單導葉非同步故障模式分析

李剛 王浩 常東亮 姜沛東

摘要：本文分析了抽水蓄能電站單導葉非同步故障模式，詳細分析了單導葉非同步故障的影響，驗證了單導葉非同步故障模式在短時運行的可行性，為進一步提高抽水蓄能電站保障電網安全、穩定運行提供了新的思路。

關鍵詞：抽水蓄能電站;單導葉;非同步故障模式

某抽水蓄能電站總裝機容量120萬千瓦，是一座日調節抽水蓄能電站本機組，電站位于省電網負荷中心，承擔調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。電站在國家電網1000千伏特高壓交流示范擴建工程大負荷試驗、小浪底調水調沙、重大保電任務及河南電網安全穩定運行中發揮著重要作用。電站導葉采用20個單導葉接力器，當單個導葉非同步時，設置為偏置3%報警，偏置5%停機，由于導葉數量多，故障率相應提高，為機組的安全、穩定運行提出了挑戰，不利于發揮抽水蓄能電站調峰填谷、事故備用等任務的執行。因此分析單導葉非同步故障模式，通過驗證機組在單導葉非同步故障運行時，是否具備為電網安全、穩定運行爭取更多處理時間的可能。

一、單導葉調速器的控制結構

根據某抽水蓄能電站機組，單導葉調速器控制系統主要2個控制器（UPC）和20個導葉控制卡件（SPC）以及液壓隨動系統?？刂破靼║PC（N）和UPC（S），遠程終端單元向UPC（N）和UPC（S）傳送負荷控制信號，二者轉化負荷信號為開度信號，再向SPC傳遞信號，SPC不僅負責接受導葉的開度信號，同時還負責接受導葉位置信號。如果某一個導葉開度值超過了標準范圍，SPC即可上送報警信號給UPC，促使機組跳閘。

SPC同時作為電流放大卡件，利用控制算法計算之后控制伺服線圈電流，進而驅動伺服閥工作運行。SPC控制工作時發出周期性的方波，在避免閥芯卡澀同時保證了伺服閥的響應靈敏。

在伺服線圈電磁力與閥芯對側彈簧的共同作用力下，促使伺服閥芯改變供油口和排油口的通路，因此改變導葉接力器的開啟腔和關閉腔的壓力。如果開啟腔壓力比較大，將會驅動導葉接力器開啟導葉，如果關閉腔壓力比較大，導葉接力器可以驅動關閉導葉。導葉開度的變化，改變了轉輪的進（出）水量，因此控制機組運行功率。在導葉接力器的頂部直接連接導葉位置傳感器，可以將導葉開度值轉換為標準模擬量電流信號反饋至SPC。

二、單導葉非同步故障模式運行試驗

結合該電站單導葉調速器控制結構，任何原因引起的SPC故障都會引發單導葉關閉或全開，導致非同步故障，由于20個導葉共配置20個SPC，故大大增加了SPC故障引起的跳機風險，因此需要系統性的分析單導葉非同步故障模式運行時對機組的影響。因此提出進行單導葉非同步故障模擬試驗，通過試驗結果驗證機組在單導葉非同步故障運行時，是否具備為電網安全、穩定運行爭取更多處理時間的可能。

（一）試驗方案

試驗目的是在單個導葉故障模式下，保持機組運行5分鐘，即機組在一個導葉關閉或全開，而其它導葉正常開啟的時候（單導葉非同步），機組運行一段時間。從而給開啟另一臺機組足夠的時間，以防止意外停機。

所有試驗都在熱穩定后進行。首先記錄機組正常工況動態特性，以此與故障模式對比。水輪機工況對于每個出力，首先記錄機組在正常運行下的動態性能數據，然后改變2號導葉的開度偏置±5%和全開、全關，記錄機組在2號導葉偏置±5%和全開、全關情況下的動態性能數據。抽水工況也分別在高水頭與低水頭進行正常模式和故障模式試驗，記錄動態性能數據。

（二）傳感器安裝

水力測量傳感器：所有7個壓力傳感器，型號PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA，測量范圍10MPa，在安裝前已標定。使用1個差壓傳感器測量差壓流量。（上、下游壓力傳感器，蝸殼壓力傳感器，尾水壓力傳感器，2個無葉區和1個上冠壓力傳感器，1個差壓傳感器）。

加速度計和距離傳感器及應變片：2個非接觸式傳感器TELEMECANIQUE XS4，測量水導擺度，并在試驗前用進行了標定。7個PCB加速度計測量振動，并在試驗前標定。測量點包括：水導擺度，水導徑向振動，1、2、3號導葉徑向振動，頂蓋垂直振動。在1、2、3號導葉安裝全橋應變片，并在每次試驗前調零。應變片安裝在接力器和導葉耳軸連接臂處。

導葉壓力和速度傳感器：型號PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA的壓力傳感器，測量范圍10MPa，安裝前已標定，安裝在2、3號導葉開關腔。使用TELEMECANIQUE XS4速度傳感器通過鍵向塊測量轉速。

記錄儀使用一臺OROS，以及相應軟件NVGate8.30，正常模式采樣2分鐘，故障模式采樣5分鐘。分析使用DYNAMX 10.1.1。壓力以及差壓傳感器使用DRUCK DPI 620標定，擺度使用塞尺標定，加速度計使用PCB 394C06標定，導葉扭矩在試驗中進行標定。

三、單導葉非同步故障模式運行試驗結果分析

動態測量分為，正常工況測量和故障工況測量。

擺度在兩種工況下的峰峰值基本沒有變化;

振動速度信號取振動速度有效值，兩種工況下對振動的影響不大;

兩種工況下的壓力脈動變化值很小;

非同步導葉，偏置模式下的扭矩波動大于正常模式下的扭矩波動。 但兩工況下的峰峰值為相同的數量級。

基于以上結論，機組故障模式（單導葉非同步）在限定時間內可以運行（假設此事件每次缺陷發生的時間少于5分鐘）故驗證故障工況運行5分鐘的動態特性在可接受范圍之內，短期操作可行。

結束語：

單導葉非同步故障關系到抽水蓄能機組運行的穩定性和安全性，進而影響到所屬電網的穩定性與安全性，因此進行單導葉非同步故障模式運行試驗并進行結果分析，不僅對單導葉結構調速器，而且對控制環導葉控制器都具有借鑒意義。為電網調度值班員在機組故障模式下的負荷轉移和應急處理提供了寶貴時間。