彭水水電站5號機組建模試驗中負荷異常上升原因分析

劉曉云

（重慶大唐國際彭水水電開發有限公司，重慶 409600）

1 彭水水電站水輪機調速器

彭水水電站調速器系統主要由自動控制系統和機械部分組成。自動控制系統使用三峽能事達公司提供的PFWT-200-6.3型電液調速器，調速器機械部分主要由GE原裝進口的FC20000閥組、油壓裝置、接力器與事故配壓閥組成。

三個獨立的微機控制器A套、B套及C套組成彭水水電站調速器自動控制系統，A、B、C三套互為備用。微機調節器（A和B）+機械液壓系統=自動調節通道，微機調節器（C）+機械液壓系統=電手動控制通道。三套間的數據通過MB+網實現交叉冗余冗錯，在機組運行時能無擾動切換。調速器能在頻率模式、開度模式、功率模式三種模式下運行，能夠實現調速器手/自動控制模式、運行無擾動切換以及自動控制導葉、按水頭自動整定空載開度、開機、停機等功能。

機組并網前調速器僅能在“頻率模式”運行，機組并網時轉為“功率模式”或者“開度模式”。機組正常在功率模式下運行，如果調速器檢測到來自監控系統的功率給定輸入有故障，調速器自動切為開度模式運行，監控系統根據調速器的模式信號切換至相應的開度模式調節方式。機組并網運行后頻率波動超過±0.5Hz時，調速器自動由開度模式或功率模式轉為頻率模式，即“孤網運行”方式。

調速器控制系統及轉速繼電器測頻信號來自齒盤和殘壓。在正常運行時以殘壓測頻為主，齒盤計數測頻為輔。

2 彭水水電站5號機組調速器負荷異常上升的原因分析

事件概述：2012年1月15日，5號機組C級檢修后做調速器建模試驗，在對調速器進行帶負荷頻率調整試驗后，機組當時所帶固定負荷為270MW，導葉開度54%。試驗人員已完成各項試驗參數測定準備結束試驗時，在沒有上位機和人員干預的情況下（上位機有功調節退出模式），導葉開度在8秒鐘內突然增加到83%，有功功率增加到430MW，在導葉開度達到83%后2s鐘導葉開度開始自動逐步減小到54%，5號機組有功功率穩定在270MW。5號機組功率異常上升時，導葉開度、有功功率波形如圖1所示。

監控報文有：“勵磁調節器綜合限制動作”、“勵磁過勵限制動作”、“勵磁欠勵限制動作”。

停機后全面檢查調速器系統無異常。

3 原因分析

（1）監控開出繼電器原因

機組在自動運行工況下，調整負荷的指令由計算機監控系統向調速器發出，監控系統通過監控本身的開出繼電器來發出該指令。由于監控程序原因將增功令持續開出，或模塊故障，增功繼電器接點黏連，都會引起調速器的增功輸入信號長期存在，引起機組負荷出現大的波動，造成溜負荷的后果。技術人員檢查監控當時為有功調節退出模式，排出了程序原因，檢查輸出模件和繼電器接點以及至調速器信號接線，沒有發現異常情況，基本排除了監控誤發信號原因。

圖1 5號機組導葉開度、有功功率波形

（2）導葉位移傳感器故障

導水葉位置傳感器將導葉機械位移量變換成數字量送給微機調節器，作為實際的導葉開度，其與導葉開度給定值在微機調節器內部進行比較產生差值，此差值再用來控制微機調節器與比例伺服閥執行機構。自動通道A套、B套和電手動通道C套調節器系統中的每一調節器的導葉位移信號取自動獨立的位移傳感器。當導葉位移傳感器故障時，調速器導葉開度輸入故障，導致輸入給比例伺服閥的電信號錯誤，引起溜負荷。當機組開機狀態下，調速器自動通道導葉反饋故障后調速器將開度保持在故障前狀態，當三套全部消失時調速器自動關閉導葉，不會出現突增開度現象；檢查調速器三套導葉開度傳感器沒有異常情況；基本排除了導葉位移傳感器故障原因。

（3）調速器測頻通道故障

由于調速器殘壓測頻模塊異常，造成測頻模塊輸出跳變，PLC測的機組頻率跳變，當其跳變值大于0.5Hz時，調速器自動將開度模式轉為負載頻率模式（為孤網模式），此時頻率的波動相當與調速器在空載模式下的頻率擾動，導葉開度就有可能在短時間內大幅度變化。通過模擬機組開機情況下，在測頻回路端子上加電壓信號，改變此電壓信號的頻率，觀察工控機界面上頻率顯示是否與所加頻率一致，來驗證測頻通道及測頻模塊是否完好。檢查調速器測頻模塊時，使用頻率發生器校驗測頻模塊沒有發現異常情況，檢查PLC運行正常。基本排除了調速器測頻通道故障因素。

（4）比例伺服閥及壓力油油質原因

比例伺服閥將調速器發出的負荷增減的4～20mA電信號轉換為輸出的油流量去驅動主配壓閥，經過主配壓閥液壓放大后控制主接力器動作導葉，從而實現機組負荷的調整。其應具備高精度、高響應性能、良好的耐污能力及防卡能力。比例伺服閥工作不正常，可能引起機組負荷突變。

比例伺服閥微機調速器是由微機調節器和電液執行機構組成的。電液執行機構包括比例伺服閥、主配壓閥、油缸油管路及其中的透平油。影響電液執行機構執行力的原因除了閥體自身特性以外，油質也會產生很大影響。如果油中存在金屬性的較大雜質，在機組運行過程中，比例伺服閥或主配壓閥的油缸內壁會造成損傷。當機組增減負荷時，比例伺服閥及主配壓閥動作被油中雜質卡住而不能很好的回中，造成機組負荷調整值與實際值存在比較大的差異，造成機組溜負荷。所以定期濾油及更換濾網是很重要的工作。機組在發電態下，由于主配壓閥毛刺或透平油含有雜質進入主配壓閥，造成主配壓閥在開方向卡阻，負荷突增。但是由于主配壓閥由于機械原因卡阻不可復歸，即主配往開方向卡阻后不能自動歸中，這與當時過負荷現象不吻合，基本排出主配卡阻原因。

（5）試驗儀器（發頻設備）異常

由于5號機組出現過負荷情況時，調速器建模試驗接線未拆除，調速器測的機組頻率為試驗儀器所發出，當試驗儀器所發出頻率信號有突變時，調速器測頻模塊測的頻率相應突變，導葉開度就會在短時間內大幅度變化。

導葉開度與頻率的關系如下方程式（1）：

其中△Y為機組導葉開度變化；△f為機組頻率變化；BP為調速器永態轉差系數，5號機組設置為4%。

由方程式可得出方程式（2）：

由方程式（2）可知，當時5號機組調速器頻率波動值大于0.5Hz時，調速器自動將開度模式轉為頻率模式運行，進行孤網運行狀態，一次調頻不起作用。查看調速器導葉開度波形，此波形類似空載頻率擾動試驗的波形，更加驗證了5號機組頻率突變是此次5號調速器負荷異常上升的原因。引起頻率突變的可能原因有調速器測頻通道故障，見上文第（3）條，可排除。另一個原因是外部信號跳變，見上文第（5）條。

經開分析會一致認為5號機組出現過負荷原因為第（5）種原因。

4 類似事故預防措施

（1）嚴格按照試驗規程及通過審批合格的技術方案執行相關步驟做試驗；

（2）試驗前，做好現場“三講一落實”工作，現場工作負責人及試驗負責人應向參加工作的試驗人員交代安全注意事項，嚴格遵守生產現場的各項管理制度；

（3）外來試驗人員應熟悉本廠調速器系統工作原理，必須具備相關工作能力且經過安全技術交底后方可到現場工作；

（4）試驗前必須對試驗儀器進行檢查，查看試驗儀器是否是由具備檢定能力的單位檢定，且儀器在檢定周期內，輸入輸出信號正常，工作可靠，具備較強抗干擾能力；

（5）按照相關規定和設備使用規程正確布置試驗接線、正確使用儀表及工器具，試驗接線采用屏蔽電纜，電纜屏蔽層和試驗儀器應接地；

（6）嚴格遵守工作票制度，在調速器和相關設備系統上接入和拆除信號線必須嚴格按照繼電保護措施票執行；

（7）嚴禁在試驗設備及盤柜警戒線范圍內使用對講機和手機等無線通話設備，嚴防因該原因造成機組運行不正常；

（8）試驗結束后及時通知運行部門將調速器運行方式由自動工況切至手動工況，工況切換后拆除試驗接線，防止參試機組誤動作，誤發頻給信號，造成不良后果。

[1]周偉.彭水電站調速器系統控制及遇到的問題淺析[J].水電與新能源，2013（z1）.