羅紅俊,張官祥,楊廷勇

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川省涼山州 615400）

0 引言

在水輪發(fā)電機(jī)組的控制中，機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)起著非常重要的作用，轉(zhuǎn)速信號(hào)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)一般采用兩種輸出方式，一種是調(diào)速器自身采集的轉(zhuǎn)速值，另一種是轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置輸出的轉(zhuǎn)速值。兩種轉(zhuǎn)速值在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行邏輯計(jì)算，參與機(jī)組電氣制動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)、鎖錠裝置、高壓油系統(tǒng)和蠕動(dòng)裝置等輔助設(shè)備的控制，同時(shí)還參與機(jī)組同期、勵(lì)磁以及并網(wǎng)態(tài)的判斷條件。轉(zhuǎn)速信號(hào)的可靠性直接關(guān)系到機(jī)組的安全、電網(wǎng)的穩(wěn)定以及調(diào)速器的動(dòng)態(tài)控制功能，因此，轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集必須經(jīng)過(guò)濾波、削峰和投票機(jī)制等邏輯計(jì)算后輸出最終的轉(zhuǎn)速值，同時(shí)采用可靠的、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置。

1 轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置典型故障分析

轉(zhuǎn)速測(cè)量的元器件及功能等各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性和穩(wěn)定性直接影響轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置的整體性能，雖然不同電站轉(zhuǎn)速裝置的型式不一樣，但存在的問(wèn)題具有一定的代表性，從根本上可以反應(yīng)出水電站轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置運(yùn)行存在不穩(wěn)定性，需進(jìn)一步研究和分析轉(zhuǎn)速測(cè)量的可靠性。

1.1 轉(zhuǎn)速裝置故障可靠性分析

S電站的轉(zhuǎn)速裝置是某廠家基于貝加萊PCC 2003控制器集成其相應(yīng)模塊研制而成，其內(nèi)部電路設(shè)計(jì)有開(kāi)關(guān)電源、整形板和繼電器等，該設(shè)備現(xiàn)已正常運(yùn)行10余年。某臺(tái)機(jī)組在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速裝置顯示異常，本體數(shù)碼管消失，監(jiān)控系統(tǒng)顯示機(jī)組轉(zhuǎn)速模擬量值為153%，轉(zhuǎn)速開(kāi)關(guān)量大于95%、大于115%、大于152%節(jié)點(diǎn)均動(dòng)作，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)一類機(jī)械事故停機(jī)保護(hù)流程動(dòng)作。經(jīng)檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及分析監(jiān)控系統(tǒng)事件記錄，可得出以下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)速裝置本體開(kāi)關(guān)電源故障。轉(zhuǎn)速裝置正常運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓應(yīng)為24V和5V，拆卸后檢測(cè)開(kāi)關(guān)電源輸出只有13.3V和3.8V，故判斷其開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)異常情況。因控制器和整形板供電電壓不足，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速裝置PCC控制器重復(fù)啟動(dòng)，在重啟過(guò)程中復(fù)歸了轉(zhuǎn)速開(kāi)關(guān)量大于95%、大于115%、大于152%節(jié)點(diǎn)，從而復(fù)歸監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組并網(wǎng)態(tài)的控制條件，見(jiàn)圖1，但是此時(shí)轉(zhuǎn)速裝置模擬量輸出值已達(dá)到160%。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯不合理。在監(jiān)控系統(tǒng)LCU機(jī)組保護(hù)邏輯程序中，滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速115%、大于152%，同時(shí)接收到機(jī)組非并網(wǎng)態(tài)信號(hào)時(shí)才能觸發(fā)一類機(jī)械事故保護(hù)停機(jī)流程，也就是說(shuō)機(jī)組只有在非并網(wǎng)態(tài)下收到電氣二級(jí)過(guò)速信號(hào)時(shí)才能觸發(fā)事故停機(jī)。重點(diǎn)是機(jī)組并網(wǎng)態(tài)的判斷條件中只采用裝置輸出的轉(zhuǎn)速大于95%的開(kāi)關(guān)量節(jié)點(diǎn)，并未與轉(zhuǎn)速模擬量輸出信號(hào)或者調(diào)速器轉(zhuǎn)速輸出值進(jìn)行互鎖。

1.2 齒盤及測(cè)速探頭運(yùn)行穩(wěn)定性分析

X電站轉(zhuǎn)速裝置是安裝在調(diào)速器電氣柜內(nèi)，轉(zhuǎn)速裝置控制系統(tǒng)是用貝加萊PCC 2003控制器實(shí)現(xiàn)的，控制柜內(nèi)部設(shè)計(jì)有電源系統(tǒng)、開(kāi)出繼電器、輸出指示燈、觸摸屏和模擬量采集裝置等組成。某臺(tái)機(jī)組在完成機(jī)組停機(jī)流程后，轉(zhuǎn)速裝置1路齒盤測(cè)速信號(hào)發(fā)生持續(xù)跳變，轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示跳變值最大達(dá)到198%，導(dǎo)致機(jī)組電氣一級(jí)過(guò)速、電氣二級(jí)過(guò)速動(dòng)作，MARK2.1、MARK0、水機(jī)后備保護(hù)相繼動(dòng)作，從而機(jī)組進(jìn)水口快速門快閉動(dòng)作、落門。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)測(cè)速裝置1號(hào)探頭正對(duì)齒塊邊緣位置，使得該測(cè)速探頭信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，從而導(dǎo)致測(cè)速裝置轉(zhuǎn)速值持續(xù)跳變。綜合分析造成右岸機(jī)組低轉(zhuǎn)速時(shí)齒盤信號(hào)不穩(wěn)定的主要原因有以下：

（1）測(cè)速齒盤問(wèn)題。該機(jī)組測(cè)速齒盤安裝于機(jī)組發(fā)電機(jī)下機(jī)架部位，由齒塊與齒帶組成并采用焊接方式連成一個(gè)整體，齒塊為金屬凸塊結(jié)構(gòu)，加工精度不高且齒塊易積灰，凸塊邊緣未與切面垂直，當(dāng)探頭在低速或靜止時(shí)進(jìn)入感應(yīng)臨界狀態(tài)易引起轉(zhuǎn)速信號(hào)跳變。另外若齒盤各凸塊離軸心距離存在偏差且間距不均勻，易造成探頭感應(yīng)距離不等引起測(cè)速偏差甚至丟齒情況。

（2）測(cè)速探頭的選型及安裝問(wèn)題。該機(jī)組測(cè)速探頭測(cè)量范圍較廣，且調(diào)整位置過(guò)近，造成感應(yīng)臨界狀態(tài)范圍大，易引起信號(hào)跳變。各探頭安裝面與大軸弧面的弧度存在偏差，造成探頭測(cè)量?jī)A斜，影響測(cè)量精度，且各探頭之間安裝距離過(guò)近，相鄰信號(hào)存在磁場(chǎng)干擾。

（3）轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置軟件邏輯不完善。轉(zhuǎn)速裝置對(duì)測(cè)速信號(hào)的處理邏輯為：當(dāng)PT測(cè)速信號(hào)大于閾值（30Hz）時(shí)優(yōu)選PT，當(dāng)PT測(cè)速信號(hào)小于閾值（30Hz）時(shí)，優(yōu)選齒盤信號(hào)；兩路齒盤信號(hào)無(wú)故障情況下取轉(zhuǎn)速高者；當(dāng)轉(zhuǎn)速裝置進(jìn)入停機(jī)態(tài)后強(qiáng)制轉(zhuǎn)速輸出為零。由于PT信號(hào)在低速下不能穩(wěn)定檢測(cè)，且測(cè)速信號(hào)防跳變邏輯不完善，若齒盤信號(hào)發(fā)生跳變，則無(wú)法可靠檢測(cè)轉(zhuǎn)速。

經(jīng)綜合分析與研究得出，轉(zhuǎn)速裝置在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：本體元器件可靠性差、轉(zhuǎn)速處理邏輯不完善、測(cè)速探頭選型不合理、探頭安裝方式不合理、齒盤的制作精度及設(shè)計(jì)方案不合理、監(jiān)控系統(tǒng)電氣過(guò)速保護(hù)邏輯不完備等。

2 轉(zhuǎn)速裝置可靠性研究與優(yōu)化措施

目前，以上兩個(gè)電站的轉(zhuǎn)速裝置雖然運(yùn)行趨于基本穩(wěn)定，但是仍然存在著潛在安全隱患，主要有原PCC 2003控制器及其附件已停產(chǎn)，換型的PCC新模件與舊型號(hào)模件不兼容，必須整個(gè)控制器全部更換；設(shè)備全生命周期維護(hù)成本高昂，且維護(hù)過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

B電站的轉(zhuǎn)速裝置安裝在水輪機(jī)儀表柜內(nèi)，齒盤安裝在水輪機(jī)大軸段，測(cè)速探頭采用易福門IFT222傳感器，轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置采用瑞格SPCT 系列轉(zhuǎn)速測(cè)控器，該產(chǎn)品具有以下優(yōu)技術(shù)特點(diǎn)：①具有硬件看門狗、軟件差分抗干擾、多路開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)輸出、4-20mA 模擬量輸出、蠕動(dòng)報(bào)警和最高轉(zhuǎn)速記憶等功能。②頻率分辨精度高。③多路頻率投票機(jī)制完善。除了以上技術(shù)特點(diǎn)以外，該裝置由獨(dú)立的轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制系統(tǒng)組成，并具有獨(dú)立的電源系統(tǒng)，其電源控制供電為220VAC/220VDC或220VAC/24VDC雙電源互為熱備，見(jiàn)圖2。這種供電方式，雖然屬于冗余供電模式，但是其開(kāi)關(guān)電源內(nèi)置在轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置本體，不便于故障定位及維護(hù)，不便于設(shè)備管理及備品備件管理，此類問(wèn)題應(yīng)充分吸取上述S電站已發(fā)生事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。因此，B電站在設(shè)計(jì)和運(yùn)維階段充分借鑒以上兩個(gè)電站轉(zhuǎn)速裝置存在的問(wèn)題，以及現(xiàn)使用轉(zhuǎn)速裝置本體自有缺陷，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備管理創(chuàng)新，采取以下優(yōu)化措施以提高設(shè)備可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性。

（1）優(yōu)化裝置本體的供電模式。轉(zhuǎn)速裝置本體采用兩路DC24V供電電源，一路取自水輪機(jī)儀表柜，另一路取自水輪機(jī)輔助控制柜。每一個(gè)柜內(nèi)配有獨(dú)立的多重冗余電源系統(tǒng)，即提供兩路DC220V、一路AC220V經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為多路DC24V，供不同的負(fù)荷供電，即使有其中一路電源出現(xiàn)故障，另一路電源也會(huì)保證供電正常；即使有任意一個(gè)控制柜電源全部消失，也能從另一面控制柜提供DC24V電源，保證轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置正常工作，從而確保了機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖2 SPCT系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置供電原理圖Figure 2 power supply schematic diagram of speed measurement and control device of SPCT system

（2）完善頻率處理邏輯。頻率控制邏輯優(yōu)化為：在設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)有測(cè)速傳感器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)屏蔽故障通道的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將投票權(quán)限自動(dòng)賦予給備用且未發(fā)生故障的通道。如果裝置復(fù)位或重新上電時(shí)，投票配置策略恢復(fù)至初始狀態(tài)，直到投票機(jī)制判斷其發(fā)生故障為止。采用此種投票機(jī)制，可以有效地抑制頻率突變并剔除故障信號(hào)，可大幅度提高轉(zhuǎn)速測(cè)控器的容錯(cuò)能力，從而提高了測(cè)控裝置的可靠性。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)要求和機(jī)組后備保護(hù)需求，充分考慮設(shè)備誤動(dòng)和拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化和完善一類機(jī)械事故停機(jī)和機(jī)組并網(wǎng)態(tài)的判斷邏輯。

（3）加強(qiáng)轉(zhuǎn)速裝置的日常維護(hù)與巡檢。針對(duì)故障頻發(fā)的重要設(shè)備，進(jìn)一步加強(qiáng)日常維護(hù)和設(shè)備點(diǎn)，巡檢及分配管理，才能提高設(shè)備運(yùn)行周期，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，發(fā)揮最大潛能為公司創(chuàng)造最大效益。建立完善設(shè)備履歷，通過(guò)設(shè)備責(zé)任到人對(duì)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)際情況全面掌控；加強(qiáng)設(shè)備巡檢質(zhì)量，對(duì)重要設(shè)備的巡檢過(guò)程中能發(fā)現(xiàn)而未發(fā)現(xiàn)造成的設(shè)備故障加大考核；制定設(shè)備周期保養(yǎng)及檢修計(jì)劃，對(duì)設(shè)備壽命周期內(nèi)的設(shè)備逐步啟動(dòng)換型改造工作；加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行健康狀況分析，加強(qiáng)檢修工藝及缺陷管理，對(duì)人為造成的重復(fù)缺陷嚴(yán)格進(jìn)行考核。

3 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響主要有轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置本體故障、磁盤測(cè)速裝置故障、監(jiān)控保護(hù)動(dòng)作邏輯考慮不全面。巨型機(jī)組非停對(duì)電網(wǎng)影響大，從而要求巨型機(jī)組可靠運(yùn)行，從而對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置運(yùn)行穩(wěn)定性提出更高要求。水輪機(jī)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置的硬件和功能在不斷優(yōu)化和完善，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分遵循技術(shù)先進(jìn)性、設(shè)備安全性、運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性原則，并結(jié)合后期運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單和實(shí)用性，設(shè)備選型時(shí)必須收集行業(yè)內(nèi)設(shè)備異常情況，了解當(dāng)前的自動(dòng)控制技術(shù)水平，還必須考慮水電廠機(jī)組安裝與運(yùn)行的實(shí)際情況，確保電網(wǎng)和機(jī)組的安全和穩(wěn)定。