水轮发电机组自开机及过速事故分析及处理

陈琦

（国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

1 简介

紧水滩水电站装设6台50 MW水轮发电机组，主要担负浙江电网顶峰、事故备用任务。水轮机调速器系统采用武汉三联水电控制设备有限公司PSWT-100型比例伺服数字微机调速器。该调速器机械部分由比例伺服阀＋数字阀＋机械手动组成机械冗余结构，PLC可编程控制器作为控制核心，调速系统框图如图1所示。

图1 PSWT-100型调速器系统框图

图2 运行工况切换

调速系统中比例伺服阀和数字阀都起电液转换作用，将电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，放大器的输出信号使电液转换器产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。

当比例伺服阀转换器作为主用时，数字阀转换器作为备用，也可以作为机械手动。当数字阀作为主用时，比例伺服阀转换器作为备用。如果电气控制部分检测到主用的电液转换环节出现卡涩拒动时，电气部分将自动切换到另一路电液转换环节。将比例阀伺服阀与数字球阀溶于一体，实现了机械液压系统前置级的冗余容错控制。调速器具备自动、电手动和机械手动三种操作方式，当电气部分发生故障时，可无扰动地切换至机械手动状态，如图2所示。

PSWT-100型调速器系统采用德国BOSCH公司生产的比例伺服阀作为调速器液压系统的主用电液转换元件。比例伺服阀将比例阀中的比例电磁铁与伺服阀中的阀芯、阀套加工技术进行有机结合，采用比例电磁铁作为电气-机械转换器，而功率级滑阀又采用伺服阀的结构和加工工艺，是比例与伺服技术紧密结合的产物。比例伺服阀具有滞环和重复性小的控制特性，特别适用于闭环系统。比例电磁铁线圈不励磁时，阀芯处在保护位，阀口遮盖量为0.根据比例伺服阀的输入输出特性，比例伺服阀功放板接受±10 V的控制信号，经其放大后输出相应的电流信号，电流信号在比例伺服阀线圈中产生的磁场驱动比例电磁铁移动相应的位移量，从而带动比例伺服阀的阀芯移动，输出相应的流量，输出流量与输入控制信号成比例线性关系。阀芯移动的同时，内置差动变压器式位移传感器检测阀芯位置，并将其信号反馈到比例放大器，与比例电磁铁形成闭环位置控制。

2 自开机和过速事故经过

2.1 自开机和过速事故

检修人员对6号机调速器检修工作结束后，恢复防转动措施。将调速器由“机手动”切至“自动”位置，机组在无任何开机令的情况下自动开启导叶，机组转速快速上升，机组一级过速115%及二级过速140%过速保护动作，机组紧急停机电磁阀及事故配压阀投入，机组快速闸门下落，事故停机。上位机操作员站信号记录：“6#机调速器局部故障”“6#机调速器自动控制退出”等。

2.2 自开机事故

6号机停机备用，导叶自动开启，机组转速升至28%Ne，调速器面板“故障”灯闪亮，现地手动投紧急停机电磁阀，手动将导叶关回。

3 现场试验及事故原因分析

事故发生后在机组蜗壳无水的情况下（蜗壳有水的情况下，机组转速上升过快，无法测量和观察）进行以下试验。

3.1 调速器“自动”工况模拟试验

调速器在“自动”位置，比例伺服阀工作，平衡表为－0.5%，控制输出为0.机组导叶慢慢开启，输出的关导叶信号逐渐增大，但导叶继续开启。30 min后，机组导叶开度达到3.02%，调速器由比例伺服阀自动切至数字阀工作，同时发故障信号；导叶继续开启，调速器自动切“机手动”状态，导叶继续开启，手动投入紧急停机电磁阀，将导叶关回。

3.2 切换试验

调速器从“机手动”切至“自动”位置，调速器自动切至比例伺服阀工作。机组导叶突然开启至16.54%，平衡表为－17.04%，控制输出为0.调速器由比例伺服阀自动切至数字阀工作，同时发故障信号，导叶继续开启，调速器自动切“机手动”状态，开度维持不变。

调速器在“自动”位置，隔离比例伺服阀控制输出，即比例伺服阀退出控制，数字阀工作；然后切至比例伺服阀工作。机组导叶突然开启至16.58%，平衡表为－17.08%，控制输出为0.调速器电源断开，再上电。调速器上电后，在“自动”位置，比例伺服阀工作。机组导叶突然开启至36.78%，调速器由比例伺服阀自动切至数字阀工作，同时发故障信号，导叶继续开启，调速器自动切“机手动”状态，开度维持不变。

3.3 试验结论及事故原因及处理

调速器“自动”工况下，比例伺服阀工作。比例伺服阀在开机侧发卡，不能操作主配压阀回到零位，主配压阀油口一直在开启位置，导叶迅速开启。此时，机组处于停机状态，调速器发出关闭导叶的信号。

由于比例伺服阀发卡，不能正确动作将导叶关回。导叶继续开启，导叶开度大于3%时，调速器判断比例伺服阀故障，自动切至数字阀工作。导叶仍在开启位置，调速器判断停机状态数字阀工作而导叶开度大于3%，数字阀故障，将调速器电气控制切除，调速器切至“机手动”状态，导叶维持原来开度。如果蜗壳有水，导叶将在水推力的作用下慢慢开启，机组自动开机，发生自开机事故。

异常自开机过程中导叶开启速度取决于比例伺服阀发卡的位置，开启最大开度取决于调速器由比例伺服阀切至数字阀的切换时间。比如导叶开启速度较快、比例伺服阀切至数字阀的切换时间较长，势必导致机组导叶短时间开启至较大开度，机组转速迅速上升，机组过速保护动作，事故回路将导叶关回，发生自开机和过速事故。

综上所述，机组自开机及过速事故的主要原因是比例伺服阀在开机侧发卡，致使主配压阀向开侧移动，操作导叶开启。此过程中数字阀虽然工作正常，但调速器控制逻辑未考虑停机状态导叶开启的特殊情况，调速器错误判断数字阀故障，自动切机手动运行，切除电气控制。数字阀未起到备用控制的作用是事故的次要原因。针对事故的原因，对滤油器及比例伺服阀进行彻底解体、清扫；经模拟试验机组未发生导叶异常开启事故。机组投入运行后，未发生异常开机事故，调速系统恢复正常工作。

4 结论及建议

比例伺服阀的先导控制级采用的是单纯的滑阀配合的结构形式，内部流道里没有极易被堵塞的细小节流孔口，它对油质的精度要求不高，通常小于20 μ即可。但比例伺服阀仍属高精密的元件，如果油中存在比较大的杂质，特别是金属性的杂质，在机组运行过程中，杂质可能卡住比例伺服阀使其不能自动复中，引起机组导叶异常动作。

要避免此种情况，日常运行中要求做到以下4点：①液压集成块的内部油路彻底清洗干净，不留杂质，以免杂质进入比例伺服阀内部流道，造成阀芯卡涩；②提高调速器油过滤器滤网目数，确保运行中油质清洁；③做好比例伺服阀的定期检修维护，建立定期试验更换制度；④完善数字阀故障判据，保证数字阀可靠工作。