水輪機調速器故障分析及處理措施

劉用祥

（國電電力福建新能源開發有限公司，福建 福州 350002）

0 引 言

能源是人類社會經濟發展中不可缺少的驅動力，其中電力是人類社會生產生活中不可缺少的能源。但由于火力發電等傳統發電方式消耗的資源較多，而且環境污染嚴重，因此水力發電的重要性越來越突出。作為水力發電站的關鍵組成單元，水輪機調速器對于水力發電站的穩定運行來說至關重要[1]。調速器發生運行故障，就會導致水力發電機組運行異常，甚至導致水力發電系統出現安全事故。基于此，應重視研究水輪機調速器的常見故障，找到故障原因，同時采取有效措施排除故障，從而確保調速器正常運行。

1 水電站水輪機調速器結構原理及參數

1.1 水電站水輪機調速器原理

水電站調速器系統由電氣柜、機械柜、液壓控制系統和執行機構、調速器壓油系統以及頻率測量裝置等部分構成。其中，電氣柜由輸入/輸出面板、接線端子、電源、開關手柄、PLC、頻率測量儀以及觸摸屏等部件構成，機械柜由液壓控制器、執行機構以及伺服驅動器等構成，液壓控制和執行機構由主壓力閥、急停電磁閥、雙濾油器、兩級關閉裝置以及伺服電動機線性位移轉換器構成，壓油系統由壓力開關、壓力傳感器、集油箱、壓力油箱、壓力油泵、管道閥、壓力油箱供氣裝置以及電磁翻板液位計等構成。3個用于調速器頻率測量的回路中，一個用于機組齒輪板的速度測量，一個用于機器側PT頻率測量，一個用于總線PT頻率測量。導向葉片控制的原理是基于偏離給定值的反饋值的偏差信號，微機調節器通過伺服馬達變矩器將PID計算后的電信號轉換為機械變位信號，并調節導向葉片的開度以調節流向水輪機的水流量，進而調節水輪機組轉動速度和輸出功率。

1.2 水輪機調速器主要技術參數

水輪機調速器工作環境參數如下：空氣溫度一般為-20～+60 ℃，環境空氣相對濕度≤90%（25 ℃時），不含腐蝕性、易燃和易爆介質。

水輪機調速器額定電壓環境為三相四線制，主回路380 V，控制回路220 V，額定頻率50 Hz，水輪機調速器工作方式為S2短期固定配額，期限為10 min。

水輪機調速器整機質量為多圈58～68 kg，部分轉向86～375 kg。外殼防護等級為IP54，最高達IP67，最大控制轉矩為多回轉200～300 Nm，部分回轉200～18 000 Nm。

水輪機調速器輸出速度為多回轉36 r/min，部分回轉0.5～1.0 r/min。特殊電機功率為多回轉0.75～1.10 kW，局部回轉0.55～4.00 kW。

2 水輪機調速器功能及特點

2.1 水輪機調速器的功能

調速器影響水輪機的正常運轉，進而影響水電站的正常穩定運行。水輪機調速器一般具備并網功能和調節功能兩種功能。其中，并網功能是實現對水輪機運轉狀態進行自動調整的重要條件。在水輪機正常運轉過程中，工作人員通過電腦向水輪機下達運轉狀態調整指令，隨后水輪機調速器具備的并網功能可依據相關指令，對水輪機的運轉狀態進行自動調整，有利于保障水輪機穩定運轉。調節功能作為水輪機調速器的主要功能，也是體現水輪機調速器價值的功能，其可以調節水輪機運轉速度、水流量以及功率等。

2.2 水輪機調速器的特點

2.2.1 強大的操作力

通常，發電站的水輪機具有很大的規模，運行時需要借助大量的水利能源來推動其運轉，從而達到將水能轉化為電能的目的。而水輪機調速器則需要根據自身的運行來確保水流能順利進出，其對進水門具有很強的掌控能力，由此可見水輪機調速器在運行的過程中具有非常強的操作力[2]。

2.2.2 高速電網連接

水輪機調速器能在正確時間準確識別空載、并網以及隔離運行等不同的狀態，可以承載隔離負載，并在實際運行中提供殘余壓力頻率測量、頻率跟蹤以及快速并網連接功能。同時，可以按照計算機的指令來調整水輪機運行條件，通過在工作過程中快速完成并網操作，可以確保并網順利完成。

2.2.3 自動調整

調速器具備波動控制和數字協聯功能，可根據水位轉速靈活自動調整水輪機轉速和水流量，而且能合理地調整有功功率，從而保證整個水輪機系統的有功功率處于安全范圍[3]。

3 水輪機調速器常見故障原因及解決對策

3.1 工作電源電壓故障

在某水力發電站調速器的調試過程中，運維人員將直流工作電源和交流工作電源都連接至調速器配電板設備上，接通電源后部分設備無法正常運行。根據測量得到配電板設備的輸出電壓為9 V，遠低于正常的24 V輸出電壓[4]，因此，確定該水力發電站的水輪機調節器存在工作電源電壓故障。研究電源連接的整個過程后發現故障原因是交流工作電源和直流工作電源連接操作失誤或者調速器電路配電板設備出現故障。針對此類故障，應在接入工作電源之前仔細檢查交流線路、直流線路以及調速器設備之間的連接是否良好，布線和電壓水平是否在合理范圍。在確定交流線路、直流線路正常的前提下，需要分析水輪機調速器的電路配電板運行狀態，檢查其是否存在技術故障，如配電板線路斷開、虛焊以及零件失效等，發現問題后立即解決，確保調速器連接工作電源后可以維持穩定有效的電壓值，從而確保調速器正常運行。

3.2 調速器異常波動

某水力發電站人工操作狀態下的水輪機調速器運行平穩高效，但是轉換為自動操作狀態時調速器會頻繁地調節導向葉片和漿葉，而且調節幅度相對較大。在嚴重的情況下將導致發電機組停機，嚴重影響整個水力發電站的運行。通過分析人工操作狀態和自動運轉狀態時的水輪機調速器運轉特性，可以得到導致調速器運行波動和出現伺服電機故障的主要原因通常有2個。分別為電氣方面的故障和機械液壓方面的故障。

電氣方面的故障發生原因有導向葉片或槳葉的機械控制組件運行異常；導向葉片或槳葉開度、頻率、水位等測量電路異常；電網頻率大幅波動，孤網運行時調速器進入頻率調節模式，導致機組頻繁調整。

機械液壓方面的故障發生原因主要有導向葉片、槳葉液壓油外部管道存在大量機油泄漏，導向葉片或槳葉液壓油的內部管道中的油泄漏或導向葉片伺服電動機機油泄漏，導向葉片或槳葉的機械控制組件異常。

對于調速器異常波動故障的處理措施主要如下。首先確定故障現象并檢查直觀的外圍現象，如導向葉片、槳葉的開度測量，頻率、水位參數是否正常，導向葉片的主配閥是否存在卡阻；其次檢查頻率測量電路、頻率測量模塊、傳感器和電路是否斷開，I/O板及其他電氣組件和電路是否正常；最后如果發現調速器或主閥線性位移轉換器異常，則應及時采取措施以確保設備正常工作，及時更換或修理故障組件，以確保調速器系統和水輪機發電機組安全穩定運行。

3.3 調速器導向葉片、槳葉故障

某水電站調速器掉電后重新通電后，導向葉片、槳葉以及水頭無法正常運行。導向葉片和槳葉已切換為手動操作后，電源模塊輸出電壓仍不正常，信號反饋異常。上述故障的發生原因主要如下。

一方面，導向葉片的過度反饋會導致其運行狀態轉變為手動控制，導向葉片反饋是電流類型信號，信號范圍為4～20 mA[5]。如果導向葉片反饋值不在此范圍，則表示導向葉片運行故障。當導向葉片完全關閉或信號脫機時，通常會發生信號反饋值低于4 mA的故障，主要原因是電流信號不穩或受到干擾，導致導向葉片反饋值漂移波動，從而使真實值降至最低范圍以下，造成故障。信號反饋值低于超出上限即20 mA的故障，往往是由信號通道波動引起的，通常是由短路或高電流信號干擾引起的較大波動，其值超過了20 mA的電流極限。上述故障的解決對策如下。對于導向葉片反饋值超出上限的故障，需要注意導向葉片反饋線的屏蔽層是否破損，以有效屏蔽信號干擾。通過在超過上限時過濾掉故障信號，優化導向葉片反饋故障判定程序，從而達到屏蔽干擾信號的目的，進而確保出現瞬時故障信號時調速器不會立即切換到手動操作。

另一方面，故障也可能是由于槳葉反饋回路異常造成的。該水電站通過測量接地電壓發現導向葉片反饋電源模塊負載側已接地，并在確認電源接線后，采用逐漸掉線的方法來縮小故障范圍點[6]。通過逐漸掉線的方法發現發送給監視和傳感器的24 V電源已接地。甩出電源線后，故障信號和24 V電源模塊故障排除。甩開電源線再次測量接地現象并確認接地點是端子箱到導向葉片傳感器之間的電纜，然后檢查電纜接線，發現伺服電機附近的電纜磨損嚴重，24 V電源線芯線暴露與伺服電機的外觀接觸形成接地，從而出現異常反饋信號。包扎電纜接線后，上述故障解決，信號恢復正常。

3.4 電液轉換器故障

手動操作模式和自動操作模式轉換過程中需要通過電業轉換器實現反復清潔、移動活塞來消除阻塞部分。電業轉換器主控制單片機的故障處理可以通過關閉單片機并打開復位操作來確保單元的正常上電復位。通過檢測開度，開限反饋信號排查診斷電液轉換器故障，進而采用有效措施處理故障。在關機維護過程中，用示波器、萬用表及其他故障線路檢測設備對電業轉換器組件進行檢測，當檢測到相應組件發生故障時，需要及時更換和維修故障組件。

3.5 水輪機過速故障

如果水輪機的轉速超過額定轉速，即發生水輪機過速故障。當水輪機組速度超過某個值（超過額定值的140%）時，水輪機旋轉部件的離心力會迅速上升，導致水輪機振動加劇，易造成水輪機調速器運轉失控，水輪機轉動部件與其他部件發生撞擊，最終導致水輪機運行中斷，部件損壞，因此需要有效地防止水輪機過速。當水輪機機組轉速過快時，要及時采取應對措施。如果故障發生在水輪機運行過程中，要檢查過速保護裝置是否正常工作。過速保護裝置運行不正常時，必須手動關閉水輪機，如有必要還需要手動關閉水輪機主閥。故障發生在水輪機機組啟動和停止過程中時，即便此時水輪機轉速尚未達到過速保護整定值，也應立即關閉水輪機主閥。如果沒有水輪機主閥裝置，則應盡快關閉水輪機前部的進氣門。此外，當水輪機轉速降至額定轉速的35%以下時，手動制動使水輪機完全停止轉動，再排除故障。

4 結 論

水輪機調速器是水力發電機組的核心控制組件，調速器的運行穩定對水力發電站的安全運行至關重要。水輪機調速器工作環境特殊，而且運行時間長，出現故障的概率較高，容易對水力發電站的運行會產生不利影響。因此，在運行維護實踐中應及時發現故障，深入分析故障原因，采取有效措施排除故障，確保水力發電站正常運行。