水輪發電機組轉速測控裝置運行穩定性分析與研究

羅紅俊,張官祥,楊廷勇

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川省涼山州 615400）

0 引言

在水輪發電機組的控制中，機組轉速信號起著非常重要的作用，轉速信號的穩定性直接關系到機組的安全穩定運行。機組轉速信號一般采用兩種輸出方式，一種是調速器自身采集的轉速值，另一種是轉速測控裝置輸出的轉速值。兩種轉速值在監控系統進行邏輯計算，參與機組電氣制動系統、機械制動系統、鎖錠裝置、高壓油系統和蠕動裝置等輔助設備的控制，同時還參與機組同期、勵磁以及并網態的判斷條件。轉速信號的可靠性直接關系到機組的安全、電網的穩定以及調速器的動態控制功能，因此，轉速信號的采集必須經過濾波、削峰和投票機制等邏輯計算后輸出最終的轉速值，同時采用可靠的、穩定的轉速測控裝置。

1 轉速測控裝置典型故障分析

轉速測量的元器件及功能等各個環節的可靠性和穩定性直接影響轉速測控裝置的整體性能，雖然不同電站轉速裝置的型式不一樣，但存在的問題具有一定的代表性，從根本上可以反應出水電站轉速測控裝置運行存在不穩定性，需進一步研究和分析轉速測量的可靠性。

1.1 轉速裝置故障可靠性分析

S電站的轉速裝置是某廠家基于貝加萊PCC 2003控制器集成其相應模塊研制而成，其內部電路設計有開關電源、整形板和繼電器等，該設備現已正常運行10余年。某臺機組在機組正常運行時，發現機組轉速裝置顯示異常，本體數碼管消失，監控系統顯示機組轉速模擬量值為153%，轉速開關量大于95%、大于115%、大于152%節點均動作，導致監控系統一類機械事故停機保護流程動作。經檢查現場設備及分析監控系統事件記錄，可得出以下結論：

（1）轉速裝置本體開關電源故障。轉速裝置正常運行時開關電源輸出電壓應為24V和5V，拆卸后檢測開關電源輸出只有13.3V和3.8V，故判斷其開關電源出現異常情況。因控制器和整形板供電電壓不足，導致轉速裝置PCC控制器重復啟動，在重啟過程中復歸了轉速開關量大于95%、大于115%、大于152%節點，從而復歸監控系統機組并網態的控制條件，見圖1，但是此時轉速裝置模擬量輸出值已達到160%。

（2）監控系統的控制邏輯不合理。在監控系統LCU機組保護邏輯程序中，滿足機組轉速115%、大于152%，同時接收到機組非并網態信號時才能觸發一類機械事故保護停機流程，也就是說機組只有在非并網態下收到電氣二級過速信號時才能觸發事故停機。重點是機組并網態的判斷條件中只采用裝置輸出的轉速大于95%的開關量節點，并未與轉速模擬量輸出信號或者調速器轉速輸出值進行互鎖。

1.2 齒盤及測速探頭運行穩定性分析

X電站轉速裝置是安裝在調速器電氣柜內，轉速裝置控制系統是用貝加萊PCC 2003控制器實現的，控制柜內部設計有電源系統、開出繼電器、輸出指示燈、觸摸屏和模擬量采集裝置等組成。某臺機組在完成機組停機流程后，轉速裝置1路齒盤測速信號發生持續跳變，轉速測量顯示跳變值最大達到198%，導致機組電氣一級過速、電氣二級過速動作，MARK2.1、MARK0、水機后備保護相繼動作，從而機組進水口快速門快閉動作、落門。經檢查發現測速裝置1號探頭正對齒塊邊緣位置，使得該測速探頭信號時有時無，從而導致測速裝置轉速值持續跳變。綜合分析造成右岸機組低轉速時齒盤信號不穩定的主要原因有以下：

（1）測速齒盤問題。該機組測速齒盤安裝于機組發電機下機架部位，由齒塊與齒帶組成并采用焊接方式連成一個整體，齒塊為金屬凸塊結構，加工精度不高且齒塊易積灰，凸塊邊緣未與切面垂直，當探頭在低速或靜止時進入感應臨界狀態易引起轉速信號跳變。另外若齒盤各凸塊離軸心距離存在偏差且間距不均勻，易造成探頭感應距離不等引起測速偏差甚至丟齒情況。

（2）測速探頭的選型及安裝問題。該機組測速探頭測量范圍較廣，且調整位置過近，造成感應臨界狀態范圍大，易引起信號跳變。各探頭安裝面與大軸弧面的弧度存在偏差，造成探頭測量傾斜，影響測量精度，且各探頭之間安裝距離過近，相鄰信號存在磁場干擾。

（3）轉速測量裝置軟件邏輯不完善。轉速裝置對測速信號的處理邏輯為：當PT測速信號大于閾值（30Hz）時優選PT，當PT測速信號小于閾值（30Hz）時，優選齒盤信號；兩路齒盤信號無故障情況下取轉速高者；當轉速裝置進入停機態后強制轉速輸出為零。由于PT信號在低速下不能穩定檢測，且測速信號防跳變邏輯不完善，若齒盤信號發生跳變，則無法可靠檢測轉速。

經綜合分析與研究得出，轉速裝置在實際應用過程中主要存在以下問題：本體元器件可靠性差、轉速處理邏輯不完善、測速探頭選型不合理、探頭安裝方式不合理、齒盤的制作精度及設計方案不合理、監控系統電氣過速保護邏輯不完備等。

2 轉速裝置可靠性研究與優化措施

目前，以上兩個電站的轉速裝置雖然運行趨于基本穩定，但是仍然存在著潛在安全隱患，主要有原PCC 2003控制器及其附件已停產，換型的PCC新模件與舊型號模件不兼容，必須整個控制器全部更換；設備全生命周期維護成本高昂，且維護過程中安全風險較大。

B電站的轉速裝置安裝在水輪機儀表柜內，齒盤安裝在水輪機大軸段，測速探頭采用易福門IFT222傳感器，轉速測控裝置采用瑞格SPCT 系列轉速測控器，該產品具有以下優技術特點：①具有硬件看門狗、軟件差分抗干擾、多路開關量接點輸出、4-20mA 模擬量輸出、蠕動報警和最高轉速記憶等功能。②頻率分辨精度高。③多路頻率投票機制完善。除了以上技術特點以外，該裝置由獨立的轉速測量和控制系統組成，并具有獨立的電源系統，其電源控制供電為220VAC/220VDC或220VAC/24VDC雙電源互為熱備，見圖2。這種供電方式，雖然屬于冗余供電模式，但是其開關電源內置在轉速測控裝置本體，不便于故障定位及維護，不便于設備管理及備品備件管理，此類問題應充分吸取上述S電站已發生事故的經驗教訓。因此，B電站在設計和運維階段充分借鑒以上兩個電站轉速裝置存在的問題，以及現使用轉速裝置本體自有缺陷，在原設計的基礎上進行技術創新和設備管理創新，采取以下優化措施以提高設備可靠性和運行穩定性。

（1）優化裝置本體的供電模式。轉速裝置本體采用兩路DC24V供電電源，一路取自水輪機儀表柜，另一路取自水輪機輔助控制柜。每一個柜內配有獨立的多重冗余電源系統，即提供兩路DC220V、一路AC220V經過電源轉換模塊轉換為多路DC24V，供不同的負荷供電，即使有其中一路電源出現故障，另一路電源也會保證供電正常；即使有任意一個控制柜電源全部消失，也能從另一面控制柜提供DC24V電源，保證轉速測控裝置正常工作，從而確保了機組的安全運行。

圖2 SPCT系統轉速測控裝置供電原理圖Figure 2 power supply schematic diagram of speed measurement and control device of SPCT system

（2）完善頻率處理邏輯。頻率控制邏輯優化為：在設備正常運行過程中，當有測速傳感器發生故障時，系統自動屏蔽故障通道的數據采集，同時將投票權限自動賦予給備用且未發生故障的通道。如果裝置復位或重新上電時，投票配置策略恢復至初始狀態，直到投票機制判斷其發生故障為止。采用此種投票機制，可以有效地抑制頻率突變并剔除故障信號，可大幅度提高轉速測控器的容錯能力，從而提高了測控裝置的可靠性。同時，監控系統根據系統要求和機組后備保護需求，充分考慮設備誤動和拒動的風險，優化和完善一類機械事故停機和機組并網態的判斷邏輯。

（3）加強轉速裝置的日常維護與巡檢。針對故障頻發的重要設備，進一步加強日常維護和設備點，巡檢及分配管理，才能提高設備運行周期，保證設備的正常運行，發揮最大潛能為公司創造最大效益。建立完善設備履歷，通過設備責任到人對運行設備的實際情況全面掌控；加強設備巡檢質量，對重要設備的巡檢過程中能發現而未發現造成的設備故障加大考核；制定設備周期保養及檢修計劃，對設備壽命周期內的設備逐步啟動換型改造工作；加強設備運行健康狀況分析，加強檢修工藝及缺陷管理，對人為造成的重復缺陷嚴格進行考核。

3 結束語

轉速測控裝置對機組運行穩定性的影響主要有轉速測控裝置本體故障、磁盤測速裝置故障、監控保護動作邏輯考慮不全面。巨型機組非停對電網影響大，從而要求巨型機組可靠運行，從而對轉速測控裝置運行穩定性提出更高要求。水輪機調速器的轉速測控裝置的硬件和功能在不斷優化和完善，在系統設計時要充分遵循技術先進性、設備安全性、運行穩定性和經濟合理性原則，并結合后期運行維護簡單和實用性，設備選型時必須收集行業內設備異常情況，了解當前的自動控制技術水平，還必須考慮水電廠機組安裝與運行的實際情況，確保電網和機組的安全和穩定。