古建文

(廣東粵海飛來(lái)峽水力發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511825)

1 機(jī)組概況

飛來(lái)峽水利樞紐水電廠為河床式、低水頭電站，裝有4臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為140 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為5.54億kW時(shí)，機(jī)組額定功率為35 MW，額定轉(zhuǎn)速為83.33 r/min，額定水頭為8.53 m，運(yùn)行水頭為3.61～13.83 m，調(diào)速器型號(hào)：MIPREG DGC 6000C。

2 事件過(guò)程

2022年2月10日，2#、3#、4#機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，1#機(jī)組備用，電廠總出力為105 MW，1#、2#主變正常運(yùn)行，機(jī)組通過(guò)1#主變向電網(wǎng)送電，10 kV廠用電Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段分段運(yùn)行。

17：00左右，計(jì)劃將1#機(jī)組由備用轉(zhuǎn)運(yùn)行，1#機(jī)組從水輪機(jī)工況(即空載工況)到并網(wǎng)過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)顯示勵(lì)磁已投入，同期準(zhǔn)備好，且監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)其他異常報(bào)警，但最后一步出口開關(guān)始終無(wú)法同期合閘，導(dǎo)致機(jī)組開機(jī)超時(shí)停機(jī)，數(shù)次并網(wǎng)失敗。

3 故障現(xiàn)象

查看機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)可知，1#機(jī)組在水輪機(jī)工況時(shí)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100%～100.7%，但投入勵(lì)磁后轉(zhuǎn)速降至98.8%～99%左右，頻率在49.28～49.6 Hz波動(dòng)，導(dǎo)葉開度在12%～12.4%波動(dòng)，輪葉開度在1.9%～2.1%波動(dòng)，到現(xiàn)場(chǎng)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(fā)電設(shè)備，發(fā)出電能后都要向電網(wǎng)輸送電能，也就是發(fā)電機(jī)需要并網(wǎng)發(fā)電，非同期并列會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)重時(shí)致使發(fā)電機(jī)損壞燒毀，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定。而并網(wǎng)的同期條件有3個(gè)：發(fā)電機(jī)出口開關(guān)兩側(cè)電壓差不應(yīng)超過(guò)額定值的±5%，兩側(cè)電壓頻率差不應(yīng)超過(guò)額定值的±0.6%，相位差不應(yīng)大于5°。并網(wǎng)以后機(jī)組和電網(wǎng)連成整體，電網(wǎng)各處的頻率都是完全相同的，電網(wǎng)越大，頻率波動(dòng)幅度就越小，頻率也就相對(duì)越穩(wěn)定，而電網(wǎng)頻率只與有功功率是否平衡有關(guān)系，發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率大于用電的有功功率時(shí)，電網(wǎng)整體頻率升高，反之亦然[1]。

4 原因分析

水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸相連，而水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，即提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源，水電廠中的發(fā)電機(jī)都為同步電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶上負(fù)載(并網(wǎng))以后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，三相定子繞組中的電流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子以同轉(zhuǎn)速、同方向旋轉(zhuǎn)稱為“同步”。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率之間有嚴(yán)格的關(guān)系，即60f=np(f即為電網(wǎng)頻率，n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù))。為保證并網(wǎng)時(shí)機(jī)組頻率達(dá)到50 Hz，與電網(wǎng)頻率保持一致，必須要保證水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的偏差范圍內(nèi)。而水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，則是靠調(diào)速器控制導(dǎo)葉的開度，從而控制進(jìn)入水輪機(jī)的水流量實(shí)現(xiàn)。

飛來(lái)峽機(jī)組正常開機(jī)并網(wǎng)流程如下：

① 軸承高壓油泵投入，軸承油泵投入，油霧風(fēng)機(jī)投入，碳污清除器投入，冷卻水泵投入，調(diào)速器油泵投入，軸承冷卻水泵投入，冷卻水閥打開，水輪機(jī)大軸密封潤(rùn)滑水投入；

② 軸承油閥打開；

③ 機(jī)械制動(dòng)退出；

④ 快關(guān)閥在運(yùn)行位置；

⑤ 調(diào)速器啟動(dòng)；

⑥ 勵(lì)磁投入，發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)投入；

⑦ 同期裝置投入，等待并網(wǎng)。

步驟⑤調(diào)速器啟動(dòng)后，機(jī)組導(dǎo)葉開至空載位置，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定值；空載時(shí)除了機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持在額定值外，還要投入勵(lì)磁系統(tǒng)，維持機(jī)端電壓在額定值；當(dāng)機(jī)組收到并網(wǎng)命令時(shí)，調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的系統(tǒng)電壓和頻率，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)端電壓進(jìn)行微調(diào)，機(jī)組滿足并網(wǎng)條件時(shí)，同期裝置發(fā)出合閘脈沖使發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘[2]。

無(wú)論是空載前還是并網(wǎng)后，機(jī)組的轉(zhuǎn)速都由進(jìn)入機(jī)組的流量決定，即由調(diào)速器控制(空載前，增大流量，使轉(zhuǎn)速增加，并網(wǎng)后，控制流量，使轉(zhuǎn)速恒定)；而維持發(fā)電機(jī)的出口端電壓，由勵(lì)磁系統(tǒng)來(lái)控制。調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)共同完成水輪發(fā)電機(jī)組的控制，兩者各司其職，相互配合，使機(jī)組并網(wǎng)后頻率恒定，電壓恒定。并網(wǎng)后，機(jī)械功率轉(zhuǎn)化成了電磁功率，所以，在增加水流(導(dǎo)葉開度增加)時(shí)，體現(xiàn)為功率的增加[3]。

截取1#機(jī)組故障未處理時(shí)的1個(gè)開、停機(jī)流程相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見表1～表2)。

從表1和表2數(shù)據(jù)可知：1#機(jī)組在水輪機(jī)工況下運(yùn)行正常，但是投入勵(lì)磁后頻率和轉(zhuǎn)速均有下降，且頻率波動(dòng)較大。

表1 故障未處理時(shí)1#機(jī)組水輪機(jī)工況相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 故障未處理時(shí)1#機(jī)組水輪機(jī)工況至并網(wǎng)過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)

4.1 首先考慮是否同期回路或裝置出現(xiàn)故障

從機(jī)組合閘二次回路可知，機(jī)組合閘條件有4個(gè):

① 出口地刀斷開(隔離蓋也在正確位置)；

② 三相制動(dòng)刀閘斷開：

③ 發(fā)電機(jī)出口電壓存在：

④ 同期裝置條件滿足，發(fā)出合閘命令。

檢查前3個(gè)條件相應(yīng)的繼電器動(dòng)作正常、控制回路沒(méi)有出現(xiàn)斷線，那么首先考慮是否同期裝置出現(xiàn)故障，端子接線是否松脫。

到現(xiàn)地對(duì)同期裝置進(jìn)行復(fù)歸，沒(méi)有作用，切換至另1臺(tái)同期裝置，檢查緊固端子接線，然后斷開機(jī)組出口刀閘進(jìn)行模擬并網(wǎng)，依舊無(wú)法并網(wǎng)。同期裝置發(fā)出合閘命令的接點(diǎn)是通過(guò)-K0111繼電器作用于控制回路，而此時(shí)-K0111繼電器沒(méi)有勵(lì)磁(繼電器-K0111沒(méi)有故障)，表明確實(shí)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(cè)頻回路或裝置出現(xiàn)故障

調(diào)速器測(cè)頻回路采用齒盤測(cè)速和殘壓測(cè)速兩種方式。齒盤測(cè)速有兩個(gè)磁性探頭，對(duì)稱分布在大軸上，探頭產(chǎn)生的脈沖信號(hào)處理后用以觸發(fā)計(jì)算器，經(jīng)計(jì)算得出機(jī)組轉(zhuǎn)速。殘壓測(cè)速信號(hào)取自于發(fā)電機(jī)出口電壓互感器，經(jīng)隔離、限制、濾波、放大，產(chǎn)生與機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖，用以觸發(fā)計(jì)算器，經(jīng)計(jì)算得出機(jī)組轉(zhuǎn)速，根據(jù)n=60f/p可得出轉(zhuǎn)速。調(diào)速器在轉(zhuǎn)速低于76%時(shí)，采用齒盤測(cè)速，大于76%時(shí)，采用殘壓測(cè)速[5]。

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

圖2 飛來(lái)峽電廠調(diào)速器控制原理示意

4.3 考慮是否調(diào)速器參數(shù)有誤或調(diào)速器主板故障

水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將決定發(fā)出的交流電的頻率，為保證這個(gè)頻率的穩(wěn)定，必須穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，可采用閉環(huán)控制的方式對(duì)原動(dòng)機(jī)(水輪機(jī))轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即將發(fā)出的交流電的頻率信號(hào)采樣，并將其反饋到控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開合角度的控制系統(tǒng)中，控制水輪機(jī)的輸出功率，通過(guò)反饋控制原理，可使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定[6]。

調(diào)速器系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)荷的變化，不斷地改變水輪發(fā)電機(jī)組的有功功率輸出，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速(頻率)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常由測(cè)量、加法、放大、執(zhí)行和反饋等元件組成。調(diào)速器在機(jī)組單機(jī)運(yùn)行或空載運(yùn)行時(shí)，作為定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，改變機(jī)組轉(zhuǎn)速；在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，作為開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，改變機(jī)組有功出力。其轉(zhuǎn)速控制采用P+I+D調(diào)節(jié)規(guī)律，功率(開度)控制采用P+I調(diào)節(jié)規(guī)律，通過(guò)人機(jī)界面LCD終端可以進(jìn)行參數(shù)修正、輸入/輸出功能[7](見圖3)。

圖3 水輪機(jī)調(diào)節(jié)方框示意

檢修人員核對(duì)調(diào)速器參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)異常，更換調(diào)速器主板，并重新核對(duì)參數(shù)無(wú)誤后，依舊無(wú)法并網(wǎng)。

4.4 考慮是否導(dǎo)葉傳感器4-20 mA電流出現(xiàn)誤差，造成調(diào)速器啟動(dòng)開度限制

由表3～表4可知：1#機(jī)組之前正常開機(jī)時(shí)，并網(wǎng)前的導(dǎo)葉開度均略小于12%，轉(zhuǎn)速均略大于100%，與2月10日并網(wǎng)失敗的相關(guān)數(shù)據(jù)相比，雖然看似正常，但有較小偏差。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，投入勵(lì)磁后，同期裝置發(fā)出命令增頻，調(diào)速器收到命令，但未能增頻，檢修人員計(jì)劃對(duì)導(dǎo)葉開度傳感器電流值進(jìn)行檢測(cè)。

表3 1#機(jī)組之前3次正常開機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)

表4 2月10日1#機(jī)組3次并網(wǎng)失敗的相關(guān)數(shù)據(jù)

飛來(lái)峽電廠的水輪機(jī)導(dǎo)葉位置傳感器主要由恒力彈簧、十圈電位器、信號(hào)變換模塊等3部分構(gòu)成。鋼絲繩一端固定在導(dǎo)葉控制環(huán)連臂桿上，另一端纏繞并固定在鋼絲繩活動(dòng)轉(zhuǎn)盤上，靠恒力彈簧的力量始終拉緊鋼絲繩。

運(yùn)行中隨著鋼絲繩活動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，十圈電位器電阻值發(fā)生改變，再通過(guò)信號(hào)變控模塊將十圈電位器的電阻值轉(zhuǎn)換為電流值，將導(dǎo)葉位置傳感器輸出4～20 mA的電流反饋給調(diào)速器，其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉實(shí)際開度為100%～0%[8](見圖4)。

圖4 導(dǎo)葉位置傳感器原理示意

檢修人員在1#機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下對(duì)電液轉(zhuǎn)換器回路進(jìn)行有針對(duì)性的檢查，查看接線端子，同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量其4～20 mA的模擬量采樣通道，發(fā)現(xiàn)該通道的電流值在停機(jī)的情況下只有19.5 mA左右，無(wú)法達(dá)到20 mA，且停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉開度顯示1.8%～2.1%，由此可以猜測(cè)可能是由于導(dǎo)葉傳感器4～20 mA電流信號(hào)出現(xiàn)偏移，實(shí)測(cè)電流值偏小，導(dǎo)致機(jī)組空載時(shí)調(diào)速器導(dǎo)葉開度值較實(shí)際開度值偏大2%，調(diào)速器限位器動(dòng)作，導(dǎo)葉開度無(wú)法繼續(xù)加大，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不能達(dá)到100%，頻率無(wú)法增加,相角也不滿足條件(相角由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子繞組的空間角度決定)，而導(dǎo)葉傳感器輸出的4～20 mA的電量沒(méi)有超出范圍，因此，調(diào)速器沒(méi)有發(fā)出電調(diào)跳閘信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)也沒(méi)有出現(xiàn)其他報(bào)警信息[9]。

調(diào)速器內(nèi)部有開度限制回路，啟動(dòng)開度限制了機(jī)組并網(wǎng)前的導(dǎo)葉開度，其值根據(jù)水頭變化和協(xié)聯(lián)關(guān)系在調(diào)速器內(nèi)部有所調(diào)整，在水頭-開度限制協(xié)聯(lián)的曲線上疊加一個(gè)偏移量，可以修改所有水頭下的空載導(dǎo)葉啟動(dòng)開度。啟動(dòng)開度分2級(jí)，第1級(jí)開度約為空載開度的2倍，可盡快啟動(dòng)機(jī)組；第2級(jí)開度約為空載開度1.3倍，在轉(zhuǎn)速大于45 Hz 時(shí)啟用，以確保較小的過(guò)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近95%時(shí)，機(jī)組進(jìn)入空載調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉接力器關(guān)至空載開度，逐漸使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)頻率，等待同期并網(wǎng)。導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)際的導(dǎo)葉開度減去限制器讀取的數(shù)值，即獲得導(dǎo)葉開度的修正值，然后放大信號(hào)以增強(qiáng)反饋?zhàn)饔?，放大后的信?hào)將與轉(zhuǎn)速控制、有功(開度)控制回路產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比較，較小值將被采用[10]。

當(dāng)啟動(dòng)開度限制值過(guò)小時(shí)，可能出現(xiàn)開機(jī)時(shí)，機(jī)組不到額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)，可修改此參數(shù)，增加導(dǎo)葉空載限制的最大值。當(dāng)此值過(guò)大時(shí)，可能引起機(jī)組開機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大的超調(diào)，而此次機(jī)組無(wú)法同期并網(wǎng)應(yīng)該是因?yàn)閷?dǎo)葉反饋值較實(shí)際值偏大，達(dá)到了開度限制器動(dòng)作的數(shù)值，導(dǎo)葉開度不再增大(見圖5)。

圖5 電氣調(diào)速器控制邏輯框示意

5 故障處理

檢修人員對(duì)水頭檢測(cè)裝置進(jìn)行校對(duì)，對(duì)輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行診斷，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，查看并網(wǎng)時(shí)調(diào)速器程序中的導(dǎo)葉電氣開度限制最大值為12%左右，導(dǎo)葉實(shí)際開度已經(jīng)超過(guò)12%，所以開度限制器動(dòng)作。那么可以判斷是導(dǎo)葉開度反饋偏大，于是對(duì)導(dǎo)葉開度傳感器參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，重新調(diào)整了導(dǎo)葉位置傳感器4～20 mA的模擬量與導(dǎo)葉實(shí)際開度為100%～0%的對(duì)應(yīng)線性關(guān)系，重新開機(jī)，投入勵(lì)磁后，導(dǎo)葉開度小于12%，轉(zhuǎn)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(wǎng)成功，故障排除。此次故障點(diǎn)較為隱蔽，數(shù)據(jù)誤差很小，歷經(jīng)數(shù)小時(shí)、多方面排查得以解決[11]。

6 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)的導(dǎo)葉開度傳感器工作環(huán)境比較潮濕，空氣雜質(zhì)較多，加上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，容易引起十圈電位器滑動(dòng)電阻線性不良，進(jìn)而影響導(dǎo)葉傳感器內(nèi)的電子元件性能，使反饋調(diào)速器的導(dǎo)葉開度電信號(hào)產(chǎn)生偏移誤差，繼而可能導(dǎo)致開機(jī)失敗、導(dǎo)葉開度不穩(wěn)定甚至機(jī)組跳閘。水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器位置傳感器等輔助設(shè)備的可靠性是確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，定期對(duì)水輪機(jī)及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢查非常必要，對(duì)于部分參與機(jī)組控制的重要外圍信號(hào)采集裝置,如機(jī)組導(dǎo)葉、輪葉位置傳感器以及機(jī)組凈水頭測(cè)量裝置，都應(yīng)采用冗余，實(shí)現(xiàn)多套備用，在故障情況下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。