抽水蓄能电站机械制动系统缺陷分析与改进

陈晨

摘 要：仙游抽水蓄能电站自投入运行以来，由于设计和产品缺陷，机械制动系统故障频发，对机组的安全可靠运行产生了较大的影响。通过对缺陷的分析、研究、改进，提升了机组运行的稳定性，确保了设备安全。

关键词：机械制动；缺陷；改进

中图分类号：TV743 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0198-02

1 引言

抽水蓄能电站运行灵活、反应迅速，在电力系统中发挥着调峰、填谷、调频、调相、事故备用和黑启动等重要作用。福建仙游抽水蓄能电站位于福建省莆田市仙游县西苑乡半岭村，电站总装机容量1200MW，设有四台单机容量300MW的可逆式水泵水轮发电机组，为周调节抽水蓄能电站。

2 设备情况

仙游抽水蓄能电站发电电动机为立轴、悬式、可逆式同步电机，额定转速428.6转/分钟。机械制动器安装在發电机下机架上，每台发电机配置8个制动闸，制动闸采用压缩空气作为作为强迫制动的能源，其工作压力为0.7-0.8MPa。退出制动闸时，顶起电磁阀失电，顶起腔排气，同时复位电磁阀得电复位腔充气，制动闸退出，制动闸顶起位置开关复归，制动闸落下位置开关动作；投入制动闸时，复位电磁阀失电，复位腔排气，同时顶起电磁阀得电，顶起腔充气，制动闸投入，制动闸顶起位置开关动作，制动闸落下位置开关复归。

3 缺陷分析与改进

自电站投入运行以来，由于设计和产品缺陷，机械制动系统故障频发，影响了机组的安全可靠运行，同时也耗费了大量的人力、物力。本文选取几个典型故障，对其产生的原因和改进的措施进行分析、研究。

3.1 机组带机械制动开机

3.1.1 故障描述

2014年07月31日，电站接省调命令开3号机发电，19时00分26秒上位机发出3号机组发电令，19点01分52秒上位机收到“3号机组发电机火灾报警”信号，19时02分02秒上位机收到“3号机转速大于95%”信号，19时02分03秒上位机收到“3号机组制动闸顶起 是”、“3号机组机械刹车异常动作跳机”及“3号机组机械跳闸动作”信号，3号机组事故停机。现场检查发现3号机组发电机火灾报警系统发出声响报警，风洞外围烟尘弥漫。

3.1.2 问题分析

（1）机组带机械制动开机原因分析。检查发现送至监控系统DI模块的“制动闸落下”信号，在7月30日08时55分04秒后至31日19时3号机开机时始终存在。由于此信号的存在，监控系统水轮机工况转发电工况步序中的S6-3步序的反馈条件提前满足，使得该步序退制动闸命令“SEQ；CMD.MBK.OFF.S6.3”未发出执行，以致在实际机械制动器未退出的情况下，进入S6-4步序，发出调速器水轮机开机令，打开水轮机导叶，最终造成机组带机械制动开机。（2）“制动闸落下”信号误动原因分析。现场检查发现3号机组制动柜制动闸复位监视的ZDX-C型制动器位置信号装置故障，而监控系统的“制动闸落下”信号取自该信号装置的常闭接点。当装置发生故障时，其常闭接点闭合，致使“制动闸落下”信号一直存在，误送至监控系统。（3）“机械刹车异常动作跳机”异常分析。监控系统跳闸程序中设置有当机组运行时机械制动异常投入触发跳机的保护。其跳机逻辑为：当机组转速大于25%额定转速且收到“制动闸顶起”信号时，上位机发出“机械刹车异常动作跳机”信号，机组机械跳机。此次事件发生时，制动闸顶起监视装置未输出“制动闸顶起信号”，使机组在25%额定转速时未能机械跳机；直到当机组转速达到95%额定转速时，监控系统才收到“制动闸顶起”信号，而机械跳机。（4）“制动闸顶起”信号异常分析。通过检查发现，“制动闸顶起”信号直到95%额定转速时才收到的直接原因是由于有1个制动闸的制动闸顶起位置开关异常所致。该顶起位置开关起初处于临界状态而未动作，随着机组转速的增大，带制动闸启动的机组振动也逐渐增大，直到95%额定转速时，该顶起位置开关因振动突破临界状态而动作，才送出“制动闸顶起”信号。

另外，根据设计思路，只要有一个制动闸顶起，制动闸顶起监视装置即应输出“制动闸顶起”信号，而实际结果是，只有收到全部8个制动闸的顶起信号后，装置才会输出“制动闸顶起”信号。因此，机组在25%额定转速时由于有一个制动闸顶起位置开关的信号没有收到，而未能机械跳机，使事件影响进一步扩大。检查发现，机组制动柜制动闸顶起监视装置的内部逻辑存在错误，与设计要求不符。

3.1.3 改进措施

（1）制动闸复位监视装置的“制动闸落下”信号输出采用常闭接点，在装置故障时常闭接点闭合误发“制动闸落下”信号，是本次带制动闸开机的直接原因；而制动闸顶起监视装置的“制动闸顶起”信号同样采用常闭接点，在装置故障时常闭接点闭合也会误发“制动闸顶起”信号，可能造成机组误跳机，存在安全隐患。因此，对机组制动柜ZDX-C型制动器位置信号装置内部程序进行修改，使输出信号取自常开接点，确保出现装置故障时，信号装置不会误发“制动闸落下”或“制动闸顶起”信号。（2）对制动闸顶起监视装置的内部逻辑进行修改，使8个制动闸顶起位置开关常开接点中的任一个动作时，装置即能发出“制动闸顶起”信号。以确保机组运行过程中，机械制动异常投入跳机保护的可靠性。（3）鉴于制动闸信号完全取自制动器位置信号装置存在较大的安全隐患，增加从8个制动闸位置开关直接引出接点到发电机远程I/O柜中。将8个制动闸落下位置开关常开接点串联输出一个“制动闸落下”信号，8个制动闸顶起位置开关常开接点并联输出一个“制动闸落下”信号，两信号送至发电机远程I/O柜的DI模块中，参与监控程序控制，提高制动闸位置信号的可靠性。（4）完善监控程序存在的漏洞。原监控程序中S6-3步序只要预先收到了“制动闸落下”信号，就不会发出退制动闸的命令“SEQ；CMD.MBK.OFF.S6.3”。由此，当收到了“制动闸落下”的假信号时，即造成了不应有的后果。所以，针对此情况，对该步序程序进行修改，不论是否收到“制动闸落下”的信号，均发出一次退制动闸的命令，通过程序上的冗余，来减小事故发生的概率。（5）增加非同源判据，增加判断的正确性。由于监控程序原先只靠位置开关信号，来控制、判断制动闸的投、退。为进一步确保设备运行的正确可靠，在监控程序中引入制动闸投入腔压力信号，与制动闸位置信号相互比较、判断，以提升机组运行的安全性。（6）投入振摆跳机功能，进一步确保机组安全。电站投运后，机组状态监测系统已实现了对机组上机架、下机架、顶盖振动，上导、下导、水导摆度，抬机量等的监测。但由于该系统运行还不稳定，出于防止误动的考虑，仅投入了报警功能，这也使本次事件发生时未能通过振摆监测系统跳机。近期，通过对设备的升级、更新，机组状态监测系统运行已稳定可靠，相关的报警、跳机功能已投入使用，进一步提升了机组运行的安全。

3.2 位置开关信号不可靠导致开机条件不满足

3.2.1 故障描述

四台机组投入运行以后，相当长的一段时间内均频繁出现制动闸顶起、落下位置开关动作不到位的情况。在机组正常开、停机的过程中由于收不到应有的信号，造成了机组的开、停机的异常，影响了机组服务的及时性和可靠性；同时，频繁的处理这些出现的缺陷，也耗费了电站运维人员的大量精力。

3.2.2 问题分析

通过检查、分析，造成制动闸顶起、落下位置开关频繁出现动作不到位情况的原因有两个方面：

（1）制动闸位置开关的挡块加工存在缺陷，挡块位置的调整余量太小，不利于将挡块调整到适合的位置。（2）位置开关选型存在问题。机组设计使用的制动闸位置开关为旋转摆杆型行程开关，其要求动作行程较大，而制动闸实际的工作行程较小，无法可靠的满足旋转摆杆型行程开关的行程需求，使行程开关时常处于临界状态。因此，在运行过程中，频繁出现制动闸顶起、落下信号收不到的现象。

3.2.3 改进措施

（1）对制动闸落下位置开关的挡块进行重新加工，將固定螺杆的圆孔改造为腰型孔，以增大制动闸落下位置开关的调整余量，便于将挡块调整到适合的位置。（2）对位置开关进行重新选型，选取了OMRON D4A-4509N型的顶部柱塞型位置开关。其可靠动作行程与制动闸实际动作行程匹配良好，更换后位置开关动作准确、可靠。（3）由于OMRON D4A-4509N型行程开关的位置、尺寸与原位置开关不同，无法直接安装在制动闸本体上；因此，设计制作了新的位置开关固定底板，对行程开关进行固定。同时，对原制动闸顶起的挡块进行改造，使之满足OMRON D4A-4509N的动作要求。

3.3 开机过程中制动闸卡涩导致开机失败

3.3.1 故障描述

3#机组停机转发电过程中，由于4号制动闸存在卡涩无法正常退出，使得机组监控流程无法收到“制动闸落下”信号，致使开机超时失败。

3.3.2 问题分析

通过对4号制动闸进行解体检查，发现其制动腔、复位腔、活塞、衬套等部件锈蚀较为严重，特别是衬套与顶起活塞杆之间的锈蚀是造成该制动闸无法正常退出的主要原因。在对各部件进行清洗、打磨并更换密封圈后，进行装配，动作试验正常，制动闸正常投退。

3.3.3 改进措施

（1）针对由于压缩空气中含水分较多，导致制动闸出现严重锈蚀的问题。首先，定期对两台低压气机出口的汽水分离器进行清污处理；其次，定期对机组制动柜中的汽水分离器进行清污处理；还有，增加低压制动储气罐的排污频次。通过多种针对性措施，尽可能的减少压缩空气中的水分。（2）在机组检修期间，从制动闸的制动及复位进气口处注入少量透平油进行润滑，以改善各活动配合面的运行状况。（3）加强对制动闸投、退动作的监测，及时发现制动闸的设备缺陷并进行处理。

4 实施效果

在实施了上述一系列的技术改造和防范措施后，机组机械制动系统故障出现频率显著降低，未再出现导致机组事故停机以及非计划停运的严重故障，机械制动系统运维的工作量和成本也得到了降低，机组运行的稳定性、可靠性取得了明显的提升。

5 结语

机械制动系统是抽水蓄能机组的重要辅助设备，在机组的启、停以及工况转换过程中，发挥着重要的作用。本文针对仙游抽水蓄能电站运行几年来出现的一些问题和缺陷，进行分析、研究，总结了一些行之有效的改进和防范措施，对同类机组的运行维护工作具有一定的参考意义。

参考文献

[1]刘鹏龙，霍献东，常东亮.大型抽水蓄能机组机械制动系统控制设计[J].水电与新能源，2017（5）：20-28.