非对称冗余调速器切换阀故障分析与研究

陶文莉，郝 辉，马 波，艾远高

（三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

水电厂的安全稳定运行，与每个机电设备的良好性能有着重要关系。调速器作为水轮发电机组的重要控制系统，其安全稳定运行有着重要意义。切换阀是调速器液压系统的重要组成部分，其用于实现冗余调速器的液压油路切换，从液压回路上保证机组实现冗余控制器及手/自动方式之间的无扰切换。在调速器液压回路中，切换阀一般不做冗余配置，故对切换阀工作状况进行监视，及时发现切换阀故障，显得尤为重要。

1 非对称冗余调速器结构

某电站机组调速器电气部分采用双套控制器，电液转换执行机构为比例阀+步进电机自复中机构相结合的双套独立电液转换通道，两个通道相互间完全独立，互为备用，采用切换阀实现液压回路之间的切换。其中，切换阀为单线圈驱动，弹簧自复位。如图1所示为某电站机组调速器结构图。

图1 调速器结构图

当切换阀线圈得电时，A套控制器控制比例伺服阀，由比例伺服阀直接作用于主配压阀，所对应的油路为A套油路；当切换阀线圈失电时，B套控制器控制步进电机或者机手动操作机构控制步进电机，均通过自复中电液转换器作用于主配压阀，所对应的油路为B套油路。

2 调速器切换阀故障分析

2.1 异常现象与原因确认

某机组调速器在模拟A套大故障试验时发现：在A套自动方式下，断开切换阀电源，调速器应该按照逻辑设计报出“A套大故障”，并切换至B套运行，但现场未按照预定逻辑切换至B套运行，且两套控制器没有任何故障报警信号。

出现异常情况后，查询切换阀控制电气回路设计为：切换阀线圈供电回路设计有单独的空气开关，A套切换阀控制命令串接在切换阀线圈供电回路中，切换阀本体带有一组反馈接点直接送至A套控制器。B套没有设计对切换阀的控制逻辑。

切换阀故障判断逻辑如图2所示：在A套主用时，控制器开出切换阀控制命令，若2 s以后仍未收到切换阀反馈信号，则报A套切换阀故障信号。B套未设计切换阀故障判断逻辑。

图2 A套调速器切换阀故障判断逻辑

检查A套调速器程序，发现切换阀反馈信号为1，即切换阀阀芯位置在A套油路。但此切换阀为单线圈电磁阀，切断其线圈供电后，阀体应该在弹簧作用下切换至B套油路。由此基本判断切换阀出现了卡阻故障。

对A/B套调速器导叶控制情况进行了现场试验，导叶动作情况如表1所示。

表1 导叶动作情况表

由表1可以看出，A套控制器运行，即切换阀在A套油路时导叶可以正常动作，但是在B套和机手动控制，即切换阀在B套油路时导叶无法正常动作。由此可以判断，此时切换阀发卡且卡在A套油路侧。

通过上述分析和试验发现：切换阀发卡且卡在A套油路侧， A套油路一直保持畅通，无法切换至B套油路。此时，根据切换阀故障判断逻辑，在A套主用时，切换阀控制命令一直存在，切换阀反馈接点一直接通，A套没有故障信号，而B套控制器没有设计切换阀判断逻辑，也没有故障信号。所以当A套大故障，机组切至B套或机手动方式运行时，实际油路一直在A套油路侧，调速器实际无法控制导叶动作，具有较大的运行风险。

2.2 导叶动作模拟试验

针对切换阀卡在A套油路侧的情况，进行导叶动作模拟试验。改变比例阀电气中位设置，模拟机组并网状态下，A套自动运行时出现大故障，观察调速器切至B套运行后导叶的实际动作情况。

（1）比例阀电气中位设置合理。当切至B套主用运行后，导叶开度基本维持不变；手动切至机手动方式运行后，操作步进电机手轮，导叶开度依然基本维持不变。在此过程中，无任何故障报警信号报出。

图3 切换阀发卡导叶维持不动

（2）比例阀电气中位设置偏开方向。在B套自动方式下， B套的导叶给定不变，但实际导叶开度一直在往开方向偏移，当偏移达到设定值时，调速器报“导叶液压故障”“B套大故障”，同时切至机手动方式运行。由图4可知，无论是B套自动方式还是机手动方式，导叶开度一直在往开方向偏移。

图4 切换阀发卡导叶偏开

（3）比例阀中位设置偏关方向。在B套自动方式下， B套的导叶给定不变，但实际导叶开度一直在往关方向偏移，当偏移达到设定值时，调速器报“导叶液压故障”“B套大故障”，同时切至机手动方式运行。由图5可知，无论是B套自动方式还是机手动方式，导叶开度一直在往关方向偏移。

图5 切换阀发卡导叶偏关

2.3 小结

由以上导叶动作模拟试验结果可知，当切换阀发卡且卡在A套油路侧时，当比例阀中位设置合理，B套自动方式下，导叶可以保持稳定，机组平稳运行，但无法调整负荷；当比例阀中位设置偏开，B套自动方式或者机手动方式下，导叶持续偏开，机组有超负荷运行的风险；当比例阀中位设置偏关，B套自动方式或者机手动方式下，导叶持续偏关，机组有逆功率运行的风险。当切换阀发生发卡且卡在A套油路侧时，在B套主用或机手动方式运行，无法确保机组安全稳定运行，且不会有切换阀故障报警信号，存在较大的风险，当前切换阀故障判断逻辑不能满足机组安全稳定运行的需求。

3 改进措施

现有的调速器程序中只有A套控制器切换阀故障判断逻辑，可以增加B套控制器切换阀故障判断逻辑，进一步完善调速器故障判断机制。切换阀本身自带一组反馈接点，不经过中间继电器扩展，直接送至A套控制器的DI通道。检查控制器程序发现，B套控制器与A套控制器之间有以太网方式通信，在不影响A套切换阀故障判断的可靠性，且不改变原有切换阀反馈硬件回路的情况下，可以以通信方式将A套获取到的切换阀反馈信号送至B套控制器，用以B套切换阀故障判断。在B套控制器程序中，增加如图6所示切换阀故障判断逻辑，当调速器B套主用或机手动方式运行时，若B套控制器收到切换阀反馈信号为1，则B套控制器报切换阀故障信号。通过B套控制器报出切换阀故障信号，提示运行人员，此时切换阀卡在A套油路侧，不能在B套或机手动方式实现负荷调节，同时便于维护人员进行故障定位。

图6 增加B套切换阀故障判断逻辑图

其次，比例阀电气中位是一个相对稳定的值，应在机组检修期间无水试验阶段，通过导叶跟随试验，对比例阀中位设置情况进行检查，确认比例阀中位设置合理，确保机组在切换阀卡在A套油路侧时，即使A套发生大故障，机组也可以稳定在当前导叶开度运行。

程序修改后进行现场模拟试验：通过强制A套控制器的切换阀控制命令输出模拟切换阀发卡且卡在A套油路侧，机组在A套并网运行时，模拟A套大故障，调速器切至B套主用运行后，B套控制器报出 “切换阀故障”，并切至机手动运行，导叶开度维持在当前导叶开度。

4 结语

切换阀作为非对称冗余调速器液压回路切换的关键设备，其运行情况直接关系到机组的安全稳定可靠运行。文章通过分析切换阀故障后的导叶动作情况，完善了切换阀故障判断逻辑，消除了机组调速器运行过程中可能存在的安全隐患，进一步提升了机组调速器运行的安全稳定性。