Tis Abay II電站調(diào)速器概述及故障處理

賴 建 輝

（中國水利水電第二工程局有限公司，北京 100120）

1 引言

該水電站，位于非洲尼羅河源頭之一的青尼羅河（BLUE NILE）上，電站裝有兩臺立軸混流式水輪發(fā)電機組，單機容量為 36MW，屬渠道引水式電站，額定水頭51.4m。全部機電設(shè)備是由中國提供的，也是中國的機電產(chǎn)品第一次出口到埃塞爾比亞。由于水資源比較豐富，出力穩(wěn)定，屬于該國電網(wǎng)中的主力電站之一。

2 調(diào)速器系統(tǒng)介紹

2.1 概述

本電站采用的是KZT-100型可編程調(diào)速器，電液轉(zhuǎn)換部分采用了環(huán)噴式電液轉(zhuǎn)換器。其電氣部分采用高性能可編程控制器——法國Modicon TSX37作為硬件主體，裝置可靠性高，平均無故障時間 MTBF≥15000h。內(nèi)含先進的 PLC測頻，采用日本松下的MINAS A系列400W交流伺服電機作為位置環(huán)控制方式和全數(shù)字交流伺服驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)了微機調(diào)速器的全數(shù)字式控制?？煽啃院驼{(diào)節(jié)品質(zhì)已完全能夠滿足電廠無人值班、少人職守的要求。

2.2 主要參數(shù)和技術(shù)性能

2.2.1 主要參數(shù)

（1）導(dǎo)水葉接力器全開、全關(guān)時間

全關(guān)時間 3～20s

全開時間 3～20s

（2）空載和負(fù)載時調(diào)整時間參數(shù)

比例系數(shù)K ：0.5～20

積分系數(shù)K ：0.05～10

微分系數(shù)K ：0～5

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp：0～10%

2.2.2 技術(shù)性能

調(diào)速器技術(shù)性能符合國家“水輪機調(diào)速器及油壓裝置技術(shù)條件”GB/T9652.1-1997的要求，主要性能指標(biāo)如下：

轉(zhuǎn)速死區(qū)i＜0.04%

槳葉隨動系統(tǒng)不準(zhǔn)確度i＜1.0%

導(dǎo)葉靜態(tài)特性曲線非線性度＜3%

甩10%～15%負(fù)荷時，導(dǎo)葉接力器不動時間tq＜0.2s

機組自動空載頻率擺動值 Δf＜±0.15%（相當(dāng)于≤±0.15Hz）

備用電源切換、手自動切換時導(dǎo)水葉開度變化＜±1%

機組帶穩(wěn)定負(fù)荷運行時，導(dǎo)葉波動＜±1%

調(diào)速器抗油污能力：濾油精度＜100μm

機組頻率信號電壓正常工作范圍：0.2～130V，正常測頻范圍：5～100Hz

電網(wǎng)頻率信號電壓正常工作范圍：0.2～130V，正常測頻范圍：45～55Hz

2.3 調(diào)速器的主要特點

（1）調(diào)速器采用了塊式直連型機械液壓系統(tǒng)，主配為加工件，機械液壓部分用全液壓集成塊結(jié)構(gòu)，技術(shù)先進，可靠性高。

（2）由交流伺服電機和滾珠螺旋副組成的電-機轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，具有不用油、斷電自保持、免維護、可靠性極高等特點。

（3）采用了可編程控制器作為硬件主體，使整機平均無故障運行時間提高到MTBT≥15000h。

（4）調(diào)速器具有多種運行模式，如頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、水位控制和功率調(diào)節(jié)等，能適應(yīng)不同運行工況的要求。

（5）同時設(shè)有機械開度限制和電氣開度限制，操作靈活，運行可靠。

（6）頻率（轉(zhuǎn)速）的測量由 PLC實現(xiàn)，外圍電路簡單，提高了整機的抗干擾能力及可靠性。

（7）頻率調(diào)節(jié)模式采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，開度和功率調(diào)節(jié)模式采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。

（8）具有與上位機的通信接口(RS-232C)，便于實現(xiàn)電站計算機控制。

2.4 微機調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性

（1）頻率偏差環(huán)節(jié)

頻率死區(qū)特性，見圖1。頻率死區(qū)單邊值E，顯然，當(dāng)E=0時，△f=△f′。

圖1 頻率死區(qū)特性

其中，F(xiàn)J為與機組頻率fJ成比例的數(shù)字信號；FW為與電網(wǎng)頻率fW成比例的頻率給定數(shù)字信號；FG為與機組頻率和電網(wǎng)頻率同一比例關(guān)系的頻率給定數(shù)字信號；

（2）PID調(diào)節(jié)特性，見圖2。

記錄PID特性時，微機調(diào)節(jié)器輸出換算成相對值，y：0～100%。

（3）微機調(diào)節(jié)器的靜特性，見圖3。

① 在停機等待狀態(tài)時，接到開機令調(diào)速器即將導(dǎo)葉開啟至第一開機開度yKJ1(圖中b點)

② 機組頻率＞45Hz，調(diào)速器即將導(dǎo)葉關(guān)閉至第二開機開度yKJ2(圖中d點)并投入PID，轉(zhuǎn)入空載工況。

圖2 PID特性

圖3 調(diào)速器靜特性

圖4 開機特性

圖5 停機特性

（5）停機特性，見圖5。

① 接到停機令后，導(dǎo)葉即由當(dāng)時開度以第一停機速度將導(dǎo)葉關(guān)閉。

② 當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉至30%開度時，再以第二停機速度將導(dǎo)葉關(guān)閉至全關(guān)位置，同時轉(zhuǎn)入“?！薄?/p>

2.5 運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換

調(diào)速器運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換見圖6。

圖6 調(diào)速器運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換

2.6 電氣操作介紹

2.6.1 上電檢查

狂歡文化來自狂歡節(jié)這一民俗儀式。它本是以酒神崇拜為核心的民間節(jié)慶和游藝形式。自媒體時代所帶來的新的傳播手段和模式，以及由此帶來的后現(xiàn)代的生存思維與生活方式，在一定程度上呈現(xiàn)出了巴赫金筆下具有顛覆性的“第二世界”。新興媒體的傳播特性也正與“狂歡”要求的要素相互契合。

合上交流、直流電源開關(guān)，上電后，如果機頻＜45Hz，且導(dǎo)葉開度＜6%，則調(diào)速器進入停機等待狀態(tài)，導(dǎo)葉關(guān)到零。

如果機頻≥45Hz，且導(dǎo)葉開度≥6%，油開關(guān)未投，則調(diào)速器進入空載狀態(tài)，有電網(wǎng)頻率信號則機組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率，無電網(wǎng)頻率信號則機組頻率跟蹤給定頻率。

如果機頻≥45Hz，且導(dǎo)葉開度≥6%，油開關(guān)合，則調(diào)速器進入負(fù)載狀態(tài)，調(diào)速器進入開度調(diào)節(jié)模式。

2.6.2 停機備用

當(dāng)機組處于停機備用工況時，微機調(diào)節(jié)器應(yīng)合上交直流電源，并處于自動工況，機械液壓系統(tǒng)應(yīng)接通額定壓力油。

2.6.3 開機

調(diào)速器在停機備用狀態(tài)，頻率調(diào)節(jié)模式。當(dāng)接到開機令時，機組進入開機過程。

另外：

（1）調(diào)速器與機組進入空載時，有網(wǎng)頻信號的情況下，機頻自動跟蹤網(wǎng)頻，具有精度高，PID調(diào)節(jié)精確，不接收外部手動操作，可使機組快速、平穩(wěn)地同期并網(wǎng)，這也是該調(diào)速器的最大優(yōu)點之一。

（2）如果特殊情況下，沒有網(wǎng)頻輸入，調(diào)速器自動解除網(wǎng)頻跟蹤，并轉(zhuǎn)而跟蹤內(nèi)部頻率給定，頻率給定值可以修改。

（3）在自動開機過程中，如果機頻因故障消失，調(diào)速器將自動發(fā)出機頻故障顯示并報警。第二段開機25s后如機頻還不能恢復(fù)則自動停機。

2.6.4 并網(wǎng)

當(dāng)機組油開關(guān)合上后，調(diào)速器處于負(fù)載狀態(tài)，進入開度調(diào)節(jié)模式。

并網(wǎng)后，當(dāng)“參數(shù)修改”畫面中選擇了模式手動時，調(diào)節(jié)模式可以在頻率模式、開度模式、功率模式之間通過機組狀態(tài)進行切換。

注意：空載狀態(tài)下只能是頻率模式。

另外：

（1）并網(wǎng)后如調(diào)度中心要求機組擔(dān)任調(diào)頻任務(wù)，則調(diào)速器必須處于頻率調(diào)節(jié)模式。

（2）如果調(diào)度中心要求機組擔(dān)任額定負(fù)荷調(diào)節(jié)，則調(diào)速器可處于功率調(diào)節(jié)或開度調(diào)節(jié)模式下運行。

（3）并網(wǎng)后油開關(guān)信號必須接觸可靠。

三種調(diào)節(jié)模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖7。

圖7 三種調(diào)節(jié)模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.6.5 停機

當(dāng)調(diào)速器接到停機令后，導(dǎo)葉在電氣兩段關(guān)閉方式下關(guān)至零，調(diào)速器回到停機等待狀態(tài)。

2.7 一般故障處理

（1）機頻故障

原因：信號線斷開，隔離變壓器損壞。

現(xiàn)象：機組頻率顯示無數(shù)值，指示機頻故障，調(diào)速器維持原位不動。

處理步驟：

①首先將調(diào)速器切到機械手動運行（如有可能應(yīng)停機）。

②信號消失或斷線：根據(jù)原理圖，從測頻模塊到PT逐步查找故障點。

③排除故障后，調(diào)速器一切正常才可以切到自動運行。

（2）網(wǎng)頻故障

原因：信號線斷開，隔離變壓器損壞。

現(xiàn)象：指示網(wǎng)頻故障，調(diào)速器維持原位不動。

處理步驟同機頻率故障。

（3）功率反饋故障

原因：反饋線斷；在功率模式下，增減負(fù)荷過快；開限未打開；功率變送器損壞。

現(xiàn)象：指示功率反饋故障；調(diào)速器從“功率模式”自動切換到“開度模式”，發(fā)報警信號。

處理步驟：

①檢查功率變送器與信號線。

②若是增減過快，可減慢增減負(fù)荷速度，或者與廠家聯(lián)系，修改相應(yīng)程序。

（4）導(dǎo)葉反饋故障原因：

①位移傳感器反饋斷線或損壞

②反饋電位器反饋斷線或損壞

③“開度模式”增減開度給定過快

④開限沒有打開

現(xiàn)象：指示導(dǎo)葉反饋故障；發(fā)報警信號。

處理：根據(jù)不同的故障原因，可采?。?/p>

1)打開電氣開限。

2)減慢開度給定速度，或與廠家聯(lián)系，修改相應(yīng)程序。

3)若位移傳感器故障，修復(fù)或更新后應(yīng)調(diào)整零點與滿度 。零點與滿度的調(diào)整方法將在后面介紹。

4)若反饋電位器故障，應(yīng)換掉電位器，并重新安裝與調(diào)整。

（5）導(dǎo)葉突然全開

現(xiàn)象：指示導(dǎo)葉反饋故障，導(dǎo)葉開度表無指示，平衡表指向最大。

處理：檢查外接線端子看導(dǎo)葉反饋輸入是否有反饋電壓：如果沒有反饋電壓，則說明反饋斷線，應(yīng)檢查導(dǎo)葉反饋裝置中的插頭是否松動，W1和W2是否開路或損壞。

2.8 導(dǎo)葉反饋的零點調(diào)整和滿度調(diào)整

在運行過程中因檢修的需要或者意外事故，如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉反饋零點和滿度輸出不對，應(yīng)在退出運行后關(guān)閉進水閥，對導(dǎo)葉反饋裝置重新進行零點調(diào)整和滿度調(diào)整。導(dǎo)葉反饋電位器接線圖如圖8。

（1）零點調(diào)整

用機械手動將導(dǎo)葉全關(guān)，松開緊固螺釘，調(diào)節(jié)W1（1kΩ圓形電位器）中心軸，測量a與b間的電壓，使該電壓值為0.5V，然后鎖緊緊固螺釘，注意不要完全調(diào)為0V，否則自動運行時接力器不能壓緊行程。

（2）滿度調(diào)整

用機械手動將導(dǎo)葉全開，調(diào)節(jié)W2（750Ω矩形電位器），測量a與b間的電壓，使該電壓值為9.8～10V之間，注意不要超過 10V，否則自動時接力器不能開到全開位置。

注意：以上步驟均應(yīng)在無水條件下進行。

圖8

3 特殊故障出現(xiàn)與處理

機組運行近兩年后，1號機組突然出現(xiàn)故障，緊急甩負(fù)荷停機。運行人員按檢查程序檢查機組后沒有發(fā)現(xiàn)其他問題，決定重新開機，多次開機不成功，出現(xiàn)的狀況是發(fā)開機令后，機組轉(zhuǎn)速達到 25%左右后就停機。因為當(dāng)?shù)卣幱诟珊等彼募竟?jié)，只有 TIS ABAY II 電站的青尼羅河水源充足，其他電站由于缺水無法滿負(fù)荷發(fā)電，給本已供電緊張的電網(wǎng)雪上加霜。

調(diào)速器電氣部分的平均無故障時間應(yīng)該大于15000h，調(diào)速器與機組進入空載時，有網(wǎng)頻信號的情況下，機頻自動跟蹤網(wǎng)頻，具有精度高，PID調(diào)節(jié)精確，不接受外部手動操作，可使機組快速、平穩(wěn)的同期并網(wǎng)，如果特殊情況下，沒有網(wǎng)頻輸入（比如電網(wǎng)沒電），調(diào)速器自動解除網(wǎng)頻跟蹤，并轉(zhuǎn)入內(nèi)部頻率給定調(diào)節(jié)；在自動開機過程中，如果機頻因故障消失，調(diào)速器將自動發(fā)出機頻故障顯示并報警，第二段開機25s后如機頻還不能恢復(fù)則自動停機。

到現(xiàn)場后，1號機調(diào)速器已經(jīng)斷電。為了查清原因，我們調(diào)用了發(fā)生故障時的故障報告記錄，并認(rèn)真聽取了運行人員的介紹，由于本電站采用了計算機實時監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），故障報告保存完好，幫助了我們查找事故原因。

據(jù)運行人員介紹，事故發(fā)生后，再度開機時，調(diào)速器工作失常，具體表現(xiàn)為：發(fā)自動開機令后，機組輔助設(shè)備系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，然后發(fā)命令給調(diào)速器，導(dǎo)葉打開，轉(zhuǎn)速上升，電調(diào)柜上指針式轉(zhuǎn)速表有指示，且逐步上升到50Hz左右，此時調(diào)速器數(shù)字顯示屏上仍然無任何顯示（此信號來自發(fā)電機出口母線的電壓互感器上，正常情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到約 18Hz時開始有顯示），當(dāng)導(dǎo)葉開度達到20%左右時，導(dǎo)葉自動向關(guān)閉方向動作，直至全關(guān)，機組停機，發(fā)回到中控室的報警信號是“調(diào)速器故障”。我們判斷為調(diào)速器的測頻回路發(fā)生了故障?，F(xiàn)場調(diào)速器上電檢查發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器已經(jīng)死機，因為在停機狀態(tài)下，檢查PLC外部接線沒有問題，合上調(diào)速器的直流和交流雙路電源，調(diào)速器面板上用于表示調(diào)速器正常工作的指示燈不亮，說明調(diào)速器死機了。采用筆記本電腦和PLC連接重新給調(diào)速器內(nèi)部上傳程序的方法，解決了此問題，重新合上電源，調(diào)速器本身運行正常。

后來查找到了調(diào)速器死機的原因：電廠運行人員在檢查測頻回路時，將100V網(wǎng)頻信號(來自網(wǎng)頻電壓互感器TV3)輸入到機頻回路時，沒有將接在機頻回路端子上的原有兩根線斷開，導(dǎo)致100V交流電反送到另一臺機頻電壓互感器(TV2)二次側(cè)線圈，產(chǎn)生了大電流，燒斷了TV3二次側(cè)熔斷器的同時，在調(diào)速器背后的接線端子上產(chǎn)生了電火花，導(dǎo)致了PLC的死機。

PLC正常后，用信號發(fā)生器輸出一個50Hz、100V的信號直接接到調(diào)速器柜的機頻和網(wǎng)頻端子上，此時調(diào)速器柜面板上的數(shù)字顯示值交替顯示50Hz，表明調(diào)速器的測頻回路已經(jīng)沒有問題。拆除信號發(fā)生器，恢復(fù)原來接線，然后更換了TV3二次側(cè)的熔斷保險。用純手動方式開機，將轉(zhuǎn)速維持在50Hz左右，此時，測得 TV2二次側(cè)和調(diào)速器機頻輸入端子上的電壓為0.165V。

根據(jù)上述現(xiàn)象判斷，發(fā)電機出口電壓互感器二次側(cè)電壓過低（低于0.3V）是導(dǎo)致電調(diào)柜測頻回路不能投入工作的主要原因。在正常起機的情況下，當(dāng)導(dǎo)葉開度到達 19%左右時，轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速達到約 18Hz時，機端電壓互感器TV2二次側(cè)電壓即達到0.3V以上（調(diào)速器測頻回路信號電壓的范圍是：0.3～130V之間），調(diào)速器測頻回路開始投入工作，面板上開始有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)機組頻率大于45Hz時，投入PID控制，導(dǎo)葉開度被自動關(guān)至 17%左右，機組的轉(zhuǎn)速開始跟蹤網(wǎng)頻。開機令下達之后，開機程序開始計時，如果在35s鐘內(nèi)測頻回路仍不能投入正常工作，即機組頻率仍達不到45Hz，調(diào)速器就會自動關(guān)機，發(fā)“調(diào)速器故障”信號。

處理方法：機組純手動啟動，并使機組的轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速，手動加勵磁使發(fā)電機出口電壓達到額定值，此時機組運行正常。運行十幾分鐘后，手動停機。將操作手柄轉(zhuǎn)到自動起機狀態(tài)，發(fā)起機命令，機組正常起機，并網(wǎng)發(fā)電。

事故結(jié)論：1號機組在正常滿負(fù)荷運行中，勵磁電流回路開關(guān)（Field Breaker）突然跳開，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失磁，定子電壓下降，無功功率進相，強烈的電樞反映導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓及電流極性轉(zhuǎn)換，變?yōu)樨?fù)值。電氣保護立即動作，跳開發(fā)電機斷路器，機組緊急停機。轉(zhuǎn)子電壓電流的反極性，大大降低了轉(zhuǎn)子的剩磁，導(dǎo)致再度開機時，發(fā)電機定子殘壓過低，在TV2二次側(cè)的電壓不足0.3V，以致調(diào)速器柜無法測到機組頻率而停機。而用純手動開機，然后在勵磁柜手動起勵就解決這個問題。

至于在正常運行中勵磁回路開關(guān)為什么會突然跳開，分析原因有兩條：一是繼電保護動作的結(jié)果，二是人為的作用，在 SCADA故障記錄中沒有任何繼電保護導(dǎo)致跳磁場開關(guān)的記錄，應(yīng)判斷人為誤操作所致。

4 結(jié)束語

運行實踐證明，KZT-100型可編程調(diào)速器是目前功能完備，抗油污能力強，可靠性高的、適用于中小型水輪發(fā)電機組的微機調(diào)速器。

Tis Abay II電站調(diào)速器自投運以來運行良好，雖然出現(xiàn)過故障，但經(jīng)我方人員及時處理，為埃塞俄比亞的電力供應(yīng)作出了巨大貢獻。