一起抽水蓄能機組調速器故障分析與處理

胡玉梅，潘菊芳，劉繼承，潘 凌，陳 瑞

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761；3.豐滿發電廠，吉林省吉林市 132013）

一起抽水蓄能機組調速器故障分析與處理

胡玉梅1，潘菊芳2，劉繼承3，潘 凌1，陳 瑞1

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761；3.豐滿發電廠，吉林省吉林市 132013）

對一起因調速器故障導致的抽水蓄能機組發電工況強迫機械停機原因進行了詳細分析，提出了處理方案和預防措施。此類故障隨著抽蓄機組運行時間增長、非正常的運行環境致使電子元件老化會呈現增長現象。本文提出的預防性建議對其他抽水蓄能機組有較大經驗借鑒作用。

抽水蓄能；調速器；運行環境

0 前言

抽水蓄能電站由于啟動迅速、運行靈活，當系統有多余電能時抽水耗電，當系統電能不足時放水發電，能有效調節系統的供需平衡，是系統最有效的調節電源，因而承擔系統的調峰、填谷、調頻及事故備用等任務[1]。由于電站以上工作特點，抽水蓄能機組工況轉換頻繁，相比常規發電機組，對機組開機成功率、調速器、勵磁系統的可靠性提出了更高要求。

1 故障情況

故障發生當日18時18分，某抽水蓄能電站1號機組發電方向啟動同期并網后負荷上升過程中，監控報警：01GRE_001RG_DI_F T-SLG NORMAL OPERATIONAL FAULT（調速器主用卡件故障）；01GRE_002RG_DI_F T-SLG STANDBY OPERATIONAL FAULT（調速器備用卡件故障）；01GTA_002XV_DI_TRP QUICK STOP 002XV TRIPPED（機組轉機械停機）。機組強迫機械停機。

該電站共有4臺機組，單臺容量300MW，1號機組投入最早，于2009年開始投入帶電調試、運行，至故障發生當日已運行近5年。其他機組其后陸續投入運行。調速器盤柜內電氣卡件較多，設備長期帶電運行，近期導葉控制SPC卡件多次出現問題。電站1號機組在四周前一次開機過程中曾出現因調速器6號導葉控制卡件SPC6故障而機械停機，故障現象與之相同。

1號機組調速器盤柜連同主機導葉機械控制部分（電液轉換器）等設備采用的是法國阿爾斯通公司的成套控制設備。電站水泵水輪機共有20個槳葉，由兩個互為冗余的調速器控制卡件UPCN、UPCS進行槳葉開度的總調節，一主一備。每個槳葉均對應一個SPC卡件，共有20個SPC卡件。調速器控制卡件UPCN、UPCS負責調速器機頻、網頻的采集、控制規律計算、控制方式轉換，與遠程監控系統及與下位機進行數據通信。每個操作槳葉的接力器均設置兩個磁感應式位置傳感器，一主一備，在主用傳感器故障的情況下自動切換至備用傳感器，保持機組正常運行。位置傳感器實時反映導葉的開度，此反饋信號通過屏蔽電纜連接到導葉控制SPC卡件上。

UPCN主卡與導葉控制SPC卡件的通信應用RS232串口、采用Modibus通信協議進行通信，從而實現數據傳送和控制下位機達到調控機組負荷的目的。每個SPC卡件完成獨立的導葉控制，根據主控卡件UPCN發來的控制導葉開度量作為參考開度，與位置傳感器傳來的反饋量一起通過PID算法進行閉環控制，控制信號經SPC卡內功率放大單元放大，放大的模擬信號輸出到電液轉換器，電液轉換器將電信號轉換成油路分配控制，控制導葉活塞的開閉，最終達到控制導葉的目的。

調節器柜處在主廠房地下3層的水輪機層，因在山洞內溫濕度常年變化不大，夏季溫度大致在25～28℃，空氣不太流動。

2 故障原因分析

2.1 故障指示

調速器發生故障后，機組出現強迫機械停機，在故障恢復之前，調速器主控面板的故障通過手動復歸消除，而3號導葉控制卡件面板上的黃色故障報警燈始終點亮，無法通過手動復歸消除。根據調速器的功能設置，如果調速器出現故障，須在故障消失后，小故障才會自動復歸，大故障需手動復歸。3號導葉SPC3的故障無法手動復歸，且3號導葉位置傳感器在導葉關閉時的信號反饋正確，說明在導葉全關時，既使導葉控制卡件SPC3發生內部元器件故障，因為沒有導葉開度計算上的差度報警，調速器主控單元也不會發現導葉控制卡件故障。

控制卡件SPC3內部出現類似繼電器快速頻繁動作的雜聲，且無法手動復歸。

1號機組故障時從開機到并網再到停機整個過程各導葉開度如圖1所示，圖中紅色線即是三號導葉走向趨勢。由圖可知：3號導葉的開啟遠遠落后于其他導葉，在并網后，由于導葉開度與導葉給定的差值超過了報警值，所以機組出現機械停機。

圖1 1號機組故障過程導葉開度

2.2 故障點的確定

在1號機因調速器故障而機械停機時，計算機監控畫面指示1號機出現“調速器主用電調故障” “調速器備用電調故障”，是調速器送入監控系統總的故障報警信號，具體的報警在調速器顯屏幕顯示為“調速器3號導葉控制卡件SPC3故障”。根據調速器維護手冊有三種原因引發此故障[2]：①導葉接力器位置傳感器故障；②每個導葉對應的SPC卡件故障；③導葉開度總控制卡件UPC故障。以下對三種可能原因分別進行分析排查。

（1）導葉接力器位置傳感器故障的排除。

根據調速器邏輯設置，導葉的主用位置傳感器信號丟失（小于4mA）或斷線不可用，則調速器報出主用UPC小故障，同時調速器自動將導葉主用位置傳感器切至備用位置傳感器。如果此時備用傳感器也在故障狀態，則報大故障，機械停機。

導葉在開啟過程中，如果主用位置傳感器的反饋值偏離導葉開度控制輸出設定值，并達到報警值，且主用傳感器與備用傳感器之間的差值也大于設定值，則調速器報出Servomotor Tracking error（alarm）報警，并自動切換至備用位置傳感器，繼續保持機組運行，直至備用傳感器故障出現后才會機械停機。

開啟過程中，如果導葉的主用、備用位置傳感器的反饋值均與導葉輸出設定值出現偏差，并且大于報警設定值，則發出Servomotor Tracking error（alarm）報警，如果達到跳機值則調速器報出Servomotor Tracking error（trip），導致調速器總控制卡件UPCN和UPCS主故障，繼而導致機組快速停機。

通過以上分析和故障報警顯示及對3號導葉的主、備用位置傳感器的外觀實際觀察，兩個傳感器無異常，無油、水污染，固定牢靠，同時此傳感器在導葉關閉狀態時的信號反饋正確，與其他導葉反饋信號一致，可以得出結論反饋傳感器無問題。

（2）導葉開度總控制卡件UPC故障的排除。

調速器的UPCN/UPCS卡件屬于SPC卡件的上一級總控制卡件，主要負責向20個SPC卡件發出或收集20個導葉開度的命令或反饋，并同時用于與調速器PLC、監控PLC等系統的通信。

UPCN/UPCS卡件正常運行時，一主一備，并實時互相跟蹤，主用UPC故障后，調速器自動切換至備用UPC，在兩個卡件均故障后，則執行機械停機流程。但其報警信息與上述的機械停機報警信息明顯不同，其報警信息則是MN-UPCN/MAJOR UPC fault或MN-UPCS/MAJOR UPC fault，可以得出結論導葉開度總控制卡件UPC無問題。

（3）導葉對應的SPC卡件故障的確定。

規程規定，在機組機械停機故障出現后，首先需對導葉的位置傳感器進行檢查，是否有油污、水漬等污染，同時檢查拉繩式位置傳感器的移動桿是否斷裂，信號線是否斷裂等。如果均未發現異常，則需檢查導葉主、備用位置傳感器的INPUT /OUPUT信號是否正確。在上述檢查均無異常后，且調速器控制盤柜面板上報警無法復歸，則需檢查對應導葉的SPC卡件。

每個SPC卡件如果在出現內部元器件故障后，也會在面板顯示報警黃色或紅色指示，但無法明確看出具體故障部件及元器件。通過更換SPC卡件，則報警可以復歸，再對導葉進行手動開關測試，檢查導葉的位置傳感器信號反饋是否正確，導葉開關的控制命令是否正確執行。

通過以上分析確定本次強迫停機由于3號導葉對應的SPC卡件發生故障而導致。

2.3 SPC卡件故障原因分析

將4號槽的導葉控制卡件拔出，把原3號故障導葉控制卡件插入4號控制槽內，投入電源觀察發現，原3號故障卡件面板的電源指示燈和運行指示燈沒亮，而卡件故障指示燈（黃燈）始終亮著，用于通信用的Modibus通信燈正常閃爍，沒有其他的信號輸出及聲響，說明此卡件的工作電源消失，也沒有正常工作。將四周前出現故障的1號機組6號導葉控制卡件SPC6取來換入到11控制槽上，上電后發現其結果與3號故障導葉控制卡SPC3的現象一致，說明一號機組兩塊導葉控制卡的故障原因應屬同一個問題。

打開處于卡件組頂部的原6號故障導葉控制卡SPC6（位于11槽）上蓋，看到控制卡件內主要由以下部分組成：

（1）直流電源（+24V，+/-15V，+5V，3個等級電源）。

（2）指示輸出（電源指示，卡件工作指示，故障指示，3個繼電器輸出）。

（3）卡件控制核心部件（CPU及其附屬電路）。

（4）接口轉換電路。

（5）模擬輸出放大部件（驅動電液轉換器）。

根據此前判斷，對電源部分進行測量，+24V和+/-15V電源電壓的測量值正常，而+5V（在芯片管腳測量，外殼對地）的電壓為+4.3V，低于正常值。再對原3號故障SPC3卡件進行測量，測得電源+5V的電壓為+4.2V，也很低。將原11槽工作正常的導葉控制卡件換上，測量其+5V的電壓為+5.06V，電源正常。原3號和原6號控制卡件在這樣的電源電壓情況下，控制卡件的控制芯片及其電路很難正常工作。

此調節器是法國阿爾斯通公司的成套控制設備，從試驗投運至今已近5年，投運之初，未出現此類故障，隨著時間的推移，運行時間的累積，在沒有外界干擾影響的情況下，控制卡件逐漸出現電源故障，所以這是一個長期疲勞、老化的現象，由測得故障卡件+5V的電壓為+4.2～+4.3V，可知電源的負載能力已經很差，已不能提供控制卡件正常工作所需的電源。其電源負載能力降低主要由于以下兩方面引起：

（1）負載增加，控制卡件要完成諸如邏輯電路控制、數據測量轉換、控制輸出等功能需要很多芯片參與，這些芯片在一定的溫濕度環境下長期運行，勢必會因老化改變其初始的負載特性，造成整個+5V電源的負載增大。

（2）電源能力下降，由于環境、負載等因素影響，+5V電源模塊經長時間運行，電源負載能力下降，不能提供標準的+5V電源。

作為電站發電機調速器的控制系統，整體上應滿足機組長期的控制需要，按生產廠家的設計和公司最新的控制設備運行要求，調速器的控制部分在正常情況下應穩定運行12年以上，而電站1號機組正式投入運行應是4年多，這樣短的時間就出現電源老化應該是不正常的。

調速器控制柜內有邏輯控制回路及其部件，220V交直流電源，調速器人機界面工控機，兩個互為冗余的調速器控制卡件UPCN、UPCS，1個測頻卡件，20個導葉控制卡件。盤的整體密封性較好，符合國家IP2盤體保護密封標準，盤體下部由電纜防護膠泥封堵，上部及四周無通風口，正面面板封閉良好。20個導葉控制卡件分兩組以對開形式排在前門后下側，卡件與卡件上下距離約為6cm，在卡件1、卡件4、卡件7、卡件10下有一小風機，對卡件的功率元件向上吹風進行冷卻，卡件的功率標稱為170W，其主要功率消耗為導葉控制放大輸出。

機組正常備用及運行時，所有的卡件冷卻風機都處于旋轉冷卻中，當機組進行負荷調整時卡件功放功率最大，發出的熱量最多，20個導葉控制卡件的總功率為3400W，經卡件冷卻風機的強迫風循環，使整個調節器控制柜內的溫度很快升高，而調節器控制柜內部與外部沒有進行熱量交換，只是靠盤體自然散熱，這樣卡件冷卻風機所吹的風都是盤內循環的熱風，對卡件的冷卻效果大大降低，所以調節器導葉控制卡件金屬封裝殼內溫度會越來越高，最后達到一個較高溫度平衡點上，在這樣的溫度下長期運行就會加速電子元器件的老化，影響設備的使用壽命。

在兩組控制卡件中，每一組卡件內的每個卡件所受的溫度影響也不一樣，由于熱量具有上升的特性，底部的幾個卡件溫度應不是很高，最上面的兩個卡件由于上面沒有風阻，散熱也應較好，4號卡件和7號卡件下面有冷卻風機強迫風冷，溫度升高也有限，所以這組卡件中3號和6號的散熱效果最差：下面4號和7號吹來的是熱風，上面又有2號和5號卡件造成很大的風阻，這樣在3號和6號的卡件所積累的熱量會多些，所以在兩排卡件排列中，3、6、13、16號卡件的溫度最高，若出現問題，應該在這幾個卡件上出問題的幾率較大。

故障發生后第7日上午對機組調速器電氣柜SPC卡件內側溫度進行了實測（4號機組停機備用；2號機組運行40分鐘左右；3號機組運行2小時以上；），測量數據如圖2、圖3所示。

圖2 SPC1-10號卡件內側溫度圖表

圖3 SPC11-20號卡件內側溫度圖表

圖2和圖3中溫度對比可看出，1號機組停機狀態調速器控制柜內部溫度偏高，運行時將會更高，正常情況下模塊運行環境溫度應保持38℃以下方可安全運行，過高將會運行異常。

綜合以上分析可以得出1號機調節器3號導葉控制卡SPC3故障原因如下：

（1）調節器控制盤柜由于卡件組的功率元件功耗很大，盤體內部向外的通風散熱不夠，致使盤內溫度過高，影響卡件散熱。

（2）每個卡件的散熱不均勻。

（3）卡件安裝設計不合理，卡件之間距離較近，影響散熱。

（4）設計中電源能力的冗余度不夠，在整個電路中，+5V電源系統比較脆弱，受溫度等環境影響較大。

由于上述原因，使卡件電子元件提前老化[4]。

3 故障處理

仔細檢查機械、電氣各部件，確認沒有問題后，更換了SPC3器件，對3號導葉進行了導葉靜水開關試驗。3號導葉的主用、備用位置傳感器的input/output的信號在導葉開、關過程中反饋正常，較為平穩，未出現突變或異常現象，且3號導葉的開啟、關閉曲線平滑無異常。之后進行了機組空載SR工況試轉，機組運行正常[3]，在此基礎上對故障備件進行了試驗檢查。

圖4是1號機組更換了備用的導葉控制卡件SPC3后，從開機到并網整個過程各導葉開度趨勢，圖中顯示導葉開度在并網前分為有序的兩組進行調節，在并網后，隨著有功功率的增加，所有導葉開度在某一功率點趨向一致。

圖4 1號機更換卡件后導葉開度

4 預防性建議

調節器導葉控制卡件的電氣特性和機械結構已經固定，只能通過加強通風降低盤內溫度考慮：①可在控制盤頂部加裝通風電機，盤底部加空氣過濾網；②在沒有加通風電機前應打開調速器控制盤門，對卡件進行自然冷卻。

由于電源的老化是一個過程，在可能的情況下，對可能發生老化卡件的+5V電源進行測試，若發現電源有偏離標準電源范圍的趨向時應及時更換。

5 結束語

發改能源〔2014〕2482號文《國家發展改革委關于促進抽水蓄能電站健康有序發展有關問題的意見》中指出，要提升設備技術能力。堅持自主創新和引進消化吸收相結合，設備制造企業應超前攻關，依托具體抽水蓄能電站建設，實現500m水頭及以上、單機容量40萬kW級高水頭、大容量機組設計制造的自主化，積極推進勵磁、調速器、變頻裝置等輔機設備國產化，著力提高主輔設備的獨立成套設計和制造能力。

本論文結合一起故障對調速器電子元件提前老化原因進行了分析，提出了預防建議，對運行機組和設備制造有一定參考價值。

[1]李浩良，孫華平，等.抽水蓄能電站運行與管理［M］.杭州：浙江大學出版社，2013.

[2]蔡燕生，王劍鋒，等.現代水輪器調速器及其調整與試驗［M］.北京：中國電力出版社，2011.

[3]周攀.基于有限狀態機的抽水蓄能機組工況轉換控制[J].水電與抽水蓄能，2015，1（1）：91-96.

胡玉梅（1969—）女，工程師，主要研究方向：電氣二次設備，自動化技術。E-mail：yumei-hu@sgxy.sgcc.com.cn

潘菊芳（1982—）女，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站經營管理。E-mail：jufang-pan@sgxy.sgcc.com.cn

劉繼承（1967—）男，工程師，主要研究方向：電氣二次設備，自動化技術。E-mail：jicheng-liu@sgxy.sgcc.com.cn

潘凌（1975—）女，高級工程師，主要研究方向：電氣一次設備。E-mail：ling-pan@sgxy.sgcc.com.cn

陳瑞（1981—）男，高級工程師，主要研究方向：電氣一次設備。E-mail：rui-cheng@sgxy.sgcc.com.cn

The Analysis and Treatment of a Governor Fault of the Pumped Storage Unit

HU Yumei1，PAN Jufang2，LIU Jicheng3，PAN Ling1，CHEN Rui1
（1.Technology Center of State Grid Xinyuan Ltd.Company，Beijing 100061，China;2.State Grid Xinyuan Ltd.Company Beijing 100761，China ；3.Feng Mang Power Plant，Ji Lin 132013，China）

This paper provides an analysis of a compulsive machine downtime of the pumped storage under generation operating status，which raised by the generator fault.The treatment and preventive measures will be shown.With the growth of running time and component aging under abnormal operating conditions，this kind of faults will grow.Therefore，the preventive measures put forward by this paper have a reference value for other pumped storage units.

pumped storage；generator； operating condition