飛來峽水電廠1#機組無法同期并網原因分析

古建文

(廣東粵海飛來峽水力發電有限公司，廣東 清遠 511825)

1 機組概況

飛來峽水利樞紐水電廠為河床式、低水頭電站，裝有4臺燈泡貫流式水輪發電機組，裝機容量為140 MW，設計年發電量為5.54億kW時，機組額定功率為35 MW，額定轉速為83.33 r/min，額定水頭為8.53 m，運行水頭為3.61～13.83 m，調速器型號：MIPREG DGC 6000C。

2 事件過程

2022年2月10日，2#、3#、4#機組滿負荷運行，1#機組備用，電廠總出力為105 MW，1#、2#主變正常運行，機組通過1#主變向電網送電，10 kV廠用電Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段分段運行。

17：00左右，計劃將1#機組由備用轉運行，1#機組從水輪機工況(即空載工況)到并網過程中，監控系統顯示勵磁已投入，同期準備好，且監控系統無其他異常報警，但最后一步出口開關始終無法同期合閘，導致機組開機超時停機，數次并網失敗。

3 故障現象

查看機組監控系統數據可知，1#機組在水輪機工況時轉速可以達到100%～100.7%，但投入勵磁后轉速降至98.8%～99%左右，頻率在49.28～49.6 Hz波動，導葉開度在12%～12.4%波動，輪葉開度在1.9%～2.1%波動，到現場檢查同期裝置中的頻率和相角條件滿足指示燈未亮。

任何類型的發電設備，發出電能后都要向電網輸送電能，也就是發電機需要并網發電，非同期并列會產生很大的沖擊電流和沖擊轉矩，嚴重時致使發電機損壞燒毀，甚至破壞電力系統穩定。而并網的同期條件有3個：發電機出口開關兩側電壓差不應超過額定值的±5%，兩側電壓頻率差不應超過額定值的±0.6%，相位差不應大于5°。并網以后機組和電網連成整體，電網各處的頻率都是完全相同的，電網越大，頻率波動幅度就越小，頻率也就相對越穩定，而電網頻率只與有功功率是否平衡有關系，發電機組發出的有功功率大于用電的有功功率時，電網整體頻率升高，反之亦然[1]。

4 原因分析

水輪機與發電機轉子同軸相連，而水輪機為原動機，即提供發電機轉子轉動的動力源，水電廠中的發電機都為同步電機，當發電機帶上負載(并網)以后，發電機轉子繞組會產生旋轉磁場，由于電磁感應，三相定子繞組中的電流也會產生一個旋轉磁場，該磁場與轉子以同轉速、同方向旋轉稱為“同步”。同步電機的轉速與頻率之間有嚴格的關系，即60f=np(f即為電網頻率，n為發電機轉子轉速，p為轉子磁極對數)。為保證并網時機組頻率達到50 Hz，與電網頻率保持一致，必須要保證水輪機的轉速在額定轉速的偏差范圍內。而水輪機的轉速控制，則是靠調速器控制導葉的開度，從而控制進入水輪機的水流量實現。

飛來峽機組正常開機并網流程如下：

① 軸承高壓油泵投入，軸承油泵投入，油霧風機投入，碳污清除器投入，冷卻水泵投入，調速器油泵投入，軸承冷卻水泵投入，冷卻水閥打開，水輪機大軸密封潤滑水投入；

② 軸承油閥打開；

③ 機械制動退出；

④ 快關閥在運行位置；

⑤ 調速器啟動；

⑥ 勵磁投入，發電機風機投入；

⑦ 同期裝置投入，等待并網。

步驟⑤調速器啟動后，機組導葉開至空載位置，維持機組轉速在額定值；空載時除了機組的轉速維持在額定值外，還要投入勵磁系統，維持機端電壓在額定值；當機組收到并網命令時，調速器和勵磁系統根據測得的系統電壓和頻率，對機組轉速和機端電壓進行微調，機組滿足并網條件時，同期裝置發出合閘脈沖使發電機出口開關合閘[2]。

無論是空載前還是并網后，機組的轉速都由進入機組的流量決定，即由調速器控制(空載前，增大流量，使轉速增加，并網后，控制流量，使轉速恒定)；而維持發電機的出口端電壓，由勵磁系統來控制。調速系統和勵磁系統共同完成水輪發電機組的控制，兩者各司其職，相互配合，使機組并網后頻率恒定，電壓恒定。并網后，機械功率轉化成了電磁功率，所以，在增加水流(導葉開度增加)時，體現為功率的增加[3]。

截取1#機組故障未處理時的1個開、停機流程相關數據進行分析(見表1～表2)。

從表1和表2數據可知：1#機組在水輪機工況下運行正常，但是投入勵磁后頻率和轉速均有下降，且頻率波動較大。

表1 故障未處理時1#機組水輪機工況相關數據

表2 故障未處理時1#機組水輪機工況至并網過程相關數據

4.1 首先考慮是否同期回路或裝置出現故障

從機組合閘二次回路可知，機組合閘條件有4個:

① 出口地刀斷開(隔離蓋也在正確位置)；

② 三相制動刀閘斷開：

③ 發電機出口電壓存在：

④ 同期裝置條件滿足，發出合閘命令。

檢查前3個條件相應的繼電器動作正常、控制回路沒有出現斷線，那么首先考慮是否同期裝置出現故障，端子接線是否松脫。

到現地對同期裝置進行復歸，沒有作用，切換至另1臺同期裝置，檢查緊固端子接線，然后斷開機組出口刀閘進行模擬并網，依舊無法并網。同期裝置發出合閘命令的接點是通過-K0111繼電器作用于控制回路，而此時-K0111繼電器沒有勵磁(繼電器-K0111沒有故障)，表明確實是同期條件中的頻率和相角不滿足，不是同期裝置故障[4](見圖1)。

圖1 合閘控制回路示意

4.2 考慮是否測頻回路或裝置出現故障

調速器測頻回路采用齒盤測速和殘壓測速兩種方式。齒盤測速有兩個磁性探頭，對稱分布在大軸上，探頭產生的脈沖信號處理后用以觸發計算器，經計算得出機組轉速。殘壓測速信號取自于發電機出口電壓互感器，經隔離、限制、濾波、放大，產生與機組轉速成正比的方波脈沖，用以觸發計算器，經計算得出機組轉速，根據n=60f/p可得出轉速。調速器在轉速低于76%時，采用齒盤測速，大于76%時，采用殘壓測速[5]。

排查最容易損壞的殘壓測頻繼電器及相關隔離變送器，更換部件后重新開機，依舊無法并網(見圖2)。

圖2 飛來峽電廠調速器控制原理示意

4.3 考慮是否調速器參數有誤或調速器主板故障

水輪發電機的轉速將決定發出的交流電的頻率，為保證這個頻率的穩定，必須穩定轉子的轉速。為了穩定轉速，可采用閉環控制的方式對原動機(水輪機)轉速進行控制，即將發出的交流電的頻率信號采樣，并將其反饋到控制水輪機導葉開合角度的控制系統中，控制水輪機的輸出功率，通過反饋控制原理，可使發電機的轉速穩定[6]。

調速器系統是根據負荷的變化，不斷地改變水輪發電機組的有功功率輸出，并維持機組轉速(頻率)在規定的范圍內，通常由測量、加法、放大、執行和反饋等元件組成。調速器在機組單機運行或空載運行時，作為定值調節系統工作，改變機組轉速；在機組并網運行時，作為開環調節系統工作，改變機組有功出力。其轉速控制采用P+I+D調節規律，功率(開度)控制采用P+I調節規律，通過人機界面LCD終端可以進行參數修正、輸入/輸出功能[7](見圖3)。

圖3 水輪機調節方框示意

檢修人員核對調速器參數，未發現異常，更換調速器主板，并重新核對參數無誤后，依舊無法并網。

4.4 考慮是否導葉傳感器4-20 mA電流出現誤差，造成調速器啟動開度限制

由表3～表4可知：1#機組之前正常開機時，并網前的導葉開度均略小于12%，轉速均略大于100%，與2月10日并網失敗的相關數據相比，雖然看似正常，但有較小偏差。檢測發現，投入勵磁后，同期裝置發出命令增頻，調速器收到命令，但未能增頻，檢修人員計劃對導葉開度傳感器電流值進行檢測。

表3 1#機組之前3次正常開機相關數據

表4 2月10日1#機組3次并網失敗的相關數據

飛來峽電廠的水輪機導葉位置傳感器主要由恒力彈簧、十圈電位器、信號變換模塊等3部分構成。鋼絲繩一端固定在導葉控制環連臂桿上，另一端纏繞并固定在鋼絲繩活動轉盤上，靠恒力彈簧的力量始終拉緊鋼絲繩。

運行中隨著鋼絲繩活動轉盤轉動，十圈電位器電阻值發生改變，再通過信號變控模塊將十圈電位器的電阻值轉換為電流值，將導葉位置傳感器輸出4～20 mA的電流反饋給調速器，其對應的導葉實際開度為100%～0%[8](見圖4)。

圖4 導葉位置傳感器原理示意

檢修人員在1#機組停機狀態下對電液轉換器回路進行有針對性的檢查，查看接線端子，同時用萬用表測量其4～20 mA的模擬量采樣通道，發現該通道的電流值在停機的情況下只有19.5 mA左右，無法達到20 mA，且停機時導葉開度顯示1.8%～2.1%，由此可以猜測可能是由于導葉傳感器4～20 mA電流信號出現偏移，實測電流值偏小，導致機組空載時調速器導葉開度值較實際開度值偏大2%，調速器限位器動作，導葉開度無法繼續加大，進而導致轉速不能達到100%，頻率無法增加,相角也不滿足條件(相角由發電機轉速和定子繞組的空間角度決定)，而導葉傳感器輸出的4～20 mA的電量沒有超出范圍，因此，調速器沒有發出電調跳閘信號，監控系統也沒有出現其他報警信息[9]。

調速器內部有開度限制回路，啟動開度限制了機組并網前的導葉開度，其值根據水頭變化和協聯關系在調速器內部有所調整，在水頭-開度限制協聯的曲線上疊加一個偏移量，可以修改所有水頭下的空載導葉啟動開度。啟動開度分2級，第1級開度約為空載開度的2倍，可盡快啟動機組；第2級開度約為空載開度1.3倍，在轉速大于45 Hz 時啟用，以確保較小的過速，當轉速接近95%時，機組進入空載調節，導葉接力器關至空載開度，逐漸使轉速穩定，自動跟蹤系統頻率，等待同期并網。導葉開度調節過程中實際的導葉開度減去限制器讀取的數值，即獲得導葉開度的修正值，然后放大信號以增強反饋作用，放大后的信號將與轉速控制、有功(開度)控制回路產生的信號進行比較，較小值將被采用[10]。

當啟動開度限制值過小時，可能出現開機時，機組不到額定轉速，此時，可修改此參數，增加導葉空載限制的最大值。當此值過大時，可能引起機組開機時，轉速出現大的超調，而此次機組無法同期并網應該是因為導葉反饋值較實際值偏大，達到了開度限制器動作的數值，導葉開度不再增大(見圖5)。

圖5 電氣調速器控制邏輯框示意

5 故障處理

檢修人員對水頭檢測裝置進行校對，對輪葉協聯關系進行診斷，沒有發現異常，查看并網時調速器程序中的導葉電氣開度限制最大值為12%左右，導葉實際開度已經超過12%，所以開度限制器動作。那么可以判斷是導葉開度反饋偏大，于是對導葉開度傳感器參數進行校準，重新調整了導葉位置傳感器4～20 mA的模擬量與導葉實際開度為100%～0%的對應線性關系，重新開機，投入勵磁后，導葉開度小于12%，轉速100%左右，頻率提升至50 Hz左右，相角也滿足條件，多次模擬并網成功，故障排除。此次故障點較為隱蔽，數據誤差很小，歷經數小時、多方面排查得以解決[11]。

6 結語

水輪發電機的導葉開度傳感器工作環境比較潮濕，空氣雜質較多，加上長時間運行，容易引起十圈電位器滑動電阻線性不良，進而影響導葉傳感器內的電子元件性能，使反饋調速器的導葉開度電信號產生偏移誤差，繼而可能導致開機失敗、導葉開度不穩定甚至機組跳閘。水輪機導葉接力器位置傳感器等輔助設備的可靠性是確保機組安全穩定運行的重要條件，定期對水輪機及相關輔助設備進行維護檢查非常必要，對于部分參與機組控制的重要外圍信號采集裝置,如機組導葉、輪葉位置傳感器以及機組凈水頭測量裝置，都應采用冗余，實現多套備用，在故障情況下能實現自動切換。