水電站電氣自動化控制設備的可靠性研究

鐘 偉

（松原市哈達山發電有限公司，吉林松原 138000）

電力資源是現代社會發展的驅動力量。我國地勢地貌具有西北高、東南低的特點，且地形高低起伏，落差較大。同時，我國河流眾多，水系復雜，高落差的河流河段較多，擁有豐富的水力資源和水電站建設基礎條件。水力發電相對于火力發電具有成本低、利用率高、污染小的優勢，而相對于太陽能、風能、潮汐能等，具有發電穩定的優勢。此外，水力工程的建設還具有調節水數量、蓄水泄洪及改善農業灌溉條件等作用。

我國豐富的水力資源及成熟的現代化水力樞紐工程建設技術、水電站發電技術為水電廠的建設和發展奠定了良好的基礎。水力發電的眾多優勢保證了水電站的建設及運行具有較高的社會效益、經濟效益。隨著水電廠自動化、智能化技術的應用，水電站自動化水平不斷提升。其電氣自動化控制設備的可靠性也成為影響水電站運行安全和效益的重要因素。研究水電站電氣自動化控制設備可靠性對提升水電站設計制造水平和運行安全有著重要的意義。

1 水電站電氣自動化控制設備可靠性薄弱環節

水電站電氣自動化控制設備可靠性薄弱環節指設備或某個子系統、某個部件損壞后引發的電站整臺機組非計劃停運，即機組不能發電的情況。一般將水電站非計劃停運時間比較長的部件或子系統稱為可靠性的薄弱環節。其電氣自動化控制設備可靠性薄弱環節統計分析方法如下。

（1）局部非計劃停運時間占總體非計劃停運時間的百分比。

（2）局部非計劃停運次數占總體非計劃停運次數的百分比。這里的總體指整臺水電站發電機組，局部指水電站的各電氣自動化控制設備。如發電機主機、變壓器、同期裝置、重合閘裝置、電氣原件及其他一次設備與二次設備等。

對設備可靠性薄弱性的分析應該建立在對設施故障率與修復時間的分析與了解上。電氣自動化控制設備故障停電率越高、平均修復時間越長，表明設備的可靠性越低；相反，則設備的可靠性最高。電氣自動化控制設備還可借助星能電氣有限公司的CEES《供電網計算分析及輔助決策軟件》進行局部區域配電網運行的可靠性分析。電氣自動化控制設備的可靠性薄弱環節主要受設備、技術、網絡、管理等方面的影響。通過從設備、技術、網絡、管理幾個方面分析設備在配電網系統及管理上的薄弱環節，提出相應的改進措施，進而提升水電廠電氣自動化控制設備與機組并運行的可靠性。

2 提高電氣自動化控制設備可靠性的技術

2.1 設計制造階段

（1）應該充分考慮設備的可靠性薄弱環節，加強薄弱環節控制措施，解決局部薄弱環節的問題，加強設計的合理性。

（2）重視對電氣元件原材料、零部件及設備外購件的選購，重視質量檢查，加強對設備生產制造的質量管理和質量驗收。

（3）在電氣自動化控制設備安裝時由技術人員提供現場安裝技術指導服務，確保設備安裝的合理性、正確性。通過以上措施來提高局部設備及系統在發電機組整體運行的可靠性，進而提高水電站發電機組的可用率。

2.2 安裝與測試階段

水電站電氣自動化一次設備、二次設備等在安裝前，應該對相關機電設備根據相應的規程做好質量合格驗收，對機組安裝后對上下水位、邊坡穩定及河道周圍環境可能造成的環境進行分析，確保設備質量高合格和安裝后無意外發生后再進行安裝。設備安裝好后應該做好大壩監測、水庫調度、水情預報，確保設備試運行期間指揮部、電網調度及相關網絡的通暢。

在機組試運行前對廠房及變電站、機組進出水系統、水輪機、水輪機調節系統、水輪發電機、磁力調節系統、輔助系統、電氣設備、消防系統等進行質量全面檢查。在充分分析機組試運行后電氣自動化設備可靠運行的前提下進行機組空載試運行測試。

對發電機及電氣自動化控制設備做帶電試驗，最后與機組并列做負荷試驗，測試并統計、分析、評價電氣自動化控制設備運行的可靠性若干指標。通過對電氣自動化通知設備可靠性運行指標的分析，為水電站機組及電氣自動化控制設備的量化管理提供理論依據。

2.3 檢修階段

考慮到電氣自動化控制設備運行、維護、檢修的需求，需要應用科學的手段對設備狀態檢修。檢修分為預測性檢修、以可靠性為中心的檢修、計劃大修、計劃小修、節日檢修。檢修工作以監測數據為依據，通過分析監測數據了解設備可靠性薄弱環節，并對其進行預測性檢修和維護。以可靠性為中心的檢修可應用邏輯決斷法，適當縮小計劃檢修項目，擴大預測檢修與臨時診斷檢修項目，利用設備原本的可靠性制定電氣自動化控制設備的維護與檢修大綱，保證電氣自動化控制設備的可靠性運行。

2.4 設備運行階段

在水電站電氣自動化控制設備運行階段，應該通過在線監測了解設備運行狀態、運行環境等是否滿足水電站實際生產的需要。技術人員還要定期對運行設備的可靠性進行驗證與維護，保證設備的運行始終符合機組運行的負荷要求。通過保證機組及設備的合理運行，預防電氣自動化控制設備的故障的發生，進而保證機組及系統運行的可靠性。

3 水電站電氣自動化控制設備可靠性運行現狀及影響因素

3.1 電氣自動化控制設備可靠性運行現狀

近些年，我國水電站加快了發電機組及電氣設備的運行改造及對系統的升級。在進行改造與升級之前，水電站設備的故障率較高，非計劃停運的時間較長。同時，水電站的運行環境較為復雜，不確定性因素對電氣自動化控制設備的影響較大，環境的復雜性增加了設備故障率。此外，水電站電氣自動化設備之間及設備電氣元件之間在設備運行時會發生電磁波相互干擾，從而影響設備之間信號接收效果，影響電氣自動化控制設備的自動化控制水平。電氣元件之間及設備之間的電磁波干擾還會導致設備損耗的增加，加速設備及電氣元件的老舊化，縮短設備使用壽命。我國一些建設運行時間較長的水電站，電氣自動化控制設備年故障發生率較高，對機組可靠性運行影響較大。一些設備或電氣元件故障未能及時發現，導致其他設備及發電機組可靠性運行受到干擾。當電氣自動化控制設備的可靠性指標發生變化，其他設備受到的電磁干擾的影響加大，電氣自動化控制設備與機組并行運行時的故障發生率增高，設備局部可靠性薄弱環節相應增多。

水電站電氣自動化控制設備在實際運行中最常見的問題為設備元件脫離正常運行狀態。該問題的發生可能會影響周圍電氣設備運行的狀態及環境。由于不同廠家生產的設備機型及技術存在差異性，設備電氣元件質量和使用壽命也存在較大的差異。一些水電站采用了不同廠家的設備。

（1）設備及電氣元件質量本身存在差異。

（2）不同廠家電氣自動化設備對運行環境要求不同，導致在同一環境中設備運行性能有所差別。

3.2 影響電氣自動化控制室設備可靠性的因素

3.2.1 電氣元件及設備質量不達標

水電站電氣自動化控制設備的類型較多，設備數量大，所用到的電氣元件及零部件組成復雜，設備組成部件來源也各不相同。不同來源的電氣元件及設備生產工藝、生產技術、質量標準有所不同。這些來源不同的零部件在同樣的溫度、濕度等環境條件下，表現出的性能有所差異。部分零部件機械性能、穩定性、散熱性相對較差，或零部件本身易損傷。在設備運行期間受環境因素影響或養護管理不當時，其損傷性周期變短，使用壽命變短。以上問題的發生多于設備及零部件質量不達標所致。

3.2.2 系統設計問題

水電站電氣自動化控制系統的設計直接影響著機組與電氣自動化設備并運行的可靠性。一些水電站在進行工程設計時，忽略了對外部條件和內部條件的分析，忽略了限制性條件對水電廠可靠運行的影響。部分水電站系統設計雖然符合安全性、可靠性運行的要求，但環保性要求和經濟性較差。水電站長期運行下，機組及電氣自動化控制設備運行在環境影響下，易發生設備受電磁干擾及其他原因機組耗量較大、運行狀態不佳的情況。部分系統設計忽視了系統在限制性條件下易發生負荷或短時波動的問題，導致水電站電力系統運行期間非計劃停運時間較長。

3.2.3 設備安裝測試問題

部分水電站在電氣自動化控制設備安裝后實驗室和現場測試不足，或測試環境、測試流程不嚴謹，導致設備安裝測試的數據結果存在偏差。該問題直接影響著電氣自動化設備后期運行的可靠性，易造成部分設備局部可靠性薄弱環節未能及時發現。

3.2.4 運行環境干擾

水電站的環境條件較為復雜，電氣自動化控制設備運行環境濕度較高。部分設備由于安裝空間有效，設備之間間隔較小，散熱條件相對較差。此外，電氣自動化控制設備及電器元件之間存在電磁干擾。這些問題都屬于設備運行的可靠性薄弱環節。

3.2.5 技術人員操作因素

技術人員專業技術水平偏低，易導致電氣自動化控制設備運行管理期間發生細節遺漏，或造成操作失誤，進而導致設備運行環節存在可靠性薄弱環節。

3.2.6 設備故障檢修不及時

電氣自動化控制設備運行期間故障檢修不及時，會影響到設備其他電氣元件及零部件運行的穩定，加速其他零部件及線路的故障。當電氣自動化控制設備發生線路短路時，還會影響系統電壓的變化，導致水電站發電機組及系統整體運行的穩定性、可靠性降低。

4 提升電氣自動化控制設備可靠性的策略

4.1 加強設備及電氣元件質量檢查

在設計制造電氣自動化控制設備時，要加強對元器件的合理選擇，以及加強對元器件、零部件質量的檢查。選擇元器件時，要充分分析設備運行的環境，結合真實環境分析元器件運行的可靠性。如高濕度環境下應該考慮元器件的耐腐蝕性，是否會發生凝露問題。在高溫環境下應該考慮元器件的散熱性。

4.2 電氣自動化控制設備的可靠性薄弱環節分析

在自動化控制設備系統設計時，應該加強對設備運行可靠性薄弱環境的分析，加強對可靠性薄弱環節的改進，以提高系統整體的可靠性。此外，系統設計時應該考慮設備的用途、工作環境、穩定性、安全性、經濟性等，保證產品設計目標使用生產需要，符合水電廠實際運行的環境。

4.3 細化設備安裝質量檢查及安裝后測試

電氣自動化控制設備安裝好后應該做好設備全方面的質量檢查。對于檢查質量不合格的，應該對設備及時調試，及時更換存在質量問題的零部件，或直接更換設備。設備質量檢查合格后，按照規定流程對設備做安裝后測試，包括實驗室測試、保證試驗測試、現場測試等。通過采取多種測試手段，加強設備試運行測試和改進，提高設備運行的可靠性。

4.4 加強運行階段的管理

電氣自動化控制設備在運行階段應根據監測狀態加強運行管理。主要管理內容如下：①加強設備運行環境檢查與分析；②對設備運行加強動態化監控；③及時發現和檢修故障問題；④加強對設備運行周圍環境的控制，做好電磁屏蔽，加強散熱，做好防潮，減少電磁干擾、溫度、濕度等不良環境對設備運行的影響。

4.5 加強技術人員培訓與管理

水電站應該加強對技術人員專業技術理論與實操的培訓，加強人員責任管理，制定完善的責任制度、獎懲管理制度，提高設備管理的整體水平。

5 結束語

水電站電氣自動化發展是社會發展的必然要求。隨著新一代信息科學技術在水電廠建設及升級中的應用，水電站電氣自動化控制設備的自動化程度會越來越高，系統的整體性會越來越強，各電氣自動化設備可靠性與發電機組及系統整體運行的可靠性關聯性增強。這意味著未來水電站電氣自動化控制設備在設計制造、安裝與測試、檢修及設備運行各個階段要重視可靠性的提升，同時加強對設備操作技術人員的培訓與管理，盡可能地減少水電廠非計劃停運時間，為水電站電氣自動化控制設備安全、可靠運行奠定一個良好的基礎。