MGC4000 型調速器液壓跟隨故障分析及優化

江業仁

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000）

1 前言

水輪機調速器作為水電站的重要設備，與水電站能否正常發電密不可分，一旦調速器出現故障，將直接關系到水輪發電機組及電力系統的安全穩定運行，影響水電站的安全生產和經濟效益，因此保證調速器正常工作就顯得極為重要[1]。由于水輪機調速器連續工作時間長，自動化元器件多，增加了調速器的故障的發生率，因此需要在機組運行過程中及時發現、分析并消除調速器的異常和故障，保證機組安全穩定運行[2]。

2 設備概況

五強溪電廠機組調速器為長江三峽能事達電氣股份有限公司生產的MGC4000 系列雙機冗余式微機調速器，此調速器系統是能事達電氣根據多年的調速器設計制造經驗，并結合我國國情和水力發電行業特點開發的新產品[3]。由雙微機可編程控制器（PLC）控制的雙控制器+雙電液轉換裝置（伺服電機、比例閥）+自復中手動操作機械液壓系統結構組成，電氣調節器以PLC 為可編程控制器核心，用智能并聯PID 適應式變參數控制規律，實現對調速器的穩定控制。該型調速器有以下特點：

（1）開關電源交叉冗余合成控制和公共DC 24 V電源，其DC 24 V 電源與外部電源供電電源為完全隔離，雙機實現完全獨立供電，任何一套微機控制器出現電源故障，不影響另外一套微機控制器正常運行，即能做到保證一套正常運行的前提下，切除備用機電源。

（2）雙微機控制器冗余為熱備冗余，主用機工作的同時，備用機實時采集和處理數據以及故障報警處理，備用機自動判斷調速器所處狀態，當調速器主用機出現大故障時進行切換，一般小故障不進行切換[4]。備用機切換至主用時，雙機切換迅速，備用機能夠快速切換至主用狀態工作并維持系統工況不變。雙機有重復切換閉鎖，閉鎖主備用重復切換，規避調速系統的不正常現象。

（3）兩套控制機同時故障時，調速器無擾動切換到手動運行，維持導葉開度不變，保持當前工況，此時調速器可以手動關機，緊急停機。

3 故障概況

故障前五強溪電廠5 號機調速器處于A 機+伺服電機主用、B 機+比例閥方式備用方式。

某日，五強溪電廠5 號機開機過程中，監控系統報：

“5 號機組調速器電調故障”；

“5 號機組調速器A 機主用復歸”；

“5 號機組調速器B 機主用動作”告警。

5 號機組調速器由A 機自動切換至B 機主用，并網正常，并網后負荷調整正常。現場檢查調速器電調柜有“液壓跟隨故障”、“導葉側大故障”及“調速器事故”報警，其余設備運行均正常。

4 故障分析

4.1 “液壓跟隨故障”、“導葉側大故障”及“調速器事故”報警原理

（1）“液壓跟隨故障”報警原理：導葉PID 給定和導葉實際開度相差大于5%之后，啟動故障判斷，連續4 s 內導葉變化速率（每個PLC 掃描周期內的平均速率，PLC 的掃描周期為10 ms）均小于設定值（調速器A 機設定為3%/s，調速器B 機設定為2%/s）時，開出液壓跟隨故障。

（2）“導葉側大故障”報警原理：由液壓跟隨故障、導葉電機故障、導葉比例閥卡阻，導葉主接傳感器故障等故障并聯開出。

（3）“調速器事故”報警原理：由測頻總故障（殘壓測頻和齒盤測頻同時發生故障）、導葉反饋故障、主配壓閥反饋故障、微機控制器故障、液壓跟隨故障等故障并聯開出。

4.2 故障原因分析排除

因故障前五強溪電廠5 號機調速器處于A 機+伺服電機主用，本次故障排除了“導葉比例閥卡阻”故障。

對各報警的原理進行分析發現：液壓跟隨故障、導葉電機故障、導葉比例閥卡阻，導葉主接傳感器故障、測頻總故障（殘壓測頻和齒盤測頻同時發生故障）、導葉反饋故障、主配壓閥反饋故障、微機控制器故障均有專門的報警，當他們發生故障時均會產生報警并報送至監控系統。可以基本排除“液壓跟隨故障”以外的其他類型故障。

通過上述分析，可以判定在無其他設備異常報警的情況下，本次故障中“調速器事故、導葉側大故障”報警均是“液壓跟隨故障”引起。

4.3 液壓跟隨故障產生原因分析

由“液壓跟隨故障”報警原理得知，調速器A 機開機過程中液壓跟隨故障的直接原因是導葉動作不及時，導葉PID 給定和導葉實際開度相差大于5%之后，連續4 s 內導葉變化速率均小于設定值（調速器A 機設定為3%/s，調速器B 機設定為2%/s），導致“液壓跟隨故障”，進而引起“導葉側大故障”及“調速器事故”。而引發導葉動作不及時的根本原因可能是：

（1）伺服電機—引導閥—主配油路控制延時，導致導葉開度變化速率過低；

（2）伺服電機—引導閥—主配油路控制正常，當時水頭下A 機PID 調節伺服電機—引導閥—主配油路控制的固有特性導致導葉開度變化速率在某一區間持續低于3%/s。

為檢驗上面兩個可能的原因，需要對5 號機組進行調速器無水試驗及開機至空轉試驗，模擬測試導葉在開機過程、運行過程中的導葉變化速率，進一步分析原因。

4.4 5 號機組調速器A 機無水、開機至空轉試驗情況及分析

A 機主用狀態下進行導葉無水試驗及調速器開機至空轉試驗，試驗結果如下：

（1）引導閥加注鈣基脂潤滑油前,A 機開機至空載,導葉開度從0%開至5%,用時3.303 s,平均導葉開度變化速率為1.514%/s；導葉開度從5%開至10%,用時2.473 s,平均導葉開度變化速率為2.02%/s（如圖1 所示）。

圖1 加注潤滑油前導葉開度過程曲線

（2）引導閥加注鈣基脂潤滑油后,開機至空載,導葉開度從0%開至5%,用時3.227 s,平均導葉開度變化速率為1.55%/s；導葉開度從5%開至10%,用時2.449 s，平均導葉開度變化速率為2.04%/s（如圖2 所示）。

圖2 加注潤滑油后導葉開度過程曲線

（3）引導閥加注鈣基脂潤滑油后,做無水試驗,導葉開度從0%至5%,用時1.478 s,平均導葉開度變化速率為3.38%/s；導葉開度從20%至25%,用時1.383 s,平均導葉開度變化速率為3.62%/s（如圖3所示）。

圖3 引導閥加注潤滑油后導葉開度過程曲線

對比伺服電機引導閥加注鈣基脂潤滑油前后，調速器開機至空轉過程中的導葉開度變化速率，可知加注鈣基脂潤滑油后導葉開度變化速率有極其細微的增大，可忽略不計，判斷伺服電機—引導閥—主配油路控制延時不是液壓跟隨故障的主要原因。

對比無水試驗條件下導葉開度變化速率，可知不同開度區間導葉開度變化速率不同，0%~15%及85%~100%導葉開度區間導葉開度變化速率較慢，15%~85%開度區間導葉開度變化速率較快。

綜合無水試驗不同導葉開度區間導葉變化速率情況及開機至空轉時導葉開度變化速率，可知在故障當日水頭情況下，導葉開度變化速率在15%~85%開度區間會大于3%/s，在0%~15%及85%~100%導葉開度區間會在2%/s 附近甚至低于2%/s。即A機故障的根本原因是由于A 機PID 調節伺服電機—引導閥—主配油路控制的固有特性，導致導葉開度變化速率在某一區間連續4 s 內低于3%/s，從而開出了“液壓跟隨故障”、“導葉側大故障”及“調速器事故”。

5 優化方案

根據前面分析調速器A 機故障的根本原因是由于A 機PID 調節伺服電機—引導閥—主配油路控制的固有特性引起的，導致導葉開度變化速率在部分區間，特別是機組剛剛啟動和接近額定轉速的時候低于3%/s，在這些區間調速器A 機主用下液壓跟隨故障判斷參數（導葉開度變化速率：3%/s）設置偏高，與A 機方式下調速器固有特性不匹配，容易產生該故障。

依據5 號機組調速器A 機試驗特性，將5 號機組調速器A 機“液壓跟隨故障”導葉變化速率定值由“3%/s”調整為“2%/s”，修改后經長期觀察不同水頭下調速器均未再報過相關故障報警。

6 結語

水輪機調速器系統的故障，往往是電氣、機械、液壓內部問題的交錯重疊和外部因素的共同作用，一個故障可能由一種或幾種原因引起，雖然呈現的故障現象基本一致，但是原因卻可能不同，實踐中需仔細甄別。通過對MGC4000 型調速器發生的一次液壓跟隨故障進行分析，排查了相關可能導致液壓跟隨故障的因素，并根據排查結果對控制參數進行優化，有效的消除了該類故障，可為同類型調速器發生相關故障時的處置提供參考。