水轮发电机组微机电液调速器几次不常见故障分析探讨

2019-10-20张志高杨伟

科学导报·科学工程与电力 2019年3期

张志高杨伟

【摘要】本文主要介绍水轮发电机组微机电液调速器系统出现过的几次不常见故障检查及分析。随着计算机技术的飞速发展，水轮发电机组微机调速器也进行了快速的更新换代。高性能工控机和大量电子元器件的使用，在提高控制系统各方面的性能的同时，也很大程度增加了设备故障的排查难度，对设备检修维护人员的技能水平要求也越来越高。

【关键词】微机调速器；故障分析

引言

水輪发电机组调速器系统在机组自动控制环节起到至关重要的作用，除了能够完成机组自动开停机操作，调整机组有功负荷以满足电网运行要求外，还能在电力系统或者发电机组发生故障时实现紧急停机，有效避免事故扩大，维持电网和其他机组的正常运行。

目前国内外水轮机调速器系统微机控制技术都已较为成熟，其中微机电液调速器已成为大中型水轮发电机组首选调速器器类型，其电气调节部分应用现代控制理论与微电子技术相结合，基于可编程计算机控制器PCC和实时操作系统支持，能够普遍适用于混流式、轴流转浆式、抽水蓄能、冲击式和贯流式等类型水轮机发电机组的转速调节、有功功率调节。

相比起机械液压调速器来讲，虽然微机调速器有效解决了大电网、大机组对调节器提出的高灵敏度、高可靠性和高自动化程度的要求，但由于大量电气元器件的使用，在调速器装置出现故障时，也加大了专业人员分析处理故障的难度，对现场维护人员的技能水平也提出了更高的要求。这里简要介绍几起微机调速器系统不常见的故障分析及处理过程。

一、自动准同期装置改造后调速器多次并网失败问题

故障概述

2号机组检修期间，更换了自动准同期装置，参数设置与原自动准同期装置一致。在机组同期并网试验时，发现并网调节过程中调速器多次出现超调现象，最终调节超时，并网失败。经专业组人员检查发现该机组在空载至同期并网过程中，同期装置启动后，发出“增速（或减速）”脉冲信号至调速器电器柜时，机组转速存在来回波动现象，不能很好的跟踪电网频率，满足并网条件，最终导致并网失败。

调速器系统检查分析

查看调速器控制程序如下：

机组开机进入空载状态稳定运行后，如果没有收到外部增速（或减速）信号，将以0Hz的频差跟踪50Hz额定频率。即当机组转速偏离50Hz，调速器工控机即进行空载PID调节，以使机组转速恒定在50Hz。若空载时收到来自同期装置的增速（或减速）脉冲信号，则根据脉冲时间宽度，做出响应。

根据调速器系统程序设计，空载状态时，频率给定变化量由外部开入脉冲宽度决定，具体为（程序段一个扫描周期是20mS）。也就是说，如果调速器系统收到来自同期装置400mS宽度的脉冲，则频率给定变化量为400*0.005/20=0.1Hz。

综合分析

通过上述分析，结合故障现象，可以发现新更换的自动准同期装置参数“ ”设置与调速器系统不匹配，存在“一步调到位”的情况，而不是“逐次逼近型”调节，由于大中型水轮机组惯性大，这样就会造成超调现象，导致机组转速来回波动，无法跟踪电网频率，并网失败。

处理情况及效果验证

将同期装置的值，由原来的40修改为20，按照上面的理论计算，则在0.1Hz频差时，同期输出的脉冲宽度减半，为200mS。则调速器的频率调整幅度为0.05Hz，相比参数修改之前，每次调节频率步长为频差的一半，如此循环，逐次逼近。

参数修改后，做同期装置与调速器器联调模拟并网试验（解脱同期开出至机组出口断路器“合闸”信号接线），使用录波仪记录调节过程。经模拟试验验证，调节过程平稳，不再出现超调现象，三次模拟并网试验均成功。

二、程序漏洞导致复归故障时造成机组调相运行

故障概述

4号机组调速器系统改造投运后，某日，自动开机过程中系统报“调速器一般故障”，但自动开机正常，机组并网发电运行。专业人员接到设备异常检查通知后，现场查看故障情况，仅有“频率故障”，即点击故障复归按钮，故障复归后，4号机组导叶快速关至全关，机组进入调相运行状态。

调取调速器系统事故追忆曲线查看，发现在自动开机前，机组处于停机状态时，机组频率曲线出现了100Hz周期性的干扰，如下图1所示，开机后，频率稳定在50Hz。

为查找出故障原因，专业人员对调速器系统程序进行了全面检查分析，根据控制逻辑，调速器程序设计了五个状态：静止、开机、空载、发电、停机。其中，“开机态”和“停机态”仅是一个过渡状态，各种状态的转换关系及转换条件如下：

其转换顺序依次为：静止态开机态空载态发电态空载态停机态静止态。工况转换具有顺序性，不能越级。

“静止态”转入“开机态”的条件为：收到监控系统“开机”令；

“开机态”转入“空载态”的条件为：在“开机态”下，机组频率大于45Hz，或调速器从收到开机令开始计时，该时间大于设定的“开机限时”时间，均转入空载态。

“开机态”转“空载态”的第一个条件，采用频率判断是目前的通用做法，未加过多约束条件，主要考虑是使得调速器能够从开机顺利转入空载，降低这个环节启动的失败率。机组在实际启动时，转速是缓慢上升的，不会突变到90%。

“空载态”转入“停机态”的条件为：在“空载态”下，收到“停机令”，或导叶开度小于4%且转速小于15Hz，均转入“停机态”。

空载转停机，后一条判据采用开度和频率综合判断的目的是考虑到一种情况，即手动停机。当机组在空载时，若需要手动关闭导叶使机组停下来（多用于试验期间），这时调速器一般并不能收到“停机令”，即便机组已经停下来，但调速器工况还在“空载态”；这时，如果下次开机前将控制方式把手切换到“自动”，调速器将自动开启导叶到空载开度，从而出现异常。

“停机态”如要转入“静止态”需要同时满足两个条件：①收到监控系统“停机至电调”命令延时40秒；②导叶开度小于2%。

由此，结合故障录波曲线进行分析，4号机组在开机前调速器系统在A套运行，此时系统受到一个100Hz的频率干扰，且该干扰在收到“开机令”时一直存在，因此，4号机组调速器在收到“开机令”时，立即满足了状态转换的相关条件：静止态开机态（100Hz>45Hz满足）空载态，直接由静止态进入到“空载态”，而此时的空载态实际为一个假状态，因为导叶并未开启、机组并未旋转。因此立即又进行下一步状态转换“空载态停机态”（导叶开度小于4%且转速小于15Hz，注意上图中的频率干扰是脉冲形方波，0-100Hz之间来回跳变），所以A套控制器停留在“停机态”这一过渡状态，并报出“频率故障”、“一般故障”等告警信号。

由于上述这些过程的转换在程序里都是在毫秒级的时间内完成的，上述过程完成后，“开机令”脉冲并未结束。

随后，由于A套有一般故障，B套无故障，系统自动切到B套运行，切至B套控制器后，开机令仍然有效，而刚好频率干扰下降到0Hz的低谷，因此正常开机后并网发电运行。

维护人员现场检查，系统控制把手在A套位置，A套有一般故障，实际B套运行，点击故障复归按钮，此时，由于A套的状态还在“停机态”这一过渡状态，而故障复归后，A、B套均无故障，因此以把手位置为主，系统切到A套运行，继续完成“停机态”程序，导叶给定-2%，造成发电运行中导叶全关，机组调相运行。

处理情况及效果检查

经全面检查，发现干扰源来自调速器控制柜内部的频率信号处理模块，更换后，干扰源消失。另外，综合上述分析，发现程序存在不完善的地方，进行了如下优化：

在“开机态”转入“空转态”程序段中加入了等待导叶开启及频率上升的时间延迟。加入20s延时后，在这20s期间内，导叶开度能够开到空载开度16.8%左右，机组频率也会逐渐上升超过15Hz，此期间即使出现频率采样故障，由于导叶开度不满足小于4%这个条件，控制器也不会转入“停机态”。

通过程序优化，更换频率信号处理模块，进行了多次自动开机试验，结果均正常。

三、导叶传感器采样值漂移导致机组功率波动

故障概述

8号机组带固定负荷运行过程中，调速器系统导叶位移传感器1采样值出现缓慢漂移。实际导叶机械开度值约85%，调速器电气柜采集到的导叶传感器1开度会由85%缓慢漂移至100.3%，此漂移过程有时经过数小时，有时经过1-2天后突然复归，复归瞬间，导致机组功率波动。

故障检查分析

相关设备检查

经专业人员现场检查，当前导叶位移传感器1为主用，采样值为100.3%，查看导叶位移传感器2采样值为84.4%，水轮机室导叶位移机械标尺，实际开度为84.5%，与导叶传感器2采样值一致，因此，可以初步判定导叶位移传感器1采样回路或通道存在问题。但具体是传感器故障，还是信号回路受干扰，或是模拟量通道存在问题，还需进一步检查分析。

8号机组调速器系统安装有2套导叶位移传感器，双重冗余，互为备用，当两套传感器信号品质均正常（传感器输出电流在4-20mA范围内）的情况下，系统默认导叶位移传感器1主用，只有当导叶位移传感器1测点“品质坏”（即输出电流小于4mA，或者大于20mA），系统才会判断导叶传感器1故障，并将导叶采样主用信号切换至导叶传感器2。由于导叶位移传感器1采样值不稳定，存在漂移情况，但输出电流还在4-20mA范围内。因此，系统不会判定为传感器1故障，不会自动切换到传感器2运行。

功率波动原因分析

8号机组带负荷运行时，当前水头下，正常导叶开度为84.5%。而当前导叶传感器1主用，且存在问题，导叶开度值会缓慢的从84%逐渐变化到95%，甚至100.3%。这个缓慢变化的过程中，由于采样值（如100.3%）与115MW负荷所需给定值（84%）发生了偏离，即反馈大于给定，此时调速器系统会发“关”导叶命令，关闭速度与传感器1采样漂移速度一致，但方向相反（即开度往大方向漂，调速器发关导叶命令），而由于8号机组带115MW固定负荷，因此，导叶缓慢关闭会导致负荷不足115MW，一旦累积的功率缺口超過调节死区1.2MW，此时，8号机监控系统PID调节即发“有功增”脉冲，将导叶给定值调大，保证有功115MW恒定，如此多次调节，始终保证导叶反馈与导叶给定一致，最终结果就是导叶1反馈漂移到100.3%，导叶给定也会调整到100.3%，这样才能保证机组出力不变。

漂移过程持续数小时或1～2天后，在某一时刻，导叶1采样突然恢复正常（100.3%突然变回84.5%），此时，调速器并没有收到监控“功增”或“功减”命令，给定还是100.3%，而反馈仅仅只有84.5%，调速器会认为没有调到位，因此会往100.3%这个目标值发令开导叶，所以导叶快速打开，机组功率突增，大于115MW，而随即监控PID检测到功率偏离115MW，即发“有功减”脉冲信号将导叶关小，直到负荷稳定在115MW。

导叶传感器1回路检查

经过进一步检查，发现导叶位移传感器1接入的一个菲尼克斯信号转换模块存在问题，该模块的作用是将传感器输出的4-20mA电流信号，转换为2-10V电压信号，输出至PCC工控机。测量导叶位移传感器1输出电流为16.49mA，但信号转换模块输出电压为9.48V；而导叶位移传感器2输出电流为16.52mA，信号转换模块输出电压为8.27V。

因此，综合以上检查分析，可以锁定，问题出在与导叶位移传感器1连接的信号转换模块上。

处理方法及效果检查

由于机组处于发电运行状态，不具备更换信号转换模块的条件，因此采取临时措施，将导叶位移传感器1隔离，调速器系统检测到传感器1信号品质坏，自动切换到导叶传感器2运行。

导叶传感器1隔离后，观察运行一周，8号机组运行稳定，没有再出现过功率波动情况。

结束语

本文所叙述的这几次微机调速器故障属于不太常见的故障，相比较一般典型故障来讲，故障原因相对复杂，检查分析的难度也比较大，本文旨在探讨对于调速器不同故障的一般检查分析步骤和处理方法。

参考文献：

[1] 徐睦书.水电站自动化[M].北京：中国水利水电出版社.1998，5

[2] 沈祖诒.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社.1997

[3] SAFR-2000H水轮机调速器说明书[Z].南京：国网南京自动化研究院.2016.10

作者简介：

张志高：男，河南长葛人，2006年7月毕业于武汉大学，工程师职称，长期从事水电厂电气二次设备运行、维护、检修及技术管理工作，具有丰富的现场设备检修、维护、改造和设备管理经验。