一起主閥位移傳感器異常造成水輪機非停事件的處理及分析

摘 要：針對一起水電站水輪機主閥位移傳感器異常造成水輪機非停的事件，通過分析該事件的基本情況、處置過程和原因，制定了對應的整改措施，有效解決了主閥位移傳感器故障導致機組出力波動以及非停問題，期望能為類似問題的預防、分析和處置提供有益的參考和借鑒，支撐水力發電行業的安全、高效運行。

關鍵詞：水輪機；調速器；主閥位移傳感器；非停事件

中圖分類號：TM622" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0007-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.002

0" " 引言

水輪機是水電站機組出力和負荷調節的核心設備，因電力系統負荷波動頻繁，為保證電能質量、發電機組及電網的穩定運行，對水輪機調速器的可靠性要求不斷提高。水輪機調速器可以通過調節機組導葉開度大小來控制水通過水輪機的流量，從而實現水輪機轉速調節，以滿足電力系統對功率和頻率的要求。調速器系統中涉及多個測量環節，任何環節出現故障都將導致水輪機調節失控，進而造成機組出現異常[1-2]，嚴重時甚至會造成機組非計劃停運，直接影響水輪發電機組乃至電網的安全穩定運行。

本文所述水電站位于瀾滄江干流，是“西電東送”“云電外送”關鍵性工程，調速器系統采用東方電機公司生產的HGS-X20型數字式微機調速器電氣柜和HGS-H21-150-4.0型全液控機械柜。電氣柜由PCC X20控制器（雙通單調）控制，采用并聯PID調節規律，可在負載運行時通過給定導葉開度或功率實現現地和遠方自動控制。機械柜具有內閉環的相對獨立的電液隨動系統，采用伺服比例閥作為電液轉換元件，將來自電氣柜的控制電流信號轉換為流量信號控制主配壓閥的動作，對機組進行自動控制。調速器油壓裝置每臺機一套，共6套，每套獨立運行，額定油壓為4.0 MPa，正常運行在油泵自動輪換模式，一臺泵主用一臺泵備用，當油壓降至3.6 MPa時啟動工作油泵，當油壓降至3.5 MPa時啟動備用油泵，當油壓繼續降至2.8 MPa事故低油壓時啟動機械事故停機流程。

本文針對該站一起典型的調速器系統主閥位移傳感器異常造成水輪機組非計劃停機事件，對事件經過、處置過程、原因分析和整改措施進行探討，可為類似問題預防、分析和處置提供有益的參考和借鑒。

1" " 基本情況

某日17：02：52，該站監控系統發“#3機故障錄波裝置啟動 有效”，全廠有功在790～836 MW之間變化，#3機組有功功率在180～230 MW之間變化，#3機組調速器油壓裝置油泵長時間運行，運行值班人員立即向調度值班員匯報并申請停機。經同意后，電站運行值班人員將#3機退出AGC控制，逐步減負荷至160 MW時，監控系統發“#3機調速器事故低油壓 有效”，#3機事故跳閘，監控錄波曲線如圖1所示。

17：04，運行值班人員向調度匯報#3機有功功率異常變化情況并申請退出#3機AGC，中調調度值班員下令停#3機。

17：05：56，運行值班員退出#3機AGC控制、AVC控制，逐步開始減負荷至160 MW。

17：06：03，監控系統發“#3機調速器事故低油壓 有效” “#3機組觸發退全廠AGC功能 有效” “#3機觸發退AVC功能 有效” “#3機跳閘 有效” “全廠事故信號 有效” “#3機GCB（003） 分閘位置”等信號，#3機事故停機，全廠AGC、AVC退出運行。

2" " 處置過程

事件發生后，電廠立即組織開展故障分析，專業人員對調速器電氣控制回路及機械控制回路進行了全面檢查，未發現異常。

18：40，落下#3機筒閥，進行#3機調速器靜水動作試驗，檢查調速器在機械手動控制方式下開關導葉動作正常，調速器兩路導葉位移傳感器測量值正常且偏差在1%以內。

19：04，手動將#3機開機至水輪機狀態（非并網狀態），檢查調速器在機械手動控制方式下機組運行平穩，調速器兩路導葉位移傳感器測量值正常。

19：10，#3機保持在水輪機狀態，將調速器切至自動方式，檢查發現導葉開度出現異常擺動，調速器調節失穩，立即將調速器控制方式切至機械手動。

19：30，#3機保持在水輪機狀態，切換調速器A/B通道，將調速器切至電手動方式，檢查發現導葉開度出現異常擺動，調速器調節失穩，立即將調速器控制方式切至機械手動。

19：35，將#3機手動停機，電廠專業人員對調速器電調柜比例放大板、機調柜伺服比例閥及手自動切換電磁閥等元器件進行更換，開機檢查問題仍然存在。

21：00，電廠專業人員進行#3機調速器隨動系統測試，發現在外環測試條件下設定導葉給定階躍100%～80%，導葉調整至80%附近并發生異常變化，同時主閥位置反饋幾乎不動（最大0.66%，最小0.16%），初步懷疑主閥位移測量回路異常。外環測試曲線如圖2所示。

21：30，電廠專業人員對主閥位移測量回路進行檢查，并對主閥位移傳感器進行了更換。

22：40，電廠專業人員繼續進行#3機調速器隨動系統測試，分別在內環測試和外環測試條件下進行測試。調速器內環、外環測試過程中調速器控制跟蹤正常，主閥位置反饋信號正確，外環測試條件下導葉無異常擺動現象。

23：20，將#3機自動開機至水輪機狀態，監視#3機開機過程正常，在水輪機狀態運行正常，導葉動作平穩，控制過程正確，導葉無異常擺動現象。

次日00：10，向中調匯報事件調查結果并申請將#3機組歸調運行。

3" " 原因分析

調速器隨動控制系統有兩個閉環反饋環節，一個是由主閥位置反饋構成的內環控制，另一個為導葉位置反饋構成的外環控制，增益K0、K1、K2用于調整隨動系統控制的動態響應特性與穩定性。最終隨動控制系統輸出一路偏差控制信號作用于伺服比例閥來控制導葉開度，實現調速器的自動調節[3]。

水輪機調速器主閥位移傳感器的作用是采集主配壓閥活塞的位移，并將位移信號轉換為電氣信號，作為調速器隨動系統內環控制環節的反饋[4]。在調速器隨動系統控制系統中，由外環計算得到的主閥給定值與主閥位移反饋構成內環控制環節，內環控制環節輸出偏差調節信號至比例放大板，最終控制主配壓閥實現導葉的調節[5-6]。主閥位移反饋在調速器閉環控制環節中的位置如圖3所示。

由調速器隨動系統控制原理圖可知：

外環導葉偏差控制信號：ΔGV=K0×（GVRef-GVPos）；

內環主閥偏差控制信號：ΔGM=K1×（ΔGV-K2×GMPos）。

在此次事件中，由于主閥位移傳感器故障，主閥位置反饋出現死值（約等于0且基本保持不動）。當調速器接收到有功負荷設定指令時，調速器控制系統經過功率模式PID運算，將PID控制輸出至隨動控制系統環節，即給定一個新的導葉開度值。在外環控制環節，新的導葉開度給定值與導葉位置反饋值進行差值運算，并經過系數K0的調整，形成主閥位置給定值，進入內環控制環節。在內環控制環節，由于主閥位置反饋信號數據死值，內環控制實質已變成開環控制，造成電氣控制輸出超調，從而導致導葉超調。進入外環控制環節，因為導葉超調，外環控制環節輸出反向調節命令調整導葉開度，而在進入內環控制后，導葉反向調節又會超調，如此反復，造成導葉反復來回動作。最后，由于導葉動作頻繁，調速器油壓系統油壓下降過快造成事故低油壓動作，#3機事故停機。

#3機停機后，專業人員對兩臺調速器油泵進行了自動啟動打油試驗，油泵的打油效率均正常。根據停機前#3機導葉開度的變化曲線以及故障排查時水輪機空轉狀態下手/自動切換試驗來看，調速器主配壓閥頻繁進行大幅度的開關導葉操作，動作時已達到最大開度，且持續時間較長，造成短時間內調速器油壓系統油壓下降過快，即使兩臺油泵已啟動也未能維持油壓，從而引起調速系統事故低油壓動作。

4" " 治理措施

目前該站水輪機調速器控制系統為單主閥位移傳感器配置，存在調速器主閥位移傳感器故障造成機組異常跳閘的安全隱患。同時，#3機調速器主閥位移傳感器運行年限較長，設備發生老化損壞風險高。為了消除因調速器主閥位移傳感器故障而造成機組異常跳閘的安全隱患，在#3機調速器機械柜內新增一路主閥位移傳感器，實現傳感器冗余配置。

在#3機組A級檢修期間，在調速器系統中新增一路主閥位移傳感器，并更新調速器控制程序，增加雙路主閥位移傳感器故障切換邏輯，實現傳感器冗余配置。新增主閥位移傳感器和相關配件產品以及調速器控制器程序更新技術服務由調速器系統廠家提供。

5" " 結束語

此次事故原因是機組調速器主閥位移傳感器運行年限較長，設備發生老化損壞。在運行機組出力調整時，因傳感器損壞造成導葉超調，導葉頻繁異常擺動引起機組及全廠出力波動，最終機組事故低油壓跳機，是一起典型的水輪機調速器主閥位移傳感器異常造成水輪機非停事件，具有借鑒學習意義。

事件后，該站采取了新增雙路主閥位移傳感器、優化完善調速器程序等措施，經過測試檢查，雙路主閥位移傳感器動作靈敏，采樣偏差在正常范圍內，故障判斷準確，故障切換邏輯正確，故障切換造成的功率波動在可控范圍內。通過改進后兩年的運行實踐可知，相對單主閥位移傳感器配置，雙主閥位移傳感器配置有效提高了調速器系統安全運行的可靠性。

[參考文獻]

[1] 韓向陽，杜沅楓，王家璇，等.淺析某水電站調速器導葉位移傳感器反饋故障[J].四川水力發電，2023，42（增刊1）：130-134.

[2] 張曉輝，唐杰陽，逯俊杰，等.淺析水輪發電機組的調速器調節模式[J].水電廠自動化，2016（1）：39-41.

[3] 王小龍.淺談大朝山電站一次調頻與AGC協同控制參數優化方法[J].中國設備工程，2023（17）：137-139.

[4] 羅海龍.大朝山調速器油泵頻繁啟動原因分析及處理[J].水電站機電技術，2020，43（10）：52-55.

[5] 劉歡，常中原，盧舟鑫，等.向家壩電站調速器主配壓閥位移傳感器技術改造[J].中國農村水利水電，2020（2）：138-142.

[6] 李明.水輪機調速器主配壓閥動作異常案例分析[C]//2016年中國電機工程學會年會論文集，2016：1-4.

收稿日期：2024-07-15

作者簡介：龍凡（1989—），男，湖北荊門人，工程師，主要從事水電站運行與維護工作。