南津渡水电站调速器电气部分国产化改造

陈敬明

（湖南省南津渡水电站 永州市 425006）

湖南省南津渡水电站位于湘江水系潇水末端，电站装设3台20MW灯泡贯流式水轮发电机组，水轮机转轮型号K84a/5，发电机型号SV420/180，转速150r/min，飞逸转速385 r/min，1991年11月至1992年5月3台机组相继投运。

南津渡水电站原调速器为德国Voith公司生产，由电气部分和机械液压部分组成，电气部分包括控制盘和SPS-R84型数字式调速器。控制盘上可以读出所有重要数值，并可对必要的参数进行手动整定。SPS-R84型数字调速器由信息贮存、中央微处理室、模拟-数字转换系统及数字输入、输出系统组成，其中数字输入、输出系统及模拟-数字转换系统已做成模块插件，使用十分方便。

调速器械液压部分采用电液转换器与主配压阀间通过一根杠杆直接连接的机械液压系统，由电液转换器、液压放大器、主配压阀等组成。速器设置了快速关闭液压系统，是从油压装置到电液转换器的快关下腔的同一油路上，串联着防气体中间阀、快关电磁阀Ⅰ、快关电磁阀ⅠⅠ、手动快速关闭阀、最小压力阀、过速保护电磁阀等，只要其中一个保护装置动作，都会紧急关闭导叶。

电站自1992年投运以来，调速器电气部分元器件日益老化，由于调速器为进口产品，原厂家已经对调速器进行了升级换代，备品备件的采购困难；且由于性能有所下降，导致电气部分故障时有发生，影响电站及电网的安全稳定运行。

为彻底解决存在的问题，并考虑原调速器机械液压部分设计理念比较合理且运行状况较好，经充分论证，决定对调速器电气部分进行国产化改造，保留主配压阀以下的机械液压部分。

1 改造后的调速器电气部分简述

为保证改造后的调速器电液转换部分与原调速器的主配压阀良好结合，并保证调速器电气部分性能优越，经选型，决定选用长沙星特自控设备实业有限公司的WWST系列“四无”型可编程微机双调节调速器。该调速器是以可编程控制器(PLC)为控制核心，以无油“电液转换器”作为电-液转换环节，以“块式”直连型电液随动系统作为执行机构，组成的一种新型水轮机微机调速器。

无油“电液转换器”由滚珠螺旋自动复中装置联接交流伺服电机组成，不需用压力油，可靠性高，不仅提高了调速器的抗油污能力，而且提高了整机的可靠性，彻底解决了以往电液转换环节抗油污、防卡能力差的问题，可取代常规的电液伺服阀、电液比例阀及所有依赖油液作转换的阀件。由于采用位置控制环，该调速器实现了全数字控制。此外，利用交流伺服电机自带的旋转编码器作为位置反馈信号构成位置环，不需加装外部传感器，机构简单，提高了控制性能及可靠性。

采用真彩触摸屏作为调速器与运行人员的人机接口，具有显示信息量大、清晰、准确、操作方便等优点。

具有故障自诊断及容错功能：如机频消失、接力器反馈断线、A/D模块等故障诊断及处理功能。调速器与电站计算机监控系统之间通过硬接线和通信两种方式连接，实时进行信息和信号交换。

2 改造中关键问题的实施

原调速器的某些功能应该说比目前已投运的国产调速器还完善，如浪涌控制、转速故障下的减速曲线等；同时调速器还集成了某些其他功能，如转速继电器开出等，在改造中，都必须充分考虑原调速器所具有的功能，并结合改造后的调速器特点，对调速器功能进行完善。

（1）调速器供电电源。

调速器采用交流220V和直流220V两路电源，互为热备用，当其中某路电源故障时，另一路电源自动投入工作，并发出报警信号，电源的切换过程为无扰动零时间切换。

（2）调速器的频率测量。

原调速器的频率测量采用的是两路齿盘测速，互为热备用。改造后的调速器仍保留了原齿盘测速功能，并增加了残压测频功能。齿盘测速的精度与测速探头的安装及机组运行有较大关系，在机组运行在振动区或甩负荷时，有可能出现测频故障，因此增加了残压测频功能。在机组并网运行时，残压测频的精度是很高的。残压测频为了保证其精度，残压测频能够测量到频率最小值一般在10Hz以上，而机组的机械制动转速为3%额定转速，因此在开停机过程中，频率的测量还是以齿盘测速为主。

（3）转速开关信号的开出。

原调速器还承担了监控系统转速测量的功能，监控系统所需要的转速开关量信号都是由调速器提供的。改造后的调速器也必须保留该功能，功能的实现难度并不大，但要求可编程控制器有足够的开关量输出接口，并保证工作可靠性，因为这些开关量直接影响到机组的并网、电气制动、机械制动、过速保护。

（4）减速曲线的实现。

由于机组转速开关信号由调速器提供，有可能出现转速故障情况，无法向监控系统提供转速开关信号，导致停机过程中电气制动和机械制动无法实现，原调速器设计了减速曲线，即在转速测量故障的情况下，由调速器根据一定的规律模拟机组停机时的转速下降趋势，并开出转速开关量信号。

但调速器相关资料没有给出如何设置减速曲线的方法，根据对改造前停机试验结果分析，最终设定减速曲线为：转速由100%降低到0%的时间为40s，且转速为直线下降，根据这一设定，分别在不同时间驱动<95%、、<90%、<40%、<3%等转速开关信号给监控系统。

（5）分段关闭功能的实现。

调速器改造前，机组甩负荷过渡过程导叶关闭规律由调速器实现分段关闭，分段关闭的拐点以及第二段的关闭速度由调速器确定，且拐点位置根据水头、甩负荷前机组出力、机组转速上升值等确定，没有固定值，且相关资料也没有给出如何计算拐点位置和第二段关闭速度。

通过对改造前3台机组调速器试验曲线的分析，确定分段关闭拐点设定为24%，第一段关闭速度为导叶最大关闭速度，第二段关闭速度为6.25%/s。采用调速器实现导叶分段关闭，就是控制主配压阀的动作行程，即控制主配压阀的开口值，这样就可以控制导叶关闭速度。在调速器中进行两段关闭选择，在导叶开度大于拐点设定值（初步设定为24%），选择为第一段关闭速度，在导叶开度小于拐点设定值，选择为第二段关闭速度。

经过研究调速器的电气和机械的结构，确定改变导叶关闭速度通过改变伺服电机旋转角度实现。为了确定伺服电机不同旋转角度时导叶关闭速度，分别将伺服电机旋转角度设定为14.4°、21.6°、28.8°、36°、43.2°、50.4°、57.6°、64.8°、72°、79.2°等角度 （对应于调速器程序的计算值分别为200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100），设定调速器开度给定，使导叶从全开向全关和从全关向全开动作，用调节系统综合测试仪记录导叶接力器行程的变化情况。

根据以上试验结果，对于第一段速度的确定，将伺服电机旋转角度设定为最大值79.2°(对应于调速器程序的计算值为1100)；对于第二段速度的确定，将伺服电机旋转角度设定为21.6°（对应于调速器程序的计算值为300）。

（6）浪涌控制功能的实现。

为避免涌浪或尾水位下沉，机组上设有涌浪控制保护，该控制可通过机组控制屏上的按钮预先选择。如果涌浪控制预先投入，在甩负荷时，快关不投入并且轮叶位置在原运行位置上增加3°（涌浪控制最大轮叶开度为18°），轮叶在此位置保持一段时间（原程序设定为60s），然后慢慢关闭直到重新达到协联关系。

改造后的调速器根据原设计要求，在调速器触摸屏上设置了涌浪控制投入和退出按钮，可根据需要投入和退出涌浪控制。轮叶保持时间和涌浪控制下轮叶关闭时间可通过参数输入单元调节。

（7）调速器的故障保护。

根据调速器的运行经验，在调速器出现频率测量故障、导叶接力器位移信号故障、电源故障时，对调速器的性能影响较大。改造后的调速器，最初的设计是在上述故障时，切断交流伺服电机的电源，这样，就可以保持调速器的导叶开度保持在当前位置不变。在机组并网运行时，这种处理方法是可行的，如果此时遇到机组甩负荷，由于导叶无法通过调速器关闭，就会导致过速，对机组安全运行不利。为了解决这一问题，在调速器上述故障且机组处于非并网状态（开停机过程、空载运行），调速器向监控系统开出严重故障信号，由监控系统动作紧急停机，通过快关电磁阀关闭导叶，保证机组的安全，而在机组并网运行时，则只进行报警。

3 结语

南津渡水电站3台调速器电气部分国产化改造后的试验和运行实践表明，改造后的调速器电气部分运行是可靠的，满足机组运行的要求，其控制调节功能与改造前基本一致，为同类型进口调速器的国产化改造提供了宝贵经验。