水輪機調速器運行工況誤切換故障的分析與處理

陳 榮，陳炳森

（1.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧530022；2.廣西西江開發投資集團有限公司，廣西 南寧530023）

那吉航運樞紐位于廣西百色市田陽縣那坡鎮境內右江河道上，距上游百色水利樞紐61.8 km，是百色水利樞紐的反調節水庫，是一座以航運為主、發電為輔的水資源綜合利用工程。樞紐電站共安裝了3臺單機容量為22 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，機組額定水頭11 m，額定流量220 m3/s，電站采用武漢能事達公司生產的交流伺服電機自復中式微機調速器，額定油壓6.3 MPa。由于2#水輪機調速器在機組運行過程中，多次發生運行工況突然切至“手動”模式運行的故障現象，因此分析了故障原因，通過軟件技術措施排查和消除了機組安全運行隱患，現將故障的原因及排除方法進行總結，以供同行進行參考。

1 故障現象及影響

1.1 故障現象

2010年10月28日，電站2#機組正在運行中，中控室機組監控事件窗口表突報“2#機組調速器事故”、“2#機組調速器電氣柜故障”信號，2#機組調速器監視畫面中指示機組調速器的導葉、槳葉均為“手動”模式運行，運行人員現地檢查調速器電氣柜，發現調速器已由正常運行時的“自動”模式切至了“手動”模式，調速器電氣柜上故障報警燈亮，但是調速器觸摸屏上卻沒有故障報警信號和當時的歷史故障報警記錄。值班人員檢查發現無異常后，現地將調速器切回“自動”模式后，調速器恢復正常運行狀態，可根據機組頻率的變化自動調整機組的出力。

1.2 故障影響

機組在正常運行狀態下，調速器應處于“自動”模式運行。在非“自動”模式下運行，調速器的PLC不再根據機組頻率的變化來調節控制機組導葉開度，而是根據運行人員給定的導葉開度值來實現調節控制，若發生事故，發電機出口斷路器跳開甩掉全部負荷時，因導葉開度給定值仍處于事故前給定開度，沒有發生給定值變化，所以機組轉速會突然大幅上升甚至出現過速現象，直接威脅到機組的安全運行，因此，機組在正常運行狀態下，不允許將調速器切至“手動”模式運行。

上述故障發生后，未經全面排查而由運行人員現場將調速器切回“自動”模式恢復了機組的正常運行，其后近一個月時間內，電站2#機組又多次在運行過程中發生上述故障現象。

2 故障原因分析

根據生產廠家的調速器使用說明書及運行維護經驗，電站機組調速器系統出現故障時會一直保持故障報警狀態，故障消失后會自動復歸報警信號，同時調速器觸摸屏會自動保存故障信息，方便運行值班人員查閱。

但前述機組運行過程中調速器因故障原因由“手動”模式切至“自動”模式，待運行人員發現故障到現場檢查時，故障信號已經消失，調速器觸摸屏上沒有發現故障報警信號和當時的歷史故障報警記錄，只能在故障原因未明的情況下，在現地將調速器切回至“自動”模式運行。

2.1 系統基本結構

調速器的系統結構如圖1所示。調速器以PLC為控制器，接受機組LCU（現地控制單元）輸入的控制指令和位置信號，運行維護人員通過人機界面（實物為觸摸屏）輸入的整定調節參數以及機組頻率信號、電網頻率信號、電站水頭信號、機組功率信號、導葉開度信號、槳葉開度信號等，PLC按照預定的程序對輸入信號進行采集、分析、PID計算后，輸出導葉及槳葉控制信號經電液轉換并放大后，通過接力器實現對導葉和槳葉開度的調節控制，同時通過調速器柜上的儀表顯示導葉、槳葉開度、機組頻率，通過接口向機組LCU發送事故、故障及手動/自動信號。

圖1 微機調速器系統圖

調速器有交流和直流兩路供電電源，經電氣或門電路后轉成一路5 V直流電源供給測頻回路，一路24 V電源供給PLC以及傳感器、驅動器和人機界面。雙電源供電可有效提高調速器供電的可靠性。

2.2 故障分析

前述故障發生后，調速器的運行模式確實發生了改變，機組LCU能正確收到PLC經過開關量接口送過來的調速器由“自動”轉為“手動”運行模式的信號，但是觸摸屏中卻沒有故障報警信號和當時的歷史故障報警記錄。結合故障現象及圖1對故障的原因進行分析，可能的故障原因有兩種：

（1）調速器電源消失引起PLC自動重啟，程序初始化置調速器為“手動”模式。

電站調速器PLC初始化流程如圖2所示。當PLC因電源發生瞬間掉電再自動恢復時，PLC會按上電初始化流程會將調速器的模式自動切至“手動”模式，這樣的流程設計是綜合考慮機組在運行過程中，確有可能發生掉電的情況，在此故障情況下，按保證機組安全第一的原則，希望機組能穩定在故障前的運行狀態。調速器機械液壓部分采用了自復中的結構及手/自動無擾動切換的設計。自復中結構可保證PLC在沒有PID控制信號輸出時，機械液壓系統不會動作；手/自動無擾動切換的設計，可保證在“自動”模式中，“手動”模式的導葉開度給定值跟隨當前導葉開度值變化，當調速器切至“手動”模式時，機組導葉開度不會發生突變，從而實現無擾動切換。

根據圖1所示的PLC供電回路，如果電源回路故障出現瞬間失電，將會引起調速器PLC的冷啟動，在PLC的初始化過程中，將調速器置為“手動”模式。

圖2 PLC初始化流程圖

圖3 導葉反饋故障判斷流程

（2）調速器導葉傳感器反饋信號異常致調速器置“手動”模式。

電站調速器使用的是KTCA-900型拉桿式位移傳感器，作為導葉開度的檢測元件安裝于導葉接力器上，其輸出的4~20 mA導葉開度值信號直接輸入至調速器PLC模擬量輸入端口，由PLC完成導葉開度的采樣檢測和處理。圖3為導葉反饋故障判斷流程。

由于導葉接力器的實際行程小于位移傳感器的行程，在調速器安裝調試過程中，已經測出導葉全關和全開時所對應的位移傳感器輸出電流值及對應的PLC采樣值，并作為導葉開度異常報警的上下限值。在圖3的流程中，PLC在采樣到導葉開度值后，先判斷采樣結果是否處于正常的上下限值之間，如果導葉開度值超出正常的上下限范圍則說明導葉開度反饋值檢測異常，不能作為機組調節控制的依據，此時應進行故障報警并將調速器切至“手動”模式將機組穩定在故障前狀態。

2.3 故障排查

結合上述的故障分析，電站檢修維護人員進行了以下排查工作：

（1）首先對導葉傳感器的反饋信號進行了檢查，在機組停機并做好安全措施的狀態下，手動操作導葉自全關至全開再至全關，導葉開度的反饋信號值均在正常范圍內并且沒有突變現象。當檢修人員拆開導葉傳感器的接線時，調速器有報警聲，觸摸屏上有“導葉反饋故障”信號和“請檢查導葉傳感器或接線”的提示信息，調速器由“自動”模式切至“手動”模式，在恢復接線后，故障信號消失。

（2）在機組停機并做好安全措施的狀態下，突然斷掉并快速恢復調速器的交直流電源，PLC實現了冷啟動，調速器切至“手動”模式，但觸摸屏也因重新上電而進入到初始化界面，并需要人為點擊操作后才能轉入正常運行畫面。

（3）對調速器電氣柜內的繼電器電阻值、動作值進行了檢查試驗，未發現問題。

（4）對交直流供電電源以及柜內的電源回路進行了檢查，在交直流電源切換瞬間，電源回路所輸出的5 V、24 V直流電源電壓穩定，沒有明顯的波動現象。

（5）檢查了調速器所有外部連接電纜的絕緣，沒有發現絕緣不合格及接地的現象。

在上述排查均未能確認故障原因的情況下，檢修人員重新緊固了調速器所有連接端子并存在氧化的端子和導線接頭進行了必要處理，但故障仍然時有發生。

3 故障處理

綜合故障分析和排查的結果，調速器電源消失引起PLC自動重啟而將調速器置為“手動”模式的可能性不大，調速器導葉傳感器反饋信號異常故障雖不能完全排除但也無法確認。結合故障現象，考慮到調速器導葉位移傳感器輸出信號（4~20 mA）電纜與勵磁系統等強電電纜安放在同一電纜槽內，因此懷疑電纜槽內的強電干擾信號引起導葉開度反饋數值超過設定的上下限范圍，當PLC按圖3流程進行判斷時發現開度超出正常范圍而報警且將調速器置“手動”模式；由于PLC與觸摸屏之間是以通訊方式進行數據傳送的，瞬間出現的干擾信號可能還沒來得及傳送即消失，所以在故障發生時，觸摸屏就沒有收到故障報警信號。

基于以上分析，為徹底排查調速器的此類故障，決定對調速器PLC中導葉反饋故障判斷子程序“Wicket_position_fail:=(%IW4.0＜1000)OR%I4.0.ERR；”進行修改，在判斷程序中加入500 ms延時程序，在對采樣值進行判斷發現導葉開度反饋值超出正常范圍時，啟動500 ms定時器，如故障信號保持500 ms以上，則報導葉反饋故障并將調速器置“手動”模式，從而實現對干擾信號及瞬間故障信號的過濾。程序修改部分如下：

%M300：=(%IW4.0＜1000)OR%I4.0.ERR;（*對采樣數值進行判斷*）

IF%M300 THEN（*如達到報警條件，啟動計時器，否則停止計時器*）

START Tm_Wicket_position_fail_500ms;

Else

DOWN Tm_Wicket_position_fail_500ms;

END_IF

Wicket_position_fail:=Tm_Wicket_position_fail_500ms.QAND%M300;（*采樣數值超上下限并保持500ms的時間，報導葉反饋故障*）

修改后的導葉反饋故障判斷流程如圖4所示。

修改后的程序于2010年11月25日下載到2#機組調速器PLC中，之后未發生同樣故障。

圖4 修改后的導葉反饋故障判斷流程

4 結束語

在2#機組調速器運行工況誤切換故障按上述方法成功排查處理后，電站將1#、3#機組調速器PLC的程序也進行了相應修改，3臺機組至今未發生同樣故障，說明了導葉反饋信號受到干擾是造成故障的根本原因。通過以上故障的分析和處理，建議設計單位和設備生產廠家，在進行類似產品和回路設計時，必須充分考慮兩個問題：一是對模擬量的信號處理要更加嚴謹，充分滿足安全性、可靠性和穩定性的需要；二是弱電信號電纜要避免與強電電纜放在同一條電纜溝或電纜槽內，做好弱電信號的屏蔽和抗干擾措施，防止同類故障的發生。

[1]魏守平.水輪機控制工程[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[2]張希泰，陳康龍.二次回路識圖及故障查找與處理[M].北京：中國水利水電出版社，2011.