水电站电气自动化控制设备的可靠性研究

钟 伟

（松原市哈达山发电有限公司，吉林松原 138000）

电力资源是现代社会发展的驱动力量。我国地势地貌具有西北高、东南低的特点，且地形高低起伏，落差较大。同时，我国河流众多，水系复杂，高落差的河流河段较多，拥有丰富的水力资源和水电站建设基础条件。水力发电相对于火力发电具有成本低、利用率高、污染小的优势，而相对于太阳能、风能、潮汐能等，具有发电稳定的优势。此外，水力工程的建设还具有调节水数量、蓄水泄洪及改善农业灌溉条件等作用。

我国丰富的水力资源及成熟的现代化水力枢纽工程建设技术、水电站发电技术为水电厂的建设和发展奠定了良好的基础。水力发电的众多优势保证了水电站的建设及运行具有较高的社会效益、经济效益。随着水电厂自动化、智能化技术的应用，水电站自动化水平不断提升。其电气自动化控制设备的可靠性也成为影响水电站运行安全和效益的重要因素。研究水电站电气自动化控制设备可靠性对提升水电站设计制造水平和运行安全有着重要的意义。

1 水电站电气自动化控制设备可靠性薄弱环节

水电站电气自动化控制设备可靠性薄弱环节指设备或某个子系统、某个部件损坏后引发的电站整台机组非计划停运，即机组不能发电的情况。一般将水电站非计划停运时间比较长的部件或子系统称为可靠性的薄弱环节。其电气自动化控制设备可靠性薄弱环节统计分析方法如下。

（1）局部非计划停运时间占总体非计划停运时间的百分比。

（2）局部非计划停运次数占总体非计划停运次数的百分比。这里的总体指整台水电站发电机组，局部指水电站的各电气自动化控制设备。如发电机主机、变压器、同期装置、重合闸装置、电气原件及其他一次设备与二次设备等。

对设备可靠性薄弱性的分析应该建立在对设施故障率与修复时间的分析与了解上。电气自动化控制设备故障停电率越高、平均修复时间越长，表明设备的可靠性越低；相反，则设备的可靠性最高。电气自动化控制设备还可借助星能电气有限公司的CEES《供电网计算分析及辅助决策软件》进行局部区域配电网运行的可靠性分析。电气自动化控制设备的可靠性薄弱环节主要受设备、技术、网络、管理等方面的影响。通过从设备、技术、网络、管理几个方面分析设备在配电网系统及管理上的薄弱环节，提出相应的改进措施，进而提升水电厂电气自动化控制设备与机组并运行的可靠性。

2 提高电气自动化控制设备可靠性的技术

2.1 设计制造阶段

（1）应该充分考虑设备的可靠性薄弱环节，加强薄弱环节控制措施，解决局部薄弱环节的问题，加强设计的合理性。

（2）重视对电气元件原材料、零部件及设备外购件的选购，重视质量检查，加强对设备生产制造的质量管理和质量验收。

（3）在电气自动化控制设备安装时由技术人员提供现场安装技术指导服务，确保设备安装的合理性、正确性。通过以上措施来提高局部设备及系统在发电机组整体运行的可靠性，进而提高水电站发电机组的可用率。

2.2 安装与测试阶段

水电站电气自动化一次设备、二次设备等在安装前，应该对相关机电设备根据相应的规程做好质量合格验收，对机组安装后对上下水位、边坡稳定及河道周围环境可能造成的环境进行分析，确保设备质量高合格和安装后无意外发生后再进行安装。设备安装好后应该做好大坝监测、水库调度、水情预报，确保设备试运行期间指挥部、电网调度及相关网络的通畅。

在机组试运行前对厂房及变电站、机组进出水系统、水轮机、水轮机调节系统、水轮发电机、磁力调节系统、辅助系统、电气设备、消防系统等进行质量全面检查。在充分分析机组试运行后电气自动化设备可靠运行的前提下进行机组空载试运行测试。

对发电机及电气自动化控制设备做带电试验，最后与机组并列做负荷试验，测试并统计、分析、评价电气自动化控制设备运行的可靠性若干指标。通过对电气自动化通知设备可靠性运行指标的分析，为水电站机组及电气自动化控制设备的量化管理提供理论依据。

2.3 检修阶段

考虑到电气自动化控制设备运行、维护、检修的需求，需要应用科学的手段对设备状态检修。检修分为预测性检修、以可靠性为中心的检修、计划大修、计划小修、节日检修。检修工作以监测数据为依据，通过分析监测数据了解设备可靠性薄弱环节，并对其进行预测性检修和维护。以可靠性为中心的检修可应用逻辑决断法，适当缩小计划检修项目，扩大预测检修与临时诊断检修项目，利用设备原本的可靠性制定电气自动化控制设备的维护与检修大纲，保证电气自动化控制设备的可靠性运行。

2.4 设备运行阶段

在水电站电气自动化控制设备运行阶段，应该通过在线监测了解设备运行状态、运行环境等是否满足水电站实际生产的需要。技术人员还要定期对运行设备的可靠性进行验证与维护，保证设备的运行始终符合机组运行的负荷要求。通过保证机组及设备的合理运行，预防电气自动化控制设备的故障的发生，进而保证机组及系统运行的可靠性。

3 水电站电气自动化控制设备可靠性运行现状及影响因素

3.1 电气自动化控制设备可靠性运行现状

近些年，我国水电站加快了发电机组及电气设备的运行改造及对系统的升级。在进行改造与升级之前，水电站设备的故障率较高，非计划停运的时间较长。同时，水电站的运行环境较为复杂，不确定性因素对电气自动化控制设备的影响较大，环境的复杂性增加了设备故障率。此外，水电站电气自动化设备之间及设备电气元件之间在设备运行时会发生电磁波相互干扰，从而影响设备之间信号接收效果，影响电气自动化控制设备的自动化控制水平。电气元件之间及设备之间的电磁波干扰还会导致设备损耗的增加，加速设备及电气元件的老旧化，缩短设备使用寿命。我国一些建设运行时间较长的水电站，电气自动化控制设备年故障发生率较高，对机组可靠性运行影响较大。一些设备或电气元件故障未能及时发现，导致其他设备及发电机组可靠性运行受到干扰。当电气自动化控制设备的可靠性指标发生变化，其他设备受到的电磁干扰的影响加大，电气自动化控制设备与机组并行运行时的故障发生率增高，设备局部可靠性薄弱环节相应增多。

水电站电气自动化控制设备在实际运行中最常见的问题为设备元件脱离正常运行状态。该问题的发生可能会影响周围电气设备运行的状态及环境。由于不同厂家生产的设备机型及技术存在差异性，设备电气元件质量和使用寿命也存在较大的差异。一些水电站采用了不同厂家的设备。

（1）设备及电气元件质量本身存在差异。

（2）不同厂家电气自动化设备对运行环境要求不同，导致在同一环境中设备运行性能有所差别。

3.2 影响电气自动化控制室设备可靠性的因素

3.2.1 电气元件及设备质量不达标

水电站电气自动化控制设备的类型较多，设备数量大，所用到的电气元件及零部件组成复杂，设备组成部件来源也各不相同。不同来源的电气元件及设备生产工艺、生产技术、质量标准有所不同。这些来源不同的零部件在同样的温度、湿度等环境条件下，表现出的性能有所差异。部分零部件机械性能、稳定性、散热性相对较差，或零部件本身易损伤。在设备运行期间受环境因素影响或养护管理不当时，其损伤性周期变短，使用寿命变短。以上问题的发生多于设备及零部件质量不达标所致。

3.2.2 系统设计问题

水电站电气自动化控制系统的设计直接影响着机组与电气自动化设备并运行的可靠性。一些水电站在进行工程设计时，忽略了对外部条件和内部条件的分析，忽略了限制性条件对水电厂可靠运行的影响。部分水电站系统设计虽然符合安全性、可靠性运行的要求，但环保性要求和经济性较差。水电站长期运行下，机组及电气自动化控制设备运行在环境影响下，易发生设备受电磁干扰及其他原因机组耗量较大、运行状态不佳的情况。部分系统设计忽视了系统在限制性条件下易发生负荷或短时波动的问题，导致水电站电力系统运行期间非计划停运时间较长。

3.2.3 设备安装测试问题

部分水电站在电气自动化控制设备安装后实验室和现场测试不足，或测试环境、测试流程不严谨，导致设备安装测试的数据结果存在偏差。该问题直接影响着电气自动化设备后期运行的可靠性，易造成部分设备局部可靠性薄弱环节未能及时发现。

3.2.4 运行环境干扰

水电站的环境条件较为复杂，电气自动化控制设备运行环境湿度较高。部分设备由于安装空间有效，设备之间间隔较小，散热条件相对较差。此外，电气自动化控制设备及电器元件之间存在电磁干扰。这些问题都属于设备运行的可靠性薄弱环节。

3.2.5 技术人员操作因素

技术人员专业技术水平偏低，易导致电气自动化控制设备运行管理期间发生细节遗漏，或造成操作失误，进而导致设备运行环节存在可靠性薄弱环节。

3.2.6 设备故障检修不及时

电气自动化控制设备运行期间故障检修不及时，会影响到设备其他电气元件及零部件运行的稳定，加速其他零部件及线路的故障。当电气自动化控制设备发生线路短路时，还会影响系统电压的变化，导致水电站发电机组及系统整体运行的稳定性、可靠性降低。

4 提升电气自动化控制设备可靠性的策略

4.1 加强设备及电气元件质量检查

在设计制造电气自动化控制设备时，要加强对元器件的合理选择，以及加强对元器件、零部件质量的检查。选择元器件时，要充分分析设备运行的环境，结合真实环境分析元器件运行的可靠性。如高湿度环境下应该考虑元器件的耐腐蚀性，是否会发生凝露问题。在高温环境下应该考虑元器件的散热性。

4.2 电气自动化控制设备的可靠性薄弱环节分析

在自动化控制设备系统设计时，应该加强对设备运行可靠性薄弱环境的分析，加强对可靠性薄弱环节的改进，以提高系统整体的可靠性。此外，系统设计时应该考虑设备的用途、工作环境、稳定性、安全性、经济性等，保证产品设计目标使用生产需要，符合水电厂实际运行的环境。

4.3 细化设备安装质量检查及安装后测试

电气自动化控制设备安装好后应该做好设备全方面的质量检查。对于检查质量不合格的，应该对设备及时调试，及时更换存在质量问题的零部件，或直接更换设备。设备质量检查合格后，按照规定流程对设备做安装后测试，包括实验室测试、保证试验测试、现场测试等。通过采取多种测试手段，加强设备试运行测试和改进，提高设备运行的可靠性。

4.4 加强运行阶段的管理

电气自动化控制设备在运行阶段应根据监测状态加强运行管理。主要管理内容如下：①加强设备运行环境检查与分析；②对设备运行加强动态化监控；③及时发现和检修故障问题；④加强对设备运行周围环境的控制，做好电磁屏蔽，加强散热，做好防潮，减少电磁干扰、温度、湿度等不良环境对设备运行的影响。

4.5 加强技术人员培训与管理

水电站应该加强对技术人员专业技术理论与实操的培训，加强人员责任管理，制定完善的责任制度、奖惩管理制度，提高设备管理的整体水平。

5 结束语

水电站电气自动化发展是社会发展的必然要求。随着新一代信息科学技术在水电厂建设及升级中的应用，水电站电气自动化控制设备的自动化程度会越来越高，系统的整体性会越来越强，各电气自动化设备可靠性与发电机组及系统整体运行的可靠性关联性增强。这意味着未来水电站电气自动化控制设备在设计制造、安装与测试、检修及设备运行各个阶段要重视可靠性的提升，同时加强对设备操作技术人员的培训与管理，尽可能地减少水电厂非计划停运时间，为水电站电气自动化控制设备安全、可靠运行奠定一个良好的基础。