水轮机调速器典型电气故障案例分析及处理要点

唐亚波

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司,四川 甘孜 626001)

水轮机调速器典型电气故障案例分析及处理要点

唐亚波

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司,四川 甘孜 626001)

阐述了水轮机调速器典型电气故障案例的发生过程,分析了故障发生的原因,提出了故障的处理办法和注意事项,为水电站调速器维护人员提供了故障处理参考方案。

水电厂;调速器;电气故障;处理案例

0 前言

水轮机调节系统是由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统。通常我们把调节控制器和机械液压系统称为水轮机调速器。水轮机调速器作用是保证水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡,并根据操作控制命令完成各种自动化操作,是水电站的重要基础控制设备。在水轮机调速器构成中,目前可编程控制器以其高度的可靠性成为调节器构成首选[1];机械液压系统中的电液转换器件主要有电机类、比例伺服阀类、数字阀等几类。

目前水轮发电机调速器采用高可靠性的可编程控制器等作为调节器,并设计了少量的合理外围电路,电气部分故障率比较低,偶尔出现的异常现象,大部分是由于接触不良、设置有误、调速器部件产品质量问题和机械杂质堵塞造成。本文分析了几起典型的调速器电气故障案例,为维护人员迅速判断故障原因和故障部位及时排除故障提供参考。

1 主配压阀压阀抽动

1.1 故障现象

在无导叶开度调节指令的情况下,导叶主配压阀上下摆动、频率很快、幅度较大,能听到液压油流过发出的“呲呲”声。主配压阀压阀抽动危害较大,使用油量大增,极端情况导致压力油罐出现事故低油压,另外主配压阀频繁大幅度抽动势必造成主配压阀机械部位磨损和松动。

1.2 原因分析

(1)调节系数没调好,对于比例伺服阀结构的,闭环调节中包含大环调节和小环调节。小环比例系数调得太灵敏,会导致主配压阀抽动。

(2)主配压阀中位传感器的问题,比例伺服阀型的电液转换系统,在自动时必须用电气方法使主配压阀压阀复中,区别于手动或伺服电机型的主配压阀压阀通过机械方式复中。如果主配压阀中位传感器采集错误或误差较大,将会导致电气复中失败,在调节过程中,主配压阀就会发生频繁抽动。

1.3 处理方法

将调速器导叶控制方式切至手动方式,用调试笔记本连接PLC观察导叶调速器导叶主配压阀采样信号,观察主配压阀采样是否在中位设定值,如果在中位设定值说明不是主配压阀传感器的问题。可适当修改小环系数,再将导叶控制方式切自动方式观察导叶抽动幅度大幅降低。开机至空转,观察开机成功,导叶不抽动。

理论上说,适当降低大环系数也有助于改善主配压阀的抽动情况,但是修改大环系数直接影响了导叶的调节速度,需要重新做调速器静特性、空载试验,且在正常运行时,需要落进水口检修门,工作量非常大,所需时间也比较长,一般电网难以批准。机组不在检修期,一般情况下不宜修改大环系数。

如果联机发现主配压阀采样不在中位设定值,说明是主配压阀压阀传感器的问题,直接更换传感器。现在的主配压阀传感器多采用磁致伸缩原理,最好用进口传感器,以保障可靠性。

2 比例伺阀发卡

2.1 故障现象

正常的开机过程是两段开机,调速器接收到计算机监控系统的开机令后在第一段开机过程将导叶开启至第一开机度,一般比空载开度要大,目的是尽快的将转速升至90%额定转速附近,然后进入第二段开机过程,即当转速上升至90%时,将导叶压回至第二开机度,然后根据频差进行PID调节,将机组转速维持在50 Hz。笔者遇到的比例伺服阀发卡故障发生时,在完成了第一开机过程后,在转速上升至90%后进入第二开机度过程中,导叶无法关回而是持续开启,调速器报故障将导叶控制方式切至手动方式。现场将导叶切自动,发现导叶开度继续打开,调速器又报故障切手动。判断为比例伺服阀发卡在开机侧,使主配压阀一直往下运动,导致导叶一直开启。

2.2 原因分析

比例伺服阀型的调速器对油质要求非常高,如果调速器用油的油质不是很理想,极容易导致比例伺服阀卡塞。尤其是水电站机组安装初期,调速器使用的各个电磁阀、液控阀、主配压阀压阀、主机厂提供的接力器及其相应使用的管路、阀门等部件,在产品出厂或运输以及现场安装时,容易在部件内部保留或产生杂质,从而导致油质出问题[2]。

2.3 处理方法

比例伺服阀发卡的处理,需要做好油路的隔离措施,主要是比例伺服阀管路泄压,其次是保证导叶处于关闭状态,宜落下进水口检修门再处理。首先是将压力油管出口阀关闭,将比例伺服阀两侧阀门隔离,将管道中的油路泄压,然后更换比例伺服阀。

从长效管理来说,必须加强调速器用油的定期滤油工作,有条件的可以安装在线滤油机,实时滤油,保证调速器用油的清洁度。

3 断路器位置信号误报甩负荷

3.1 故障现象

在调速器电气控制信号中,断路器的位置信号是个非常关键的开关量信号。调速器空载至负载态的判断,主要取决于断路器位置信号。如果在并网过程中,断路器位置信号误报消失,会导致导叶压回,造成遛负荷事故。笔者在实际的维护工作中遇到过一起断路器位置信号消失的故障。笔者所在的电站是四角星主接线图,发电机在主变高压侧可以通过两个断路器中任意一个断路器并入电网。所以调速器断路器位置信号是两个高压侧断路器位置取“或”逻辑后再与发电机出口断路器取“与”逻辑。当时高压侧两个断路器有一个断路器(代号为A断路器)在检修,发电机(代号C发电机)通过另外一个断路器(代号为B断路器)并入电网。在C发电机带150 MW负荷并网运行时,导叶突然关回至0开度,负荷瞬间变为0 MW,而此时的发电机出口断路器和高压侧B断路器均在合闸状态。

3.2 原因分析

检修人员对A断路器进行辅助触点更换工作,导致C发电机调速器断路器位置信号消失,瞬间导叶从70%开度关到0,负荷压空。理论上讲C发电机可以通过A断路器或B断路器任何一个断路器并入电网,B断路器检修不影响C发电机的正常运行。但是问题就出在C发电机调速器断路器位置取的是A断路器跟B断路器“或”逻辑后再跟C发电机出口断路器位置取“与”逻辑,而A断路器和B断路器的位置信号是公用一个公共端,所以在B断路器更换触点工作的过程中,影响了B断路器和A断路器位置信号的公共端电压波动,导致信号丢失。

3.3 处理方法

在机组正常并网发电时,严禁在断路器信号回路工作,防止信号丢失。另外,在调速器程序中做防误闭锁,增加对发电机有功功率的判断,如果发电机有功功率大于某个基准值(根据机组容量自行设定),即使发电机出口断路器位置信号消失,也不应该执行甩负荷程序。

4 导叶开机故障

4.1 故障现象

在日水头变化较大的水电站中,导叶的第一开机度和第二开机度要随着水头的变化而变化。如果水头有问题或者程序设计有问题,则会导致第一开机度和第二开机度紊乱,影响正常开机。笔者遇到过一次因为施耐德程序问题导致开机故障。在汛期时,由于来水较大电站在泄洪,导致下游水位抬高,使水头降低至额定水头以下,在低水头下根据调速器设置的水头-开限表计算得到一个较高的第一开机度。当水头恢复正常后,再次进行开机操作时,出现机组第一开机度过大,导致开机过速的情况。

4.2 原因分析

目前采用施耐德PLC作为调速器控制器的水电站,水头开限表是一个插值运算表,根据若干组水头数组和开限数组进行开限插值运算得出开机度。施耐德插值运算表有个漏洞,如果水头数组有两组一样的数组,运算会出错,水头变化时开度不变化。在汛期,因为泄洪导致水头降低至最低水头13 m,因为前两个数组都是13 m,导致运算出错,当水头上升时,第一开机度和第二开机度并不改变,还是维持在13 m水头下的第一开机度,导致水头上升时第一开机度过大,机组开机过速。

4.3 处理方法

对于参数表这类问题,就必须在机组检修时,对涉及到的调速器参数,一一试验,不能有漏项,发现问题及时修改相关参数,当然最根本的措施是源程序厂家要保证运算模块设计的完整性,不能出现程序漏洞。

5 主配压阀拒动节点信号误报

5.1 故障现象

当机组因各种原因过速超过115%Ne(Ne为机组额定转速)时,如果导叶没有迅速关回,将会导致机组继续过速,影响机组安全运行,此时调速器就会报主配压阀拒动信号至计算机监控系统,计算机监控系统根据115%Ne转速信号加上主配压阀拒动信号的判据,启动115%Ne过速保护事故停机流程,将导叶关回。笔者遇到的主配压阀拒动信号误动的情况是在机组投产时做甩100%负荷实验时出现的,在甩100%负荷时,调速器并没有出现拒动现象而发出主配压阀拒动信号,导致115%Ne过速保护误动。

5.2 原因分析

主配压阀位置接近开关动作原理:只能机械的判断主配压阀拒动信号,即主配压阀往下运动或者保持中位时(开启导叶时)动作,主配压阀往上运动(关回导叶时)时不报信号。见图1,红线是转速信号,蓝线是导叶信号。

图1 甩100%负荷转速-导叶图

在A1点,转速第一次上升到115%额定转速,导叶关回,根据主配压阀拒动接近开关动作原理,此时主配压阀拒动接近开关不动作。

在A2点,转速第二次上升到115%额定转速,但是此时导叶已经开启,根据主配压阀拒动接近开关动作原理,主配压阀拒动接近开关动作,水机保护115%过速保护动作。

根据水轮发电机甩负荷过程,甩负荷后,转速升高,导叶以最快的速度关回,所以主配压阀拒动信号是不会报的,第一次转速上升到115%额定转速过程是正常的。

而当转速从最大转速下降的过程中,为了使转速不至于下降过低至45 Hz以下,调速器会自动在转速下降到115%额定转速之前将导叶开启,此时主配压阀拒动信号的动作是误动作。

5.3 处理方法

主配压阀拒动条件必须是在115%Ne转速点的上升沿时进行判断才合理,而传统的主配压阀拒动接近开关是纯机械式的,没有办法加入转速的判断。为克服传统的主配压阀位置接点动作不可靠的缺点,可以在调速器程序中定义主配压阀拒动条件。原理是当机组甩负荷后,调速器将导叶关回时,导叶开度给定减去导叶实际开度为负值,而此时主配压阀位移减去中间位置也应该为负值(往关方向运动),而此时如果主配压阀位移减去中间位置为0或正值,说明主配压阀处于中间位置或往开方向动作位置。综合以上两点,采用图2进行主配压阀位置接点判断,可以在调速器程序中实现,图中,YPID为导叶开度给定,Y为实际导叶开度,y为主配压阀位移。

图2 主配压阀位置信号判断流程图

6 结语

调速器是电厂发电机组的控制中心,对机组的安全高效运行起着至关重要的作用,必须在实际的运维实践中不断地进行总结,通过对几起典型调速器电气故障的案例进行分析,这些实践经验帮助检修人员及时正确地判断和处理了调速器的各种故障,有效减少了调速器故障所带来的损失,保障了发电机组安全可靠的运行,希望对调速器维护人员带来一定的参考意义。当然,随着自动化水平的提高,相信调速器电气控制设备在设计、产品的先进性和可靠性上会取得更大的提高,如何研究高自动化水平下的调速器设备的维护方法将是需要考虑的问题。

[1]南海鹏,王德意,王 涛.基于可编程控制器的水轮机调速器[J].中国农村水利水电,2001(5):55-56.

[2]刘亚涛,王立贤.景洪水电站调速器比例伺服阀发卡故障诊断[J].大电机技术,2010(2):63-64.

TK730.4

B

1672-5387(2017)07-0074-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.023

2017-04-27

唐亚波(1987-),男,工程师,从事大型水电厂电气设备管理工作。