单导叶接力器导叶不同步原因分析及故障处理

王 慷，黄中杰

（1.中国南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东 广州 511400；2.中国南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东 广州 510950）

单导叶接力器导叶不同步原因分析及故障处理

王 慷1，黄中杰2

（1.中国南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东 广州 511400；2.中国南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东 广州 510950）

广州抽水蓄能电厂二期的水泵水轮机为高水头、大容量、高转速的混流式可逆机型。采用单导叶结构可以简化导水机构布置，提高单个导叶的可控制性。经多年检修经验得知，导叶不同步故障是导水机构故障的主要原因之一，从多个方面分析了导叶不同步故障的原因及解决方法，对导叶不同步故障的原因分析及处理有一定指导意义。

抽水蓄能电厂；导叶不同步；导叶开度曲线

0 引言

广州蓄能电厂（以下简称“广蓄”）位于广州从化境内，总装机容量2400MW，分A、B厂两期建成，每期装机1200MW，共安装8台300MW的可逆式水泵水轮发电电动机组。电站设计水头535m，机组额定转速500r/min。其中A厂4台机组的调速器采用控制环结构控制；B厂4台机组采用单导叶接力器控制。相比控制环控制结构，单导叶接力器控制更加灵活，但同时投资更大、故障发生率增大、检修工作量增加。其中导叶不同步故障就是单导叶接力器故障中常见的一种，2005年以后经过技改，增加了一套调速器导叶监视系统，用以记录监视导叶控制各个环节。同时还增加了导叶不同步报警跳机装置，导叶不同步达到2%时发出报警信号，不同步率达到3%时跳机。

1 广蓄B厂单导叶结构介绍

广蓄B厂调速器为单导叶控制，共装有20个接力器和20个电液转换器及20个反馈装置，单导叶控制的特点有：

（1）单导叶由单独接力器控制，导叶可设计为自关闭趋势；

（2）每个导叶直接与接力器连接，具有液压缓冲作用，任何情况下导叶不会失控旋转，不需限位或制动装置；

（3）结构精简，不需控制环，剪断销保护机构，限位装置等，顶盖上方空间阔，便于安装和维护；

（4）接力器的操作力矩始终受到调速器油压系统的压力限制，使导叶保持在控制之下，不需要制动断销保护；

（5）故障概率加大，检修工作量较大。

1.1 PLC控制单元

广蓄B厂导叶控制机构原理图见图1，调速器单元共有3个PLC组成，其中PLC1和PLC2互相备用，在任何情况下均可对其中之一进行检修且不影响机组正常运行。PLC3完成单导叶控制，从PLC1和PLC2及反馈机构接受信号来控制VCA3放大卡。

图1 导叶控制机构原理图

1.2 放大单元

单导叶接力器由控制系统现地可编程控制器PLC3、输出放大器VCA3与20组单导叶控制机构组成。PLC3将计算出的导叶开度传递给接力器的放大单元VCA3卡中，VCA3卡将接收到的信号转换为0～300mA的电信号传递给电液转换器来控制接力器开启关闭行程。

1.3 执行单元

由20个接力器分别驱动20导叶，接力器全行程262.5mm，压紧行程1.7mm；

导叶全开时转角为26°，控制电流4～20mA，全开时间25s，全关时间38s，采用一段关闭规律。

2 导叶不同步的危害

机组导叶开启关闭不同步时导致机组各个导叶开度不统一，蜗壳内压力水不能均匀对称的进入转轮，转轮四周压力不同，导致水力不平衡，加剧机组的振动和摆度，同时也加剧了机组的汽蚀，使机组寿命大大减短[1]。

而同时大型水轮发电机组因为水力振动引起的机组稳定运行问题越来越多，主要有运行时间不长，转轮就出现严重裂纹；部分负荷下尾水管内出现涡带，引起水流压力脉动导致机组摆度加剧；厂房振动加剧，影响机组安全稳定运行；与固定部分碰撞，瓦摩擦加剧，瓦温升高[2]；加剧机组摆度等。机组摆度较大的危害主要有导瓦摩擦加剧，瓦温升高严重；导致发电机空气间隙不均匀，电磁振动加剧；水轮机各个方向水力不平衡加剧，加剧机组振动[3]等。

3 导叶不同步故障现象及故障原因分析

3.1 机械原因

3.1.1 导叶轴套卡塞

导叶启闭过程中由于导叶制造及安装误差，致使导叶轴在套筒内旋转时各个方向间隙不一，发生偏磨，加大导叶启闭摩擦力矩，导致导叶启闭需要更大力矩引起导叶启闭不同步。当导叶发生与轴套卡塞时可以从导叶开度曲线上明显看到故障导叶开度落后，当导叶卡塞严重无法动作时，在其他导叶开度达到设定值时故障导叶仍停留在卡塞位置；当导叶卡塞较轻微可以克服时，在卡塞时故障导叶开度落后于其他导叶，在客服卡塞后，由于反馈作用，故障导叶开启速度加快。

图2、图3为机组正常启动时导叶开度曲线，不同步率小于0.5%。图4、图5为2013年3月广蓄7号机组启动时监控系统接到报警信号，显示19号导叶不同步率超过2%，10号导叶不同步率接近1%。从导叶启闭曲线可以看出，10号和19号导叶在开启初期落后于其他导叶启闭开度，在导叶即将全开时导叶开启速度迅速加快。根据曲线分析，在导叶开启过程中某点发生卡塞，在力矩加大度过卡塞点后导叶开启速度加快，因此判断为轴套卡塞，根据检修中导叶拆解确定故障原因为中轴套和上轴套偏磨严重导叶卡塞。

图2 导叶开启正常时开度差曲线

图3 导叶开启正常时开度差曲线

图4 导叶开启不同步时开度差曲线

图5 导叶开启不同步时导叶开度差曲线

3.1.2 抗磨板及止推环卡塞导叶及导叶轴

在机组运行过程中，由于导叶上下断面间隙不均匀以及水浮力等原因，导叶有向上窜动的趋势，当导叶上移到一定高度后，止推环被顶起与止推环压板摩擦，从而增加导叶启闭摩擦力矩。机组运行中止推环磨损，当止推环间隙大于或等于导叶上端面间隙时，导叶上窜时不仅导致止推环与止推环压环摩擦，而且导致导叶摩擦上抗磨板，从而增加导叶启闭力矩，致使该导叶启闭不同步。

发生此故障时，可以从导叶开度及控制电流曲线上明显发现某导叶曲线异于其他导叶曲线。在蜗壳排水后，通过观察和测量导叶上端面间隙及止推环磨损量、止推间隙即可确定导叶上端面是否与上抗磨板发生卡塞及止推环与止推环压环发生卡塞。在2006年6月至8月广蓄B厂8号机曾因为此故障导致6次发电工况启动失败。

3.2 控制系统故障

3.2.1 PLC信号未正常发出

根据图1单导叶控制结构示意得知，PLC3可编程逻辑控制器向VCA3电流放大卡传递开度设定值及开度平均值。如若PLC控制信号为正常发出，在电流放大卡VCA3中则没有电流信号，此时检查导叶控制电流曲线应没有曲线存在。

此外，广蓄B厂PLC3卡为公用卡，PLC3向20个电流放大卡发送开机信号且设定开度相同，故不会有逻辑错误导致各个导叶电流放大卡接收到不同导叶开度信号的情况发生，如若出现此故障则有可能是线路连接松动及电路干扰等原因，此时自动化人员对PLC进行试验即可发现故障并解决。

正常机组运行中PLC出现硬件及逻辑故障的概率极小，一般不认为PLC故障是导致导叶不同步的主要原因。

3.2.2 VCA3电流放大卡故障

广蓄B厂调速器控制系统中PLC1、PLC2、PLC3均为公用卡，采用电压并联方式送至20个VCA3卡中，控制电流大小决定电液转换器阀芯上升量，决定油口开度，导叶启闭速度越快，其VCA3卡中控制电流越小；导叶启闭速度越慢，其VCA3卡中控制电流越大；若导叶停滞不动则其控制电流达到最大值，即导叶启闭速度与控制电流成反比。发生导叶不同步故障后，根据当时导叶控制电流曲线，依据各个导叶控制电流值的不同来分析导叶的不同步故障，当某个导叶控制电流明显大于或小于其他导叶控制电流，则认为该电流放大卡故障，电流放大卡故障后导叶将失去控制。

图6和图7为广蓄7号机组在发电工况和泵工况启动过程中导叶控制电流曲线，两组曲线均为正常情况下导叶开启曲线，由于采取闭环控制，电流大小不仅决定了导叶启闭速度也反映了导叶开启情况。如果某个电流放大卡发生故障则该导叶失去控制后控制电流曲线将消失或者出现无规律大波动[4]。

图6 发电工况下导叶控制电流曲线

图7 抽水工况下导叶控制电流曲线

3.2.3导叶反馈传感器故障

当导叶不同步报警时，控制系统最有可能发生的故障即为导叶位置反馈传感器故障，发出错误导叶开度信号。

当反馈传感器反馈错误的导叶开度信号，会引起报警甚至跳机。导致反馈传感器误差增大的原因有振动导致传感器部件松动和传感器电子元件损坏。因此通过对传感部件紧固后做静水启闭试验，若故障现象还存在则证明与传感器部件松动无关；再校验传感器反馈信号，如果校验结果不符合要求，则证明位置传感器存在故障，需要更换。

3.3 油系统故障

3.3.1 接力器油缸漏油

在导水机构工作过程中，接力器油缸油液渗漏是造成导叶开启不同步的原因之一。接力器端盖在长时间使用过程中由于振动等原因导致端盖密封损坏，接力器油缸内有压时少量油液从端盖露出，由于油的可压缩性小，少量的漏油会使接力器压力腔压力下降明显，从而导致受力面压力下降，接力器活动速度减慢造成导叶启闭不同步。当端盖漏油现象比较明显，发生导叶启闭不同步时，对接力器两腔封闭后进行打压并使用录波器录油压曲线，根据曲线上压力降低速率可判断接力器密封情况，确认故障后更换泄露处盘根。

3.3.2 电液转换器、主配压阀或者接力器进油管路故障

电液转换器及主配压阀故障是导致接力器不同步导致导叶启闭不同步的主要原因。电液转换器、主配压阀的油路堵塞是导致接力器高压腔压力下降的原因之一；此外，主配压阀单边遮程过大（导叶开启活塞动作方向）会使主配压阀油口提前打开，使该接力器进油早于其他接力器，压力上升快于其他接力器，导叶开启速度较快；同样当主配单边遮程（导叶开启活塞动作方向）过短时，该接力器比其他接力器晚动作，导叶开启速度较慢。电液转换器堵塞时，压力油进入电液转换器速度较慢，该导叶电液转换器下方的主配压阀控制压杆拉起慢于其他导叶，主配压阀油口开启较慢，接力器进油量小于其他导叶接力器，导叶开启慢于其他导叶；而主配压阀及管路堵塞时，进油速率变慢，接力器开启腔压力上升较慢，导叶开启速度较慢。

当主配压阀单边遮程过大时，导叶开启曲线上，从零开度开始，该导叶开度曲线领先于其他导叶开度曲线；而当主配压阀单边遮程过小时，导叶开度曲线上从零开度开始，该导叶开度曲线落后于其他导叶开度曲线；当主配压阀堵塞时，该导叶开度曲线与其他导叶开度曲线从零开度开始慢于其他导叶且由于进油量小，该导叶开度曲线斜率小于其他导叶；导叶电液转换器堵塞时，曲线与主配压阀单边遮程较小（导叶开启活塞动作方向）时相同。

电液转换器、主配压阀及油路堵塞的原因主要为油液过脏，只需清洗电液转换器、主配压阀及管路，为了保障运行效果需要对调速器油进行过滤，同时清洗调速器油过滤器。而主配遮程不合适时需要对电液转换器压杆进行调节，通过电液转换器压杆控制主配压阀阀芯位置，使油口两边遮程处于合适范围内，避免遮程不均匀造成接力器动作不同步。

3.3.3 接力器活塞密封损坏，接力器启闭腔漏油

接力器活塞损坏是在检修中常出现的故障之一，广蓄B厂接力器密封为矩形盘根密封，运行中由于外力振动及油液过脏均有可能使活塞密封损坏，从而使接力器高压腔和低压腔之间漏油。导叶开启时，接力器开启腔压力大于关闭腔压力6MPa，达到设定开度后导叶两腔压力趋于平衡，使导叶开度固定在某一开度。而当接力器密封损坏后，接力器高压腔和低压腔压力达到平衡要快于其他接力器，接力器两腔压差较小，导叶开启速度慢于其他导叶。通过比较接力器高压腔和低压腔压力平衡曲线即可发现该故障，发生故障的接力器压力达到平衡时间明显短于其他接力器压力平衡时间，如图8、图9所示。检修时当活塞使用金属密封时需要对接力器活塞进行修补或更换，使用盘根密封时打开接力器更换盘根，即可排除该故障。

图8 活塞密封故障时两腔压力曲线

图9 活塞正常时两腔压力曲线

3.3.4 接力器活塞与油缸壁卡塞

安装时导叶接力器安装水平度不符合要求，致使运行中导叶接力器活塞与活塞缸卡塞摩擦力矩加大，使导叶启闭力矩加大，导致导叶启闭不同步故障。

当导叶不同步报警信号发出后，测量报警导叶的水平度及拐臂与连杆角度即可确定接力器位置是否满足要求，水平度等不符合要求时，即可打开接力器观测活塞与油缸摩擦情况。

4 结语

单导叶接力器相比于控制环操作机构有诸多优点，便于实现智能控制从而获得良好的动态特性和静态特性。但是，单导叶接力器较高的故障率是单导叶接力器全面推广的一大难题，导叶不同步故障是单导叶接力器常出现的故障，准确快速的检查出导叶不同步故障原因及制定检修计划是提高导叶不同步故障的检修成功率的重要环节，而提高检修成功率是维护机组正常安全运行重要支撑。本文对多种导叶不同步故障的原因分析在电厂检修实践中得到了验证，对导叶不同步故障原因的分析及检修有一定的指导和借鉴意义。

[1]彭煜明，袁丰江.抽水蓄能机组单导叶控制不同步故障分析与处理[J].机电与金属结构,2011,37（09）：61-64.

[2]何少润.导叶不同步装置在天荒坪抽水蓄能电站的应用[J].水力发电学报，2002,78(03):88-100.

[3]钱忠东，郑 彪，杨建东.不同步导叶对水轮机压力脉动的影响[J].武汉大学学报（工学版），2008,41（06）：51-54.

[4]李福尚.250MW抽水蓄能机组单导叶接力器及其控制系统分析[J].电站系统工程，2008，24（06）：43-54.

TV734.4

B

1672-5387（2015）S-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.007

2015-10-23

王 慷（1991-），男，助理工程师，从事水电厂机械检修工作。