水輪機(jī)調(diào)速器故障分析及處理措施

劉用祥

（國電電力福建新能源開發(fā)有限公司，福建 福州 350002）

0 引 言

能源是人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可缺少的驅(qū)動力，其中電力是人類社會生產(chǎn)生活中不可缺少的能源。但由于火力發(fā)電等傳統(tǒng)發(fā)電方式消耗的資源較多，而且環(huán)境污染嚴(yán)重，因此水力發(fā)電的重要性越來越突出。作為水力發(fā)電站的關(guān)鍵組成單元，水輪機(jī)調(diào)速器對于水力發(fā)電站的穩(wěn)定運(yùn)行來說至關(guān)重要[1]。調(diào)速器發(fā)生運(yùn)行故障，就會導(dǎo)致水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行異常，甚至導(dǎo)致水力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)安全事故。基于此，應(yīng)重視研究水輪機(jī)調(diào)速器的常見故障，找到故障原因，同時(shí)采取有效措施排除故障，從而確保調(diào)速器正常運(yùn)行。

1 水電站水輪機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)

1.1 水電站水輪機(jī)調(diào)速器原理

水電站調(diào)速器系統(tǒng)由電氣柜、機(jī)械柜、液壓控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)速器壓油系統(tǒng)以及頻率測量裝置等部分構(gòu)成。其中，電氣柜由輸入/輸出面板、接線端子、電源、開關(guān)手柄、PLC、頻率測量儀以及觸摸屏等部件構(gòu)成，機(jī)械柜由液壓控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及伺服驅(qū)動器等構(gòu)成，液壓控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)由主壓力閥、急停電磁閥、雙濾油器、兩級關(guān)閉裝置以及伺服電動機(jī)線性位移轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，壓油系統(tǒng)由壓力開關(guān)、壓力傳感器、集油箱、壓力油箱、壓力油泵、管道閥、壓力油箱供氣裝置以及電磁翻板液位計(jì)等構(gòu)成。3個(gè)用于調(diào)速器頻率測量的回路中，一個(gè)用于機(jī)組齒輪板的速度測量，一個(gè)用于機(jī)器側(cè)PT頻率測量，一個(gè)用于總線PT頻率測量。導(dǎo)向葉片控制的原理是基于偏離給定值的反饋值的偏差信號，微機(jī)調(diào)節(jié)器通過伺服馬達(dá)變矩器將PID計(jì)算后的電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械變位信號，并調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片的開度以調(diào)節(jié)流向水輪機(jī)的水流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)動速度和輸出功率。

1.2 水輪機(jī)調(diào)速器主要技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)調(diào)速器工作環(huán)境參數(shù)如下：空氣溫度一般為-20～+60 ℃，環(huán)境空氣相對濕度≤90%（25 ℃時(shí)），不含腐蝕性、易燃和易爆介質(zhì)。

水輪機(jī)調(diào)速器額定電壓環(huán)境為三相四線制，主回路380 V，控制回路220 V，額定頻率50 Hz，水輪機(jī)調(diào)速器工作方式為S2短期固定配額，期限為10 min。

水輪機(jī)調(diào)速器整機(jī)質(zhì)量為多圈58～68 kg，部分轉(zhuǎn)向86～375 kg。外殼防護(hù)等級為IP54，最高達(dá)IP67，最大控制轉(zhuǎn)矩為多回轉(zhuǎn)200～300 Nm，部分回轉(zhuǎn)200～18 000 Nm。

水輪機(jī)調(diào)速器輸出速度為多回轉(zhuǎn)36 r/min，部分回轉(zhuǎn)0.5～1.0 r/min。特殊電機(jī)功率為多回轉(zhuǎn)0.75～1.10 kW，局部回轉(zhuǎn)0.55～4.00 kW。

2 水輪機(jī)調(diào)速器功能及特點(diǎn)

2.1 水輪機(jī)調(diào)速器的功能

調(diào)速器影響水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響水電站的正常穩(wěn)定運(yùn)行。水輪機(jī)調(diào)速器一般具備并網(wǎng)功能和調(diào)節(jié)功能兩種功能。其中，并網(wǎng)功能是實(shí)現(xiàn)對水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行自動調(diào)整的重要條件。在水輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工作人員通過電腦向水輪機(jī)下達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)調(diào)整指令，隨后水輪機(jī)調(diào)速器具備的并網(wǎng)功能可依據(jù)相關(guān)指令，對水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行自動調(diào)整，有利于保障水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)功能作為水輪機(jī)調(diào)速器的主要功能，也是體現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速器價(jià)值的功能，其可以調(diào)節(jié)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、水流量以及功率等。

2.2 水輪機(jī)調(diào)速器的特點(diǎn)

2.2.1 強(qiáng)大的操作力

通常，發(fā)電站的水輪機(jī)具有很大的規(guī)模，運(yùn)行時(shí)需要借助大量的水利能源來推動其運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到將水能轉(zhuǎn)化為電能的目的。而水輪機(jī)調(diào)速器則需要根據(jù)自身的運(yùn)行來確保水流能順利進(jìn)出，其對進(jìn)水門具有很強(qiáng)的掌控能力，由此可見水輪機(jī)調(diào)速器在運(yùn)行的過程中具有非常強(qiáng)的操作力[2]。

2.2.2 高速電網(wǎng)連接

水輪機(jī)調(diào)速器能在正確時(shí)間準(zhǔn)確識別空載、并網(wǎng)以及隔離運(yùn)行等不同的狀態(tài)，可以承載隔離負(fù)載，并在實(shí)際運(yùn)行中提供殘余壓力頻率測量、頻率跟蹤以及快速并網(wǎng)連接功能。同時(shí)，可以按照計(jì)算機(jī)的指令來調(diào)整水輪機(jī)運(yùn)行條件，通過在工作過程中快速完成并網(wǎng)操作，可以確保并網(wǎng)順利完成。

2.2.3 自動調(diào)整

調(diào)速器具備波動控制和數(shù)字協(xié)聯(lián)功能，可根據(jù)水位轉(zhuǎn)速靈活自動調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和水流量，而且能合理地調(diào)整有功功率，從而保證整個(gè)水輪機(jī)系統(tǒng)的有功功率處于安全范圍[3]。

3 水輪機(jī)調(diào)速器常見故障原因及解決對策

3.1 工作電源電壓故障

在某水力發(fā)電站調(diào)速器的調(diào)試過程中，運(yùn)維人員將直流工作電源和交流工作電源都連接至調(diào)速器配電板設(shè)備上，接通電源后部分設(shè)備無法正常運(yùn)行。根據(jù)測量得到配電板設(shè)備的輸出電壓為9 V，遠(yuǎn)低于正常的24 V輸出電壓[4]，因此，確定該水力發(fā)電站的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器存在工作電源電壓故障。研究電源連接的整個(gè)過程后發(fā)現(xiàn)故障原因是交流工作電源和直流工作電源連接操作失誤或者調(diào)速器電路配電板設(shè)備出現(xiàn)故障。針對此類故障，應(yīng)在接入工作電源之前仔細(xì)檢查交流線路、直流線路以及調(diào)速器設(shè)備之間的連接是否良好，布線和電壓水平是否在合理范圍。在確定交流線路、直流線路正常的前提下，需要分析水輪機(jī)調(diào)速器的電路配電板運(yùn)行狀態(tài)，檢查其是否存在技術(shù)故障，如配電板線路斷開、虛焊以及零件失效等，發(fā)現(xiàn)問題后立即解決，確保調(diào)速器連接工作電源后可以維持穩(wěn)定有效的電壓值，從而確保調(diào)速器正常運(yùn)行。

3.2 調(diào)速器異常波動

某水力發(fā)電站人工操作狀態(tài)下的水輪機(jī)調(diào)速器運(yùn)行平穩(wěn)高效，但是轉(zhuǎn)換為自動操作狀態(tài)時(shí)調(diào)速器會頻繁地調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片和漿葉，而且調(diào)節(jié)幅度相對較大。在嚴(yán)重的情況下將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重影響整個(gè)水力發(fā)電站的運(yùn)行。通過分析人工操作狀態(tài)和自動運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的水輪機(jī)調(diào)速器運(yùn)轉(zhuǎn)特性，可以得到導(dǎo)致調(diào)速器運(yùn)行波動和出現(xiàn)伺服電機(jī)故障的主要原因通常有2個(gè)。分別為電氣方面的故障和機(jī)械液壓方面的故障。

電氣方面的故障發(fā)生原因有導(dǎo)向葉片或槳葉的機(jī)械控制組件運(yùn)行異常；導(dǎo)向葉片或槳葉開度、頻率、水位等測量電路異常；電網(wǎng)頻率大幅波動，孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)調(diào)速器進(jìn)入頻率調(diào)節(jié)模式，導(dǎo)致機(jī)組頻繁調(diào)整。

機(jī)械液壓方面的故障發(fā)生原因主要有導(dǎo)向葉片、槳葉液壓油外部管道存在大量機(jī)油泄漏，導(dǎo)向葉片或槳葉液壓油的內(nèi)部管道中的油泄漏或?qū)蛉~片伺服電動機(jī)機(jī)油泄漏，導(dǎo)向葉片或槳葉的機(jī)械控制組件異常。

對于調(diào)速器異常波動故障的處理措施主要如下。首先確定故障現(xiàn)象并檢查直觀的外圍現(xiàn)象，如導(dǎo)向葉片、槳葉的開度測量，頻率、水位參數(shù)是否正常，導(dǎo)向葉片的主配閥是否存在卡阻；其次檢查頻率測量電路、頻率測量模塊、傳感器和電路是否斷開，I/O板及其他電氣組件和電路是否正常；最后如果發(fā)現(xiàn)調(diào)速器或主閥線性位移轉(zhuǎn)換器異常，則應(yīng)及時(shí)采取措施以確保設(shè)備正常工作，及時(shí)更換或修理故障組件，以確保調(diào)速器系統(tǒng)和水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 調(diào)速器導(dǎo)向葉片、槳葉故障

某水電站調(diào)速器掉電后重新通電后，導(dǎo)向葉片、槳葉以及水頭無法正常運(yùn)行。導(dǎo)向葉片和槳葉已切換為手動操作后，電源模塊輸出電壓仍不正常，信號反饋異常。上述故障的發(fā)生原因主要如下。

一方面，導(dǎo)向葉片的過度反饋會導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩涌刂疲瑢?dǎo)向葉片反饋是電流類型信號，信號范圍為4～20 mA[5]。如果導(dǎo)向葉片反饋值不在此范圍，則表示導(dǎo)向葉片運(yùn)行故障。當(dāng)導(dǎo)向葉片完全關(guān)閉或信號脫機(jī)時(shí)，通常會發(fā)生信號反饋值低于4 mA的故障，主要原因是電流信號不穩(wěn)或受到干擾，導(dǎo)致導(dǎo)向葉片反饋值漂移波動，從而使真實(shí)值降至最低范圍以下，造成故障。信號反饋值低于超出上限即20 mA的故障，往往是由信號通道波動引起的，通常是由短路或高電流信號干擾引起的較大波動，其值超過了20 mA的電流極限。上述故障的解決對策如下。對于導(dǎo)向葉片反饋值超出上限的故障，需要注意導(dǎo)向葉片反饋線的屏蔽層是否破損，以有效屏蔽信號干擾。通過在超過上限時(shí)過濾掉故障信號，優(yōu)化導(dǎo)向葉片反饋故障判定程序，從而達(dá)到屏蔽干擾信號的目的，進(jìn)而確保出現(xiàn)瞬時(shí)故障信號時(shí)調(diào)速器不會立即切換到手動操作。

另一方面，故障也可能是由于槳葉反饋回路異常造成的。該水電站通過測量接地電壓發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向葉片反饋電源模塊負(fù)載側(cè)已接地，并在確認(rèn)電源接線后，采用逐漸掉線的方法來縮小故障范圍點(diǎn)[6]。通過逐漸掉線的方法發(fā)現(xiàn)發(fā)送給監(jiān)視和傳感器的24 V電源已接地。甩出電源線后，故障信號和24 V電源模塊故障排除。甩開電源線再次測量接地現(xiàn)象并確認(rèn)接地點(diǎn)是端子箱到導(dǎo)向葉片傳感器之間的電纜，然后檢查電纜接線，發(fā)現(xiàn)伺服電機(jī)附近的電纜磨損嚴(yán)重，24 V電源線芯線暴露與伺服電機(jī)的外觀接觸形成接地，從而出現(xiàn)異常反饋信號。包扎電纜接線后，上述故障解決，信號恢復(fù)正常。

3.4 電液轉(zhuǎn)換器故障

手動操作模式和自動操作模式轉(zhuǎn)換過程中需要通過電業(yè)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)反復(fù)清潔、移動活塞來消除阻塞部分。電業(yè)轉(zhuǎn)換器主控制單片機(jī)的故障處理可以通過關(guān)閉單片機(jī)并打開復(fù)位操作來確保單元的正常上電復(fù)位。通過檢測開度，開限反饋信號排查診斷電液轉(zhuǎn)換器故障，進(jìn)而采用有效措施處理故障。在關(guān)機(jī)維護(hù)過程中，用示波器、萬用表及其他故障線路檢測設(shè)備對電業(yè)轉(zhuǎn)換器組件進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到相應(yīng)組件發(fā)生故障時(shí)，需要及時(shí)更換和維修故障組件。

3.5 水輪機(jī)過速故障

如果水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，即發(fā)生水輪機(jī)過速故障。當(dāng)水輪機(jī)組速度超過某個(gè)值（超過額定值的140%）時(shí)，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的離心力會迅速上升，導(dǎo)致水輪機(jī)振動加劇，易造成水輪機(jī)調(diào)速器運(yùn)轉(zhuǎn)失控，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件與其他部件發(fā)生撞擊，最終導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行中斷，部件損壞，因此需要有效地防止水輪機(jī)過速。當(dāng)水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速過快時(shí)，要及時(shí)采取應(yīng)對措施。如果故障發(fā)生在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，要檢查過速保護(hù)裝置是否正常工作。過速保護(hù)裝置運(yùn)行不正常時(shí)，必須手動關(guān)閉水輪機(jī)，如有必要還需要手動關(guān)閉水輪機(jī)主閥。故障發(fā)生在水輪機(jī)機(jī)組啟動和停止過程中時(shí)，即便此時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到過速保護(hù)整定值，也應(yīng)立即關(guān)閉水輪機(jī)主閥。如果沒有水輪機(jī)主閥裝置，則應(yīng)盡快關(guān)閉水輪機(jī)前部的進(jìn)氣門。此外，當(dāng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的35%以下時(shí)，手動制動使水輪機(jī)完全停止轉(zhuǎn)動，再排除故障。

4 結(jié) 論

水輪機(jī)調(diào)速器是水力發(fā)電機(jī)組的核心控制組件，調(diào)速器的運(yùn)行穩(wěn)定對水力發(fā)電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。水輪機(jī)調(diào)速器工作環(huán)境特殊，而且運(yùn)行時(shí)間長，出現(xiàn)故障的概率較高，容易對水力發(fā)電站的運(yùn)行會產(chǎn)生不利影響。因此，在運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐中應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，深入分析故障原因，采取有效措施排除故障，確保水力發(fā)電站正常運(yùn)行。