大型水電站調速器負荷波動分析與處置

王 剛， 劉 金 華

(雅礱江流域水電開發有限責任公司，四川 成都 610051)

1 概 述

某電站位于四川省雅礱江下游，電站裝設6臺單機55萬kW混流式水輪發電機組，總裝機容量330萬kW。該電站水輪機調速器由電氣控制、機械控制和液壓機械三部分組成。調速器電氣控制系統采用武漢事達公司生產的WT-SPLC-STARS型調速器，調速器機械控制部分由瑞士HYDRO VEVEY公司制造[1～2]，液壓機械部分主要由油壓裝置、直缸接力器、過速限制裝置等組成。調速器主要調節過程為監控系統向調速器電氣控制柜下發調節指令，調速器電氣控制柜內調速器頭將接收到的調節指令通過PID控制算法轉換為電轉信號[1-2]，輸出至調速器機械控制柜內的電液伺服閥，電液伺服閥控制主配壓閥通斷驅動接力器動作，最終實現水輪機導葉的開啟與關閉。機組調速器負荷波動是機組常見故障之一，機組負荷波動主要有三點危害。第一：造成電站出力短時間內大幅變化，引起電網頻率波動、潮流斷面越限，嚴重情況下可能導致部分電網線路跳閘，威脅電網安全穩定運行。第二：負荷波動損害電站設備，由于導葉快速開關，壓力管道產生水錘效應，對引水管道、導水機構及接力器油管路本身造成損壞；電氣上發電機定轉子電流、機端電壓、發電機磁場過大，可能導致定子線棒燒損或絕緣擊穿，鐵芯溫度升高，定子端部過熱等。其他輔助設備，因機端電壓劇烈變化，影響廠用設備正常運行。第三：引起事故擴大。由于調速器接力器反復動作，耗油量急劇增加，造成油壓裝置低油壓/低油位動作，保護動作停機并落到進水口閘門，導致事故擴大，機組恢復正常備用所需時間增加。因此要及時準確處置負荷波動，保證機組安全穩定運行。

2 調速器負荷異常波動事件分析

2.1 事件概述

某日，監控系統報“二號機無功測量值故障動作、二號機勵磁電壓超高限、二號機組超出力運行動作、二號機有功功率612.75 MW、二號機1/2號發變組保護RCS985AW裝置報警、二號機1/2號發變組保護過負荷報警、二號機A、B、C三相電流高限報警”等報警信號，檢查2號機有功監控實測值685 MW、調速器有功輸出值649 MW，導葉開限和開度均為100%。

2.2 故障現象分析

故障前全廠AGC為退出狀態，2號機固定負荷466 MW，調速器采用“閉環/自動/功率反饋”的正常模式，1號調速器頭主用。故障發生后，2號機負荷大幅上竄，導葉開度實際最大到達100%，負荷升至650 MW，最大上竄至750 MW，監控系統上壓導葉開限無效，現地切換調速器頭并壓導葉開限后，負荷固定。

調速器正常運行時，電氣控制柜收到調節指令后發出的電轉信號偏離零位電壓，動作方向與導葉、功率變化趨勢一致，正電壓為增大，負電壓為減小，且電轉信號超前于導葉、功率的變化。

調速器負荷波動時，在外部功率給定不變，機組頻率正常情況下，電轉信號發生了正電壓的突變，0.5秒內電壓由0.19 V突變為2.01 V，導葉開始往開啟方向動作，導致功率超上限650 MW，調速器報功率故障和調速系統小故障，自動由功率反饋切換為開度反饋。

由于故障前外部給定的調節指令均無變化，而調速器系統電轉信號最先突變，導致導葉、功率波動，在主調速器頭切至2號調速器頭后故障消失，最終確定引起負荷波動的原因為機組調速器控制系統1號調速器頭伺服閥放大板QD1在用通道故障。

故障原因為調速器A套伺服閥功率放大板QDI當前運行通道故障，導致電轉信號輸出異常，機組停機后檢修人員更換A套功率放大板輸出通道(QD1板件有兩個獨立的放大元件，由兩個不同通道輸出，2號機調速器故障元件示意圖見圖1)，并經空轉試驗(開機過程中必須選擇B套調速器頭運行，防止A套不穩定導致開機過速)，對比A、B兩套調速器頭電轉信號輸出一致，現地進行調速器頭切換，監視A套電轉信號輸出正常。

圖1 2號機調速器故障元件示意圖

2.3 報警信號分析

監控系統當時報了主要報警信號：二號機開度反饋控制方式投入、二號機有功閉環調節退出動作、二號機電調手動方式投入、二號機勵磁通道1停止/通道2 運行、二號機油壓裝置備用油位2啟泵到達等。

2.3.1 調速器自動切開度反饋

并網機組調速器由功率反饋切開度反饋的條件有：

(1)調速器功率變送器硬件故障，即有功值越上、下限量程(該次自動切開度反饋原因)；

(2)機組由并網轉至解列；

(3)調速器進入孤網模式；

(4)調速器切至現地試驗方式；

(5)調速器現地方式下，切換模式把手至開度反饋；

(6)調速器遠方方式下，CCS發令切至開度反饋。

2.3.2 監控閉環調節退出

并網機組監控有功閉環退出的條件有[3]：

(1)機組并網信號消失；

(2)CCS發令退出閉環；

(3)調速器遠方自動方式下，功率反饋故障或有功設定值故障(該次閉環退出原因為功率反饋故障)；

(4)調速器切現地方式；

(5)調速器進入孤網模式。

2.3.3 勵磁通道切換[4]

并網機組勵磁通道發生切換的條件有(摘選)：

(1)COB板電源消失、D/O驅動板故障、MUB板故障或其電源消失；

(2)勵磁故障；

(3)整流橋過熱或其電源消失；

(4)通道失磁、通道故障、EGC故障；

(5)V/Hz故障(該次通道切換原因為V/Hz超限)。

2.3.4 備用油位2啟泵

由于導葉快速開關，接力器耗油量增大，壓力罐壓力和油位下降明顯，大泵啟動并達到備用油位2啟泵條件。從曲線看，油壓最低至4.94 MPa(低油壓4.776 MPa),油位最低1 232.83 mm(低油位903 mm)。如果導葉再一次快速調整，低油壓事故將不可避免。由此可見，在機組負荷大幅波動的情況下，及時穩定機組出力，避免低油壓/低油位保護停機導致事故擴大顯得尤為重要。

2.4 故障處置思路

對于負荷波動類故障[5]，主要的處置思路如下：

首先要立即采取措施控制負荷波動，在故障發生第一時間采取壓機組導葉開限方式，控制波動范圍。其次要準確判斷故障類型，立即現地查看調速器輸出電轉信號，如電轉信號變化與導葉開關反向一致(電轉信號為負表示關導葉，反之則表示開導葉)，判斷屬于調速器控制系統故障，如電轉信號變化與導葉開關方向相反，判斷屬于機械液壓回路故障。最后根據故障類型采取相應應對措施，如控制系統故障，采取切換A/B套運行方式或將調速器切電手動方式進行處置，如機械液壓回路故障，可嘗試切換油過濾器改變油路通流性進行應對。如負荷波動無法控制危及電網系統和電站設備安全，為防止事故擴大，應快速減負荷停機，必要時拍停機組或落門停機。

2.5 故障處置措施

2.5.1 應急處置

(1)報警信號出現后，運行監盤人員迅速查看監控系統2號機機組控制畫面中監控實測值685 MW，調速器有功輸出值649 MW，導葉開限和開度均為100%，確認機組負荷上竄后在監控系統上壓2號機導葉開限，將開限壓至故障前開度57%，但操作完成后開限又瞬時返回至100%，監控系統壓開限操作無效。

(2)現場檢查人員查看機調速器機械部分及油壓裝置無明顯異常，調速器電氣控制柜上小故障指示燈閃爍，觸摸屏事件記錄中有主用PLC故障等報警信息，電轉信號在1.5 V左右波動，調速器已切換至遠方/開度反饋方式。鑒于電轉信號異常大幅度正向增加，導致導葉持續往開啟方向動作，由故障現象判斷出主用調速器頭故障，將調速器切至備用調速器頭后導葉開限變為82%，導葉開度變為80%，有功穩定在635 MW，調速器小故障指示燈停止閃爍。

(3)將調速器控制方式切換至現地，在檢修人員協助下通過調整導葉開限將有功功率調整至空載后向上級調度申請2號機解列停機。

2.5.2 檢查處理

2號機停機后，專業人員將調速器控制系統1號調速器頭伺服閥放大板QD1切換至備用通道運行，并經空轉試驗對比兩套調速器頭電轉信號是否輸出一致。現地進行調速器頭切換試驗，監視1號調速器頭電轉信號輸出正常，確認故障消除。

3 結 語

調速器負荷波動對設備及電網安全運行影響較大，應采取有效的預控措施盡量避免該類故障的發生。在設備管理方面，應加強調速器控制系統運行監視和日常巡檢，盡早發現隱患并及時消除。同時，結合機組檢修，加強對調速器系統控制回路的檢查維護，深入排查設備隱患，研究提高設備可靠性保障措施，確保調速器設備安全可靠運行。在應急處置方面，需編制負荷波動類故障的應急處置方案及處置卡，列出故障處置的關鍵措施，定期進行應急演練，提升人員應急處置水平。