水轮机调速器运行工况误切换故障的分析与处理

陈 荣，陈炳森

（1.广西水利电力职业技术学院，广西 南宁530022；2.广西西江开发投资集团有限公司，广西 南宁530023）

那吉航运枢纽位于广西百色市田阳县那坡镇境内右江河道上，距上游百色水利枢纽61.8 km，是百色水利枢纽的反调节水库，是一座以航运为主、发电为辅的水资源综合利用工程。枢纽电站共安装了3台单机容量为22 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，机组额定水头11 m，额定流量220 m3/s，电站采用武汉能事达公司生产的交流伺服电机自复中式微机调速器，额定油压6.3 MPa。由于2#水轮机调速器在机组运行过程中，多次发生运行工况突然切至“手动”模式运行的故障现象，因此分析了故障原因，通过软件技术措施排查和消除了机组安全运行隐患，现将故障的原因及排除方法进行总结，以供同行进行参考。

1 故障现象及影响

1.1 故障现象

2010年10月28日，电站2#机组正在运行中，中控室机组监控事件窗口表突报“2#机组调速器事故”、“2#机组调速器电气柜故障”信号，2#机组调速器监视画面中指示机组调速器的导叶、桨叶均为“手动”模式运行，运行人员现地检查调速器电气柜，发现调速器已由正常运行时的“自动”模式切至了“手动”模式，调速器电气柜上故障报警灯亮，但是调速器触摸屏上却没有故障报警信号和当时的历史故障报警记录。值班人员检查发现无异常后，现地将调速器切回“自动”模式后，调速器恢复正常运行状态，可根据机组频率的变化自动调整机组的出力。

1.2 故障影响

机组在正常运行状态下，调速器应处于“自动”模式运行。在非“自动”模式下运行，调速器的PLC不再根据机组频率的变化来调节控制机组导叶开度，而是根据运行人员给定的导叶开度值来实现调节控制，若发生事故，发电机出口断路器跳开甩掉全部负荷时，因导叶开度给定值仍处于事故前给定开度，没有发生给定值变化，所以机组转速会突然大幅上升甚至出现过速现象，直接威胁到机组的安全运行，因此，机组在正常运行状态下，不允许将调速器切至“手动”模式运行。

上述故障发生后，未经全面排查而由运行人员现场将调速器切回“自动”模式恢复了机组的正常运行，其后近一个月时间内，电站2#机组又多次在运行过程中发生上述故障现象。

2 故障原因分析

根据生产厂家的调速器使用说明书及运行维护经验，电站机组调速器系统出现故障时会一直保持故障报警状态，故障消失后会自动复归报警信号，同时调速器触摸屏会自动保存故障信息，方便运行值班人员查阅。

但前述机组运行过程中调速器因故障原因由“手动”模式切至“自动”模式，待运行人员发现故障到现场检查时，故障信号已经消失，调速器触摸屏上没有发现故障报警信号和当时的历史故障报警记录，只能在故障原因未明的情况下，在现地将调速器切回至“自动”模式运行。

2.1 系统基本结构

调速器的系统结构如图1所示。调速器以PLC为控制器，接受机组LCU（现地控制单元）输入的控制指令和位置信号，运行维护人员通过人机界面（实物为触摸屏）输入的整定调节参数以及机组频率信号、电网频率信号、电站水头信号、机组功率信号、导叶开度信号、桨叶开度信号等，PLC按照预定的程序对输入信号进行采集、分析、PID计算后，输出导叶及桨叶控制信号经电液转换并放大后，通过接力器实现对导叶和桨叶开度的调节控制，同时通过调速器柜上的仪表显示导叶、桨叶开度、机组频率，通过接口向机组LCU发送事故、故障及手动/自动信号。

图1 微机调速器系统图

调速器有交流和直流两路供电电源，经电气或门电路后转成一路5 V直流电源供给测频回路，一路24 V电源供给PLC以及传感器、驱动器和人机界面。双电源供电可有效提高调速器供电的可靠性。

2.2 故障分析

前述故障发生后，调速器的运行模式确实发生了改变，机组LCU能正确收到PLC经过开关量接口送过来的调速器由“自动”转为“手动”运行模式的信号，但是触摸屏中却没有故障报警信号和当时的历史故障报警记录。结合故障现象及图1对故障的原因进行分析，可能的故障原因有两种：

（1）调速器电源消失引起PLC自动重启，程序初始化置调速器为“手动”模式。

电站调速器PLC初始化流程如图2所示。当PLC因电源发生瞬间掉电再自动恢复时，PLC会按上电初始化流程会将调速器的模式自动切至“手动”模式，这样的流程设计是综合考虑机组在运行过程中，确有可能发生掉电的情况，在此故障情况下，按保证机组安全第一的原则，希望机组能稳定在故障前的运行状态。调速器机械液压部分采用了自复中的结构及手/自动无扰动切换的设计。自复中结构可保证PLC在没有PID控制信号输出时，机械液压系统不会动作；手/自动无扰动切换的设计，可保证在“自动”模式中，“手动”模式的导叶开度给定值跟随当前导叶开度值变化，当调速器切至“手动”模式时，机组导叶开度不会发生突变，从而实现无扰动切换。

根据图1所示的PLC供电回路，如果电源回路故障出现瞬间失电，将会引起调速器PLC的冷启动，在PLC的初始化过程中，将调速器置为“手动”模式。

图2 PLC初始化流程图

图3 导叶反馈故障判断流程

（2）调速器导叶传感器反馈信号异常致调速器置“手动”模式。

电站调速器使用的是KTCA-900型拉杆式位移传感器，作为导叶开度的检测元件安装于导叶接力器上，其输出的4~20 mA导叶开度值信号直接输入至调速器PLC模拟量输入端口，由PLC完成导叶开度的采样检测和处理。图3为导叶反馈故障判断流程。

由于导叶接力器的实际行程小于位移传感器的行程，在调速器安装调试过程中，已经测出导叶全关和全开时所对应的位移传感器输出电流值及对应的PLC采样值，并作为导叶开度异常报警的上下限值。在图3的流程中，PLC在采样到导叶开度值后，先判断采样结果是否处于正常的上下限值之间，如果导叶开度值超出正常的上下限范围则说明导叶开度反馈值检测异常，不能作为机组调节控制的依据，此时应进行故障报警并将调速器切至“手动”模式将机组稳定在故障前状态。

2.3 故障排查

结合上述的故障分析，电站检修维护人员进行了以下排查工作：

（1）首先对导叶传感器的反馈信号进行了检查，在机组停机并做好安全措施的状态下，手动操作导叶自全关至全开再至全关，导叶开度的反馈信号值均在正常范围内并且没有突变现象。当检修人员拆开导叶传感器的接线时，调速器有报警声，触摸屏上有“导叶反馈故障”信号和“请检查导叶传感器或接线”的提示信息，调速器由“自动”模式切至“手动”模式，在恢复接线后，故障信号消失。

（2）在机组停机并做好安全措施的状态下，突然断掉并快速恢复调速器的交直流电源，PLC实现了冷启动，调速器切至“手动”模式，但触摸屏也因重新上电而进入到初始化界面，并需要人为点击操作后才能转入正常运行画面。

（3）对调速器电气柜内的继电器电阻值、动作值进行了检查试验，未发现问题。

（4）对交直流供电电源以及柜内的电源回路进行了检查，在交直流电源切换瞬间，电源回路所输出的5 V、24 V直流电源电压稳定，没有明显的波动现象。

（5）检查了调速器所有外部连接电缆的绝缘，没有发现绝缘不合格及接地的现象。

在上述排查均未能确认故障原因的情况下，检修人员重新紧固了调速器所有连接端子并存在氧化的端子和导线接头进行了必要处理，但故障仍然时有发生。

3 故障处理

综合故障分析和排查的结果，调速器电源消失引起PLC自动重启而将调速器置为“手动”模式的可能性不大，调速器导叶传感器反馈信号异常故障虽不能完全排除但也无法确认。结合故障现象，考虑到调速器导叶位移传感器输出信号（4~20 mA）电缆与励磁系统等强电电缆安放在同一电缆槽内，因此怀疑电缆槽内的强电干扰信号引起导叶开度反馈数值超过设定的上下限范围，当PLC按图3流程进行判断时发现开度超出正常范围而报警且将调速器置“手动”模式；由于PLC与触摸屏之间是以通讯方式进行数据传送的，瞬间出现的干扰信号可能还没来得及传送即消失，所以在故障发生时，触摸屏就没有收到故障报警信号。

基于以上分析，为彻底排查调速器的此类故障，决定对调速器PLC中导叶反馈故障判断子程序“Wicket_position_fail:=(%IW4.0＜1000)OR%I4.0.ERR；”进行修改，在判断程序中加入500 ms延时程序，在对采样值进行判断发现导叶开度反馈值超出正常范围时，启动500 ms定时器，如故障信号保持500 ms以上，则报导叶反馈故障并将调速器置“手动”模式，从而实现对干扰信号及瞬间故障信号的过滤。程序修改部分如下：

%M300：=(%IW4.0＜1000)OR%I4.0.ERR;（*对采样数值进行判断*）

IF%M300 THEN（*如达到报警条件，启动计时器，否则停止计时器*）

START Tm_Wicket_position_fail_500ms;

Else

DOWN Tm_Wicket_position_fail_500ms;

END_IF

Wicket_position_fail:=Tm_Wicket_position_fail_500ms.QAND%M300;（*采样数值超上下限并保持500ms的时间，报导叶反馈故障*）

修改后的导叶反馈故障判断流程如图4所示。

修改后的程序于2010年11月25日下载到2#机组调速器PLC中，之后未发生同样故障。

图4 修改后的导叶反馈故障判断流程

4 结束语

在2#机组调速器运行工况误切换故障按上述方法成功排查处理后，电站将1#、3#机组调速器PLC的程序也进行了相应修改，3台机组至今未发生同样故障，说明了导叶反馈信号受到干扰是造成故障的根本原因。通过以上故障的分析和处理，建议设计单位和设备生产厂家，在进行类似产品和回路设计时，必须充分考虑两个问题：一是对模拟量的信号处理要更加严谨，充分满足安全性、可靠性和稳定性的需要；二是弱电信号电缆要避免与强电电缆放在同一条电缆沟或电缆槽内，做好弱电信号的屏蔽和抗干扰措施，防止同类故障的发生。

[1]魏守平.水轮机控制工程[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[2]张希泰，陈康龙.二次回路识图及故障查找与处理[M].北京：中国水利水电出版社，2011.