三星水电站2 号发电机组调速器抽动故障分析与处理

邓海建

（四川明星电力股份有限公司，四川 遂宁629000）

1 概 述

三星水电站位于四川省遂宁市船山区老池乡三星场与重庆潼南米新镇之间，距遂宁市区约35 km，是明星电力股份有限公司承担调峰任务的主力电站，于1999 年正式投产使用。电站配3 台额定容量16 MW的轴流转桨式水轮发电机组，日峰值发电量120 万kW·h 左右。三星站调速器系统早期采用南瑞公司的S700 控制柜，2007—2008 年间逐步将1～3 号机组升级更新为南瑞公司最新的SAFR—2000水轮机调速系统控制柜。

SAFR—2000 核心控制模块采用贝加莱公司的PCC 整体方案，分A、B 两套独立控制，基本原理是使用完全独立的模块组合，包括测频、冗余切换、开入开出，继电器阵列等，通过测量机组的残压产生频率反馈进入核心部件进行PID 运算输出模拟和脉冲两种控制信号，然后让模拟信号经过驱动板放大驱动电磁线圈动作，阀头和位移变送器再将信号反馈，以此达到闭环控制的目的（见图1）。

从图1 中可以看出，PCC 调速系统采用了全模块化控制，每一个独立的部件承担一个独立的作用，目的就是形成一套闭环控制系统，主环控制频率，副环控制开度，层次调配关系非常明确，三星水电站自更换控制柜之后调速系统运行稳定，负荷控制调节的精确度良好。

2 故障现象

从2016 年4 月初开始，运行人员发现2 号发电机组平稳运行时油压装置压力油泵启动较以往频繁很多，油压屏指示的油罐压力值下降很快（油压装置设定油泵从3.6 MPa 启动打油，4.0 MPa 停止），4.0 MPa 的油压在短短10 min 之内就降到了油泵启动值3.6 MPa；而相邻的1 号和3 号机组，该数据基本都在40 ～60 min 左右。在有机组负荷调整时，2 号机组的油泵打油间隔在仅5 ～6 min，这样的时间间隔，较正常时减少了数倍，不但容易引发油泵故障，使得厂用电量和厂用电率超标，同时也给机组的安全稳定运行带来了极大风险（见表1）。

现场对调速系统电气和机械设备进行反复检查后发现调速系统机械设备中导叶柜中接和主接有轻微抽动现象，主接抽动行程3 mm 左右，将调速器切手动运行时，油泵运行间隔能保持28 min 左右；电气部分油压屏停泵值偶尔出现未到正常停泵值4.0 MPa，但此数据并不固定，有时3.90 MPa，有时3.85 MPa；电调柜导叶平衡表电压偏差基本维持在± 1.5 V 左右，当桨叶平衡表电压偏差超过±2.5 V时抽动有所加剧，在通过调速器微调后，桨叶平衡表电压偏差控制在±1.5 V 左右时抽动略微减轻，但也仅能增加油泵运行间隔时间3 ～4 min左右，效果不明显。将机组调整到不同负荷区间进行观察，现象依旧。

表1各机组油泵相关数据

从表1 中可以看出，2 号发电机组的油泵运行时间较其他机组明显偏短，且油泵的间隔时间也较其他机组短很多。

3 排查分析

3.1 从机械部分排查分析

（1）对压力油罐排油阀、补气阀及油泵组合阀及各主油路及控制油路检查未发现有漏油或漏气现象。对各控制油路电磁阀从声音判断和漏油箱漏油管处观察均未发现有串油现象。

（2）将导叶柜切至手动运行时，中接和主接均无抽动偏移现象。说明中接和主接油腔间密封完好，同时也排除比例伺服阀阀芯磨损、卡阻或回中弹簧机械受损导致阀体内部串油的可能（如比例伺服阀因阀芯磨损、卡阻或未回中导致串油，那么在手动情况下依然会串油，中接应该会向开或向关的方向轻微动作）。

（3）因机组大修不久，转轮在大修期间耐压试验效果非常好，受油器各部件运行平稳，也排除转轮室各压力油腔串油的可能。

通过以上3 点对各调速系统机械部分导致油泵运行频繁的可能基本排除。

3.2 从电气部分排查分析

（1）对油泵启停时间观察，正常情况从3.6 MPa 加压到4.0 MPa 油泵运行时间约48 s，偶尔出现压力在3.85、3.9 MPa 停泵时，油泵运行时间在30 ～36 s 左右，但这并不是油泵频繁启动的根本原因；因为即使油压到4.0 MPa 停泵，运行间隔仍然在10 min 左右。

（2）通过对机组不同负荷区间调整，抽动基本一致，没有在某一区间稳定的情况，基本排除旋转变送器线性度出现问题的可能。

（3）对机组振动情况进行对比监测，在负荷不调节时振动非常微小，可以排除因振动使旋变抖动引起反馈误差使调速器输出对应变化的可能。

（4）调速器自动情况下，将导叶柜旋变脱离中接引导固定在某一个位置时，发现中接缓慢向关方向动作（对另两台机组做同样试验，中接保持不动），说明反馈无变化的情况下，比例伺服阀伺服线圈接收到动作信号。

（5）最后观察调速器触摸屏的运行监视窗口，发现导叶平衡表和桨叶平衡表的电压值左右漂移范围较大，而该平衡表所指示的正是PCC 的控制调节输出信号；这表示调速器在不断的调节输出来保证并网后的频率、开度在正常控制的范围内（正好与第4 点现象相符）。同时，通过实验发现，如果拔出导叶比例伺服阀的控制阀头后，导叶柜中间接力器也完全停止了抽动；而导叶不抽动时，油泵的运行间隔能到1 h 以上。

3.3 综合分析

综合以上排除分析，基本将次要故障原因归咎于油泵控制系统启停不正常，而主要原因锁定到调速器电控部分；也就是说从调速器电柜到机柜伺服阀线圈这一段，而电控部分发生故障的可能原因较多，通过分析之后，有以下几点：

（1）旋转位移变送器反馈错误或出现非线性，导致反馈开度与实际开度产生误差，使得调速器误认为没有调节到位，导叶副环产生控制输出，不断调节导叶开度数值（从不同负荷区间调节运行试验看，此项应作排除）。

（2）测频回路出现干扰，频率出现测量偏差，导致主环调节信号动作，控制导叶副环输出调节开度。

（3）调速器PID 参数设置不合理，导致调速器控制输出长期围绕目标值调整，从而超出死区范围动作到导叶伺服线圈上。

（4）导叶功放板故障，产生错误的伺服线圈动作电流，使比例伺服阀阀芯不能回到中位。

（5）控制回路受到干扰或其它原因，使得伺服阀线圈误动作。

（6）比例伺服阀伺服反馈出现误差或伺服反馈受到干扰，导致电磁阀阀芯中位反馈信号与实际不一致。

（7）比例伺服阀线圈部分故障。

4 处理过程

关于次要故障原因，通过更换压力传感器和油泵控制程序优化得以排除，这里不作讨论，以下介绍一下主要故障原因的处理过程。

在调速器静态实验中，通过导叶副环调节实验，设定不同的导叶开度目标值进行试验调节，观察实际动作过程并记录下PID 调节曲线（见图2）。结果发现在各种大小扰动调节中，曲线平滑良好，导叶开度接近目标值的时间非常好，到达目标死区范围后即不再调节，实际反馈误差和给定值非常接近，在0.01 ～0.05 之间。

而通过副环调节发现导叶的位移反馈值也并未出现跳动、偏差和非线性，现场观察无论是在开机运行还是静态试验下，调速器系统在目标值死区范围内均无控制信号改变输出，频率信号也很稳定，所以综合分析中的（1）、（2）、（3）点均被排除。为排除功放板故障，将2 号机组导叶功放板与3 号机组功放板进行了对调（对调前后都对功放各项数据进行了测量记录），更换后在开机状态下调速器抽动现象依旧，将第（4）点原因也排除。

为检测控制回路是否受到干扰，直接从导叶控制输出处单独布屏蔽良好的专用线缆直接接到导叶柜端子排（在接线过程中，发现导叶柜端子接线板的伺服阀开入信号端子严重松动，考虑到对伺服线圈较大的电流推动，接触不好也会影响电流的电磁力驱动。另外，伺服阀驱动和反馈回路屏蔽线均未按规范做接地处理），接线后仍发现有轻微抽动；因时间较紧，未做长时间运行对比观察，所以将端子松动和未屏蔽处理列为怀疑对象之一。

对于综合分析中的（6）、（7）点，我们直接采取更换比例伺服阀的办法，并对原接线端子逐一检查紧固，对屏蔽线做了良好接地，以消除外部相邻电路可能带来的干扰。

完成上述措施后，在保证导叶不会误动的情况下（油压装置主油路闸阀关闭，中间接力器机械开限全关），再次对调速器进行静态和开机运行调节实验，发现抽动故障解决，电柜显示面板上的导叶平衡表基本不再左右漂动，保持在一个微小的偏置状态（关方向0.5 V 左右）；导叶控制系统在无调节信号时中接和主接稳定在固定位置无任何抽动。经过处理后几个月运行情况观察，油泵运行间隔保持在60 ～70 min 之间。至此，调速器抽动致使压力油泵频繁启动故障得以解决（见表2）。

因此，我们将此次故障锁定为比例伺服阀伺服反馈或阀头驱动线圈部分异常导致调速器不断输出调节信号所致。

表2更换比例伺服阀后，机组不同状态下测量数据

5 经济效益

此次2 号发电机组调速器抽动故障的彻底解决，提高了该机组自动控制系统的安全性、可靠性，减少了电网设备事故损失；同时减少了设备事故发生率，获得电量收益。

（1）按故障停机更换比例伺服阀及调速器做静态、动态试验，抢修需停机时间约5 h，而此次故障排查处理及时，减少损失电量约8 万kW·h。

（2）单台油泵运行间隔时间由原来的10 min增加到60 min 以上，以油泵功率37 kW 计算，一年能节约厂用电量约3 万kW·h。

（3）油泵运行间隔时间的增长，有效减少了油泵长期运行导致的磨损、发热等，大大延长了油泵使用寿命。

（4）调速系统稳定性增强，杜绝了油泵故障导致机组事故停机的潜在风险，为机组长期满发稳供和降低故障停机台数打下了良好基础。

6 结 语

为了保证电网频率正常调节及机组过速事故下紧急动作，调速器内部运行涉及的参数复杂，各项参数都是通过逐项实验得出，与当前设备工况相匹配，各参数间相互作用配合，牵一发动全身，非专业技术人员禁止修改。

三星水电站的此次调速抽动故障与大多数的抽动案例有所区别，它没有出现明显的负荷变化情况，但如果不加以处理，对设备长期稳定和经济运行会造成非常恶劣的影响。为了避免调速系统的类似故障再次发生，机组大修或大修后必须注意以下事项：一是调速器各项试验必须如实进行，并做好数据收集备案。二是控制回路各个转接端子的紧固情况必须仔细检查审核，并尽量减少转接次数。三是重要控制回路一定选择屏蔽良好的专用线缆，屏蔽线是否有效单端接地都要全面检查。四是大修期间，精密仪器部件需专人检查清洁，并做好防异物进入的保护措施。五是定期对导、桨叶滤油部件进行更换，确保油质良好。