢查，發現導葉位移傳感器1接入的一個菲尼克斯信號轉換模塊存在問題，該模塊的作用是將傳感器輸出的4-20mA電流信號，轉換為2-10V電壓信號，輸出至PCC工控機。測量導葉位移傳感器1輸出電流為16.49mA，但信號轉換模塊輸出電壓為9.48V；而導葉位移傳感器2輸出電流為16.52mA，信號轉換模塊輸出電壓為8.27V。

因此，綜合以上檢查分析，可以鎖定，問題出在與導葉位移傳感器1連接的信號轉換模塊上。

處理方法及效果檢查

由于機組處于發電運行狀態，不具備更換信號轉換模塊的條件，因此采取臨時措施，將導葉位移傳感器1隔離，調速器系統檢測到傳感器1信號品質壞，自動切換到導葉傳感器2運行。

導葉傳感器1隔離后，觀察運行一周，8號機組運行穩定，沒有再出現過功率波動情況。

結束語

本文所敘述的這幾次微機調速器故障屬于不太常見的故障，相比較一般典型故障來講，故障原因相對復雜，檢查分析的難度也比較大，本文旨在探討對于調速器不同故障的一般檢查分析步驟和處理方法。

參考文獻：

[1] 徐睦書.水電站自動化[M].北京：中國水利水電出版社.1998，5

[2] 沈祖詒.水輪機調節[M].北京：中國水利水電出版社.1997

[3] SAFR-2000H水輪機調速器說明書[Z].南京：國網南京自動化研究院.2016.10

作者簡介：

張志高：男，河南長葛人，2006年7月畢業于武漢大學，工程師職稱，長期從事水電廠電氣二次設備運行、維護、檢修及技術管理工作，具有豐富的現場設備檢修、維護、改造和設備管理經驗。

楊 偉：男，云南昆明人，2008年7月畢業于華北電力大學，工程師職稱，長期從事水電廠電氣二次設備運行、維護、檢修及技術管理工作，具有豐富的現場設備檢修、維護、改造和設備管理經驗。

（作者單位：華能瀾滄江水電股份有限公司漫灣水電廠）