水电站调速器典型电气故障分析及处理方法张龙

水电站调速器典型电气故障分析及处理方法张龙

张龙

（国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司宁电分公司宁夏吴忠751601）

摘要：随着科学技术的快速发展，我国水电站发展非常迅速。水电站调速器主要包括调节控制器和机械液压系统，用以保证水轮发电机频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成自动开停机、负荷调节等自动化操作。

关键词：水电站调速器；电气故障分析；处理方法

引言

水和电是人们生产生活所必不可少的最重要基础能源。目前，水轮发电机调速器均采用较高可靠性的可编程控制器等作为调节器，配合少量的外围信号电路，电气部分故障率相对较低，偶尔出现的异常故障现象，大部分是由于信号线接触不良、程序设计考虑不足、产品寿命质量问题以及机械液压部件杂质堵塞造成的。

1水轮机调速器的原理

水轮发电机一般都接入大电网中运行，以满足电网中负荷的供电需求。电力系统内的负荷在时刻变化，所有并网的发电机组必须具备根据负荷变化进行出力调节的能力，以使系统时刻满足功率平衡的要求，维持系统的稳定运行。当出现功率不平衡的情况时，首先需要进行系统的一次调频。调速器是进行电力系统一次调频的关键设备，火电机组和水电机组都配置有相应的调速器。

2自动水头未投入

（1）故障现象，轴流转桨式双调节机组调节过程中，导叶和桨叶之间通过最优协联控制以增加水轮机高效运行区域宽度，使水轮机组具有最高的运行效率。协联控制即某时刻的水头信号和导叶开度共同确定桨叶开度。长期以来，由于水头测量回路误差较大，电站运行人员根据水库上下游水位值手动修改调速器侧水头值参与协联控制，无法满足调速系统对水头值的实时要求，不能及时反映机组实际工作水头变化，从而使机组长期偏离最优工况运行。（2）原因分析，按照设计，水电站水轮机工作水头是通过测取水轮机蜗壳进口压力与尾水管出口压力后计算而得。机组投产发电后，随着水库泥沙含量增大，各机组蜗壳进口压力和尾水管出口压力测量管路被泥沙不同程度淤堵，各压力表计输出数据与实际压力值相差较大。（3）故障处理，新的水头信号采集设计为由机组拦污栅后水位和下游水位在机组LCU（现地控制单元）中相减得到实时水头信号。其中，机组拦污栅后水位现有液位传感器至机组LCU的硬接线回路，电站下游水位属于全厂公用LCU中现有的采集信号。各机组LCU通过监控系统网络互取功能完成下游水位值实时调用并参与水头信号运算，运算后的水头信号通过原有模拟量输出通道至调速器侧参与实时调节，实际运行结果表明，机组水头信号采集过程经零物质条件投入方式修改后，避免了人工修改水头的繁琐以及人工水头对机组运行效率的影响，在一定程度上实现了节能目的。

3活接头渗漏并有松动现象

（1）故障现象，调速器压油装置油泵在停泵时，工作油罐、事故油罐进油管路伴随着剧烈振动。为防止管路活接头再次松动出现渗漏现象，检修技术人员初步拟定方案将不锈钢无缝管更换为压力等级为10．0MPa的金属软管，暂时解决因管路振动造成的管路活接头松动渗油现象。（2）原因分析，检修技术人员经初步判断分析，在停泵过程出现管路振动较大的原因是形成了“水锤”现象，对油管路造成剧烈冲击、振荡。管路振动将是设备运行存在严重的安全隐患。为找出确切原因及将隐患彻底消除，技术人员细致研究探讨调速器压力油罐补油原理。调速器压力油罐补油过程中，压油泵、组合阀、电液卸载阀参与压油装置逻辑控制程序，在原有控制逻辑中，在压油泵启停泵时，电液卸载阀、组合阀与油泵同时开关。（3）解决方案，针对因压油装置逻辑控制导致的管路振动，技术人员提出了以下解决方案（以下方案均以主用电液卸载阀为例）：1）将开电液卸载阀控制程序开出脉冲时间修改为2s，控制方式增加阀开启位置复归开阀脉冲，关阀命令闭锁开阀命令。关电液卸载阀命令增加关闭位置复归关阀脉冲。2）关闭电液卸载阀控制方式修改为：油罐启动压油泵命令消失＆三台泵均不在运行。3）启泵控制逻辑程序修改为：油罐压力达到启泵油压→开启电液卸载阀→PLC收到电液卸载阀反馈信号，启动油泵→启动油泵命令延时6s，电机达到额定转速→组合阀加载建压。

4调速器的故障处理办法

水轮发电机调速器出现故障的因素较多，具体可分为水力方面的因素、机械方面的因素，以及电气方面的因素等。水电发电机组的特点是水轮机需依靠水力的冲击，带动水轮机旋转，从而将机械能转化为电能，故调速器首要的故障来自于水力方面的因素。由于引水系统中水流的压力脉动导致水轮机的转速发生脉动。其次，来自机械方面的因素也会导致调速器出现故障，如发动机的主机本身就发生摆动，必定对调速器产生影响。再次，来自电气方面的因素也会导致调速器出现故障，如机组定子和转子间气隙的不均匀，将导致电磁力的不平衡，从而产生电磁振荡。当发电机组的调速器处于正常工作时，且能够应对系统负荷的变化，即功率缺额为零，此时可得系统的频率偏差量也为零。当系统中的负荷增大，即系统的功率缺额为正时，发电机组的调速器应动作，机组的转速增加，增大发电量，但若此时调速器发生故障，即出现发电机组转速不变或降低的情况，系统将面临的一定的功率缺额，此时系统的频率将下降。

5小网标志频繁动作

（1）故障现象，按照《西北电网发电机组一次调频运行管理规定》要求，水电站机组调速器正常调节模式为PI调节的一次调频模式。小网标志动作后机组退出一次调频模式进入小网工况运行，小网工况是采用PID调节的频率调节模式，目标是快速对频率变化做出响应，稳定频率变化，但单纯的频率调节模式会对机组负荷稳定产生不利影响。机组发电状态时上位机监盘发现机组频报小网标志动作、复归信号，动作周期小于1s；停机工况下，偶尔也会发生小网标志动作、复归信号；小网标志动作时刻，故障录波器、监控系统以及机组功角测量装置的频率采集值未超过小网标志阈值。（2）原因分析，机组并网工况下调速器频率越过小网阈值（机组频率大于50.50Hz或小于49.50Hz），即进入小网工况，置PID调节参数。当机组频率恢复正常（进入50.20~49.80Hz），退出小网模式。经过对比其他对频率动作有记录功能设备的历史曲线，在调速器小网标志动作时刻均未发现任何异常动作记录。由此考虑，现场电力生产环境干扰问题，虽然在机频信号采集硬件回路中已采取了抗干扰措施，如硬件滤波、信号电缆屏蔽等技术，但是由于在应用程序中直接通过判断机组频率是否超出阈值来确定信号动作与否的方法不能排除现场噪声与瞬时干扰因素导致的影响误判，可引起小网标志频繁动作复归现象。（3）处理方法，针对现场生产环境中难以完全避免的机频信号瞬时干扰问题，采用了延时判断方法以消除干扰突变。其中，JF为机频采样值。增加防瞬时干扰程序段后，小网标志信号频繁动作现象消失。该方法可推广适用于各种模拟量阈值判断控制场合，对各类控制设备实现定值准确判断和控制具有重要意义。

结语

水轮机调速器是水电站的重要基础控制设备，对发电机组安全稳定运行意义重大。通过对水电站内调速器几起典型电气故障的分析、处理及总结，为其他电站调速器类似故障迅速判断故障原因并及时处理故障提供了参考。

参考文献：

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[2]蒋志照，王珍明.水轮机调速器系统抽动故障及其消除措施[J].水电自动化与大坝监测，2016，36（2）：43-46.

[3]潘熙和，黄业华，王丽娟.2013年水轮机调速器与同步发电机励磁用户技术培训教程[M].武汉：武汉长江控制设备研究所，2013：13.