单导叶非同步故障模式分析

李刚 王浩 常东亮 姜沛东

摘要：本文分析了抽水蓄能电站单导叶非同步故障模式，详细分析了单导叶非同步故障的影响，验证了单导叶非同步故障模式在短时运行的可行性，为进一步提高抽水蓄能电站保障电网安全、稳定运行提供了新的思路。

关键词：抽水蓄能电站;单导叶;非同步故障模式

某抽水蓄能电站总装机容量120万千瓦，是一座日调节抽水蓄能电站本机组，电站位于省电网负荷中心，承担调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。电站在国家电网1000千伏特高压交流示范扩建工程大负荷试验、小浪底调水调沙、重大保电任务及河南电网安全稳定运行中发挥着重要作用。电站导叶采用20个单导叶接力器，当单个导叶非同步时，设置为偏置3%报警，偏置5%停机，由于导叶数量多，故障率相应提高，为机组的安全、稳定运行提出了挑战，不利于发挥抽水蓄能电站调峰填谷、事故备用等任务的执行。因此分析单导叶非同步故障模式，通过验证机组在单导叶非同步故障运行时，是否具备为电网安全、稳定运行争取更多处理时间的可能。

一、单导叶调速器的控制结构

根据某抽水蓄能电站机组，单导叶调速器控制系统主要2个控制器（UPC）和20个导叶控制卡件（SPC）以及液压随动系统。控制器包括UPC（N）和UPC（S），远程终端单元向UPC（N）和UPC（S）传送负荷控制信号，二者转化负荷信号为开度信号，再向SPC传递信号，SPC不仅负责接受导叶的开度信号，同时还负责接受导叶位置信号。如果某一个导叶开度值超过了标准范围，SPC即可上送报警信号给UPC，促使机组跳闸。

SPC同時作为电流放大卡件，利用控制算法计算之后控制伺服线圈电流，进而驱动伺服阀工作运行。SPC控制工作时发出周期性的方波，在避免阀芯卡涩同时保证了伺服阀的响应灵敏。

在伺服线圈电磁力与阀芯对侧弹簧的共同作用力下，促使伺服阀芯改变供油口和排油口的通路，因此改变导叶接力器的开启腔和关闭腔的压力。如果开启腔压力比较大，将会驱动导叶接力器开启导叶，如果关闭腔压力比较大，导叶接力器可以驱动关闭导叶。导叶开度的变化，改变了转轮的进（出）水量，因此控制机组运行功率。在导叶接力器的顶部直接连接导叶位置传感器，可以将导叶开度值转换为标准模拟量电流信号反馈至SPC。

二、单导叶非同步故障模式运行试验

结合该电站单导叶调速器控制结构，任何原因引起的SPC故障都会引发单导叶关闭或全开，导致非同步故障，由于20个导叶共配置20个SPC，故大大增加了SPC故障引起的跳机风险，因此需要系统性的分析单导叶非同步故障模式运行时对机组的影响。因此提出进行单导叶非同步故障模拟试验，通过试验结果验证机组在单导叶非同步故障运行时，是否具备为电网安全、稳定运行争取更多处理时间的可能。

（一）试验方案

试验目的是在单个导叶故障模式下，保持机组运行5分钟，即机组在一个导叶关闭或全开，而其它导叶正常开启的时候（单导叶非同步），机组运行一段时间。从而给开启另一台机组足够的时间，以防止意外停机。

所有试验都在热稳定后进行。首先记录机组正常工况动态特性，以此与故障模式对比。水轮机工况对于每个出力，首先记录机组在正常运行下的动态性能数据，然后改变2号导叶的开度偏置±5%和全开、全关，记录机组在2号导叶偏置±5%和全开、全关情况下的动态性能数据。抽水工况也分别在高水头与低水头进行正常模式和故障模式试验，记录动态性能数据。

（二）传感器安装

水力测量传感器：所有7个压力传感器，型号PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA，测量范围10MPa，在安装前已标定。使用1个差压传感器测量差压流量。（上、下游压力传感器，蜗壳压力传感器，尾水压力传感器，2个无叶区和1个上冠压力传感器，1个差压传感器）。

加速度计和距离传感器及应变片：2个非接触式传感器TELEMECANIQUE XS4，测量水导摆度，并在试验前用进行了标定。7个PCB加速度计测量振动，并在试验前标定。测量点包括：水导摆度，水导径向振动，1、2、3号导叶径向振动，顶盖垂直振动。在1、2、3号导叶安装全桥应变片，并在每次试验前调零。应变片安装在接力器和导叶耳轴连接臂处。

导叶压力和速度传感器：型号PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA的压力传感器，测量范围10MPa，安装前已标定，安装在2、3号导叶开关腔。使用TELEMECANIQUE XS4速度传感器通过键向块测量转速。

记录仪使用一台OROS，以及相应软件NVGate8.30，正常模式采样2分钟，故障模式采样5分钟。分析使用DYNAMX 10.1.1。压力以及差压传感器使用DRUCK DPI 620标定，摆度使用塞尺标定，加速度计使用PCB 394C06标定，导叶扭矩在试验中进行标定。

三、单导叶非同步故障模式运行试验结果分析

动态测量分为，正常工况测量和故障工况测量。

摆度在两种工况下的峰峰值基本没有变化;

振动速度信号取振动速度有效值，两种工况下对振动的影响不大;

两种工况下的压力脉动变化值很小;

非同步导叶，偏置模式下的扭矩波动大于正常模式下的扭矩波动。 但两工况下的峰峰值为相同的数量级。

基于以上结论，机组故障模式（单导叶非同步）在限定时间内可以运行（假设此事件每次缺陷发生的时间少于5分钟）故验证故障工况运行5分钟的动态特性在可接受范围之内，短期操作可行。

结束语：

单导叶非同步故障关系到抽水蓄能机组运行的稳定性和安全性，进而影响到所属电网的稳定性与安全性，因此进行单导叶非同步故障模式运行试验并进行结果分析，不仅对单导叶结构调速器，而且对控制环导叶控制器都具有借鉴意义。为电网调度值班员在机组故障模式下的负荷转移和应急处理提供了宝贵时间。