基于趋势分析的水轮机调速器电气故障分析

卢舟鑫，涂 勇，常中原，雷 龙

(中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川 宜宾 644612)

某水电站水轮机为立轴混流式水轮发电机组，单机容量为800 MW。该水轮发电机组调速系统控制核心为能事达电气有限公司生产的MGC5000系列型微机调速器，并采用高性能双微机冗余控制，比例阀+步进电机双调节型调速器进行机组控制。

基于在线监测功能的软件有海泰HOMIS机组监测系统、SMA2000水电厂状态监测分析系统、H9000状态监测分析系统等[1]。该水电站的机组趋势分析系统采用北京中水科水电科技开发有限公司开发的SMA2000水电厂状态监测分析系统，SMA2000系统采用B/S与C/S混合结构，融合了B/S与C/S结构的优点，较好地解决了单独采用B/S或C/S结构时的固有缺陷[2]。该系统可以完全满足不同用户的需求，能够及时发现设备可能存在的隐患，为检修决策与故障分析提供技术依据，并对历史数据库记录的大量设备运行状态数据进行分析和追忆，可为设备检修提供丰富的状态信息，能够很好地满足水电站运行监视与事故分析的实际需要。

1 故障现象

某日，某水电厂1号机组正在进行调速器孤网逻辑功能动态试验，在机组并网带孤网调节试验结束后，解除强制输入调速器并网信号时，调速器进入空载运行态，此时机组导叶出现异常快速关闭，机组转速快速下降，机组励磁系统灭磁，10 kV 1 M厂用电失压，左岸10 kV 1 M备自投未动作等一系列异常现象。

2 故障分析

2.1 故障过程描述

孤网调节试验前，某水电厂1号机组带200 MW左右负荷运行，导叶开度y为26.6%，调速器手动投入孤网运行模式，此时已强制输入调速器并网信号。

1)如图1所示，开始进行孤网调节试验，全部断开GIS串内开关，1号机组甩200 MW负荷，只带厂用电10 kV 1 M运行，机组出力几乎变为0 MW。由于已强制输入1号机组调速器并网信号，1号机组调速器处于负载运行态，由图1可以看到，负荷的突然减小导致机组转速开始快速上升，转速上升最大值为106.8%的额定转速，该转速导致频差值越来越大，PID模块输出的导叶给定值yPID快速减小，导叶开度y随之迅速减小，输入PID模块的开度给定值yc保持不变，为26.449%。

调速器程序中，当调速器处于负载孤网模式时，输入PID模块的开度给定值大于PID模块输出的导叶给定值5%的开度时，输入PID模块的开度给定值会以每秒1%的开度衰减速度自减。

图1 故障前各参数概览趋势图(1)

2)由图2可知，机组甩负荷后，机组频率和导叶开度值逐渐恢复稳定，此时输入PID模块的开度给定值yc为22.699%，PID模块输出的导叶开度给定值yPID保持10.469%不变。

图2 故障前各参数概览趋势图(2)

根据调速器传递函数结构简图，如图3所示，稳态时PID模块此时的综合输入量为0，PID模块输出的微分量和比例分量为0，从而可以计算得出PID模块输出的积分残量为：yI=10.469-22.699=-12.23

3)随后，试验人员断开了调速器的强制输入并网信号，调速器随即进入空载状态。此时如图4所示。

图3 调速器传递函数简图

图4 故障后各参数概览趋势图

机组导叶开度迅速关闭，导叶开度几乎全关。

2.2 故障原因分析

调速器完成孤网动态甩负荷试验后，其PID模块输出存在积分残量值-12.23，当调速器进入空载状态时，输入PID的开度给定值yc被重新赋值为根据当前水头查表计算得的空载开度值10.67%，且保持不变。由于PID模块输出的比例、积分、微分分量不会突变，因此进入空载状态的瞬时时刻，PID模块输出的导叶开度给定值为yPID=10.67-12.23<0，由于yPID值不能小于0，所以yPID值置为0，并作用于液压随动系统，导致机组导叶开度迅速关闭，导叶开度几乎全关[3-4]。

3 故障处理

目前该水电站调速器进行开度模式、功率模式和孤网模式相互切换时，以及空载态和负载态相互切换时，PID模块的积分环节均未清零。一般情况下，进行模式切换时，PID模块输出的积分分量都不是很大，但在某些特殊情况下，调节目标的静差会长期存在时，PID模块输出的积分分量就会很大，这个时候进行模式切换时，PID模块输出的导叶开度给定值就会有较大扰动，进而导致负荷剧烈波动。

基于上述情况，对调速器程序逻辑进行优化，即进行模式切换时，将输入PID的开度给定值赋值为当前导叶开度值，同时清除PID积分残量，减小模式切换的扰动。

4 结 语

在上述故障分析过程中，主要用到的监测信号包括：导叶开度值、导叶开度给定值、PID模块输出导叶开度值、机组功率等。通过趋势分析软件，对各环节参数值进行分析比较，对故障原因进行快速定位，并在故障发生数天后，设备维护人员仍能够通过趋势分析系统对历史数据库记录的大量设备运行状态进行数据分析和追忆，确保故障处理的有效性和准确性对于水轮发电机组的设备运行维护重要作用与实际意义。