單導(dǎo)葉接力器的位置傳感器控制邏輯分析

張旭，薛方方

(河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng)453636)

寶泉抽水蓄能電站為總?cè)萘?200 MW日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，共4 臺由某公司設(shè)計(jì)制造的單機(jī)容量300 MW、立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機(jī)組。

1 設(shè)備工作狀態(tài)分析

1.1 導(dǎo)葉接力器位置傳感器工作原理

電站水泵水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由20 個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉組成，其操作機(jī)構(gòu)對應(yīng)20 個(gè)小型導(dǎo)葉接力器，未設(shè)置導(dǎo)葉控制環(huán)和剪斷銷裝置。為了避免導(dǎo)葉出現(xiàn)非同步現(xiàn)象，每個(gè)導(dǎo)葉接力器設(shè)置2 個(gè)位置傳感器，主用傳感器161MM 和備用傳感器162MM，互為冗余。在某個(gè)導(dǎo)葉出現(xiàn)卡塞或未成功開啟時(shí)，由對應(yīng)的接力器位置傳感器發(fā)送位置反饋信號，調(diào)速器判斷導(dǎo)葉的實(shí)際反饋位置與設(shè)定值的差別，進(jìn)而停機(jī)。

導(dǎo)葉位置傳感器安裝在接力器的頂部，屬于拉繩式磁感應(yīng)位置傳感器，通過內(nèi)部波導(dǎo)管磁場與外部磁感應(yīng)式拉桿之間相互感應(yīng)并輸出信號，采用1條防干擾電纜直接向調(diào)速器導(dǎo)葉控制卡件輸送4～20 mA 模擬量位置信號。位置傳感器磁感應(yīng)活動(dòng)桿正?；顒?dòng)范圍是0～222 mm，對應(yīng)導(dǎo)葉開度為0～100%。

1)如果主用傳感器161MM 出現(xiàn)大的波動(dòng)或誤差，輸出電流信號低于4 mA 或高于20 mA，或變成灰色無效，同時(shí)備用傳感器162MM 工作正常，則調(diào)速器電氣控制柜進(jìn)行報(bào)警，顯示主用傳感器161MM 無效，調(diào)速器系統(tǒng)則自動(dòng)采用備用傳感器162MM 信號，繼續(xù)保持機(jī)組負(fù)荷與頻率的調(diào)節(jié)，防止機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)。

2)如果2 個(gè)傳感器161MM/162MM 之間的信號出現(xiàn)差別較大，超過調(diào)速器邏輯設(shè)定值5%，則調(diào)速器系統(tǒng)出現(xiàn)二類小故障報(bào)警，但仍采用主用傳感器161MM 信號作為調(diào)節(jié)信號;當(dāng)主用傳感器161MM 的反饋信號與輸出設(shè)定值差別超過設(shè)定值15%，經(jīng)過故障檢測延時(shí)后則調(diào)速器系統(tǒng)報(bào)一類大故障，導(dǎo)致機(jī)組機(jī)械停機(jī)。

跳機(jī)邏輯如圖1 所示。圖中的Y 軸導(dǎo)葉開度為反饋信號(0～100%)，伺服閥控制信號在0～1之間逐漸變換，故障與跳機(jī)信號在0 與1 互相切換，X 軸為時(shí)間變化。

圖1 導(dǎo)葉接力器位置傳感器信號突變跳機(jī)曲線(示意圖)

1.2 機(jī)組跳機(jī)實(shí)例分析

寶泉抽水蓄能電站#4 機(jī)組在抽水工況穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)控畫面出現(xiàn)調(diào)速器系統(tǒng)一類故障報(bào)警，直接執(zhí)行機(jī)械停機(jī)流程。經(jīng)檢查，#11 導(dǎo)葉接力器主用位置傳感器161MM 外部磁性感應(yīng)活動(dòng)桿脫落，調(diào)速器控制柜顯示tracking error(trip)主故障，從而導(dǎo)致跳機(jī)。

#4 機(jī)組出現(xiàn)大故障跳機(jī)后，導(dǎo)葉全部處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)#11 導(dǎo)葉接力器的2 個(gè)位置傳感器161MM 和162MM 信號均應(yīng)顯示4 mA，但主用傳感器161MM 停機(jī)后仍顯示為17 mA，此信號在機(jī)組抽水時(shí)與調(diào)速器設(shè)定值出現(xiàn)較大差別，直接導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

根據(jù)導(dǎo)葉接力器位置傳感器邏輯原理，主用傳感器161MM 輸出信號低于4 mA 或高于20 mA，或無效時(shí)，調(diào)速器系統(tǒng)自動(dòng)切換至備用162MM 信號。但如果主用傳感器161MM 出現(xiàn)大的波動(dòng)或誤差，輸出電流信號仍在4～20 mA 之間，調(diào)速器系統(tǒng)則判斷主用傳感器161MM 仍正常工作，采用主用傳感器信號;此次#4 機(jī)跳機(jī)事故發(fā)生時(shí)，#11 導(dǎo)葉接力器主用傳感器161MM 外部磁感應(yīng)活動(dòng)桿脫落，輸出信號仍保持在4～20 mA 之間，調(diào)速器系統(tǒng)并未進(jìn)行主、備位置傳感器161MM 和162MM 之間的信號自動(dòng)切換，從而導(dǎo)致機(jī)械停機(jī)。

此次跳機(jī)事故暴露了導(dǎo)葉接力器位置傳感器的邏輯設(shè)置存在一定的缺陷，需進(jìn)一步完善其控制邏輯。

2 改進(jìn)方案

根據(jù)上述跳機(jī)實(shí)例分析和研究結(jié)果，對導(dǎo)葉接力器位置傳感器的冗余配置邏輯進(jìn)行了完善。

1)主用位置傳感器161MM 接頭松動(dòng)，造成信號丟失或電流小于4 mA，發(fā)出報(bào)警信號，并自動(dòng)切換至備用位置傳感器162MM;如主用傳感器161MM 工作正常，備用傳感器162MM 出現(xiàn)信號丟失或電流小于4 mA，只發(fā)出報(bào)警。

2)主用位置傳感器161MM 信號小幅度突變，則如圖2 所示，發(fā)出主用傳感器報(bào)警信號的同時(shí)，自動(dòng)切換至備用位置傳感器162MM 信號;如主用傳感器161MM 工作正常，備用傳感器162MM 小幅度突變，僅發(fā)出導(dǎo)葉位置不一致報(bào)警信號。

圖2 主用位置傳感器小幅突變曲線(示意圖)

3)主用位置傳感器161MM 出現(xiàn)大幅度緩慢波動(dòng)，則經(jīng)過故障探測延時(shí)后(設(shè)置為導(dǎo)葉操作時(shí)間的10%左右)，發(fā)出主用傳感器故障報(bào)警，同時(shí)切至備用位置傳感器162MM;如主用傳感器161MM 工作正常，備用傳感器162MM 出現(xiàn)大幅度緩慢波動(dòng)，只發(fā)出傳感器不同步報(bào)警。如圖3 所示。

圖3 主用位置傳感器大幅突變曲線(示意圖)

4)主用位置傳感器161MM 和備用傳感器162MM 均出現(xiàn)大幅度緩慢波動(dòng)，經(jīng)過延時(shí)后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置，將會出現(xiàn)導(dǎo)葉傳感器反饋信號和輸出設(shè)定信號不一致過大，導(dǎo)致機(jī)械停機(jī)。

3 改進(jìn)后效果驗(yàn)證

在機(jī)組檢修期間，根據(jù)改進(jìn)方案將調(diào)速器的導(dǎo)葉控制卡件內(nèi)部程序升級，并進(jìn)行了導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉試驗(yàn)。

1)在正常靜水條件下，手動(dòng)開啟、關(guān)閉導(dǎo)葉，導(dǎo)葉接力器主用、備用位置傳感器161MM 和162MM 的模擬量反饋信號正常，比較穩(wěn)定。

2)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，人工模擬導(dǎo)葉接力器主用位置傳感器161MM 發(fā)生斷線故障，主用傳感器161MM 的模擬量輸出信號消失，調(diào)速器控制系統(tǒng)自動(dòng)切至備用傳感器162MM 信號，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。同時(shí)，在主用位置傳感器161MM 正常時(shí)，人工模擬備用傳感器162MM 輸出信號消失，調(diào)速器僅進(jìn)行小故障報(bào)警，機(jī)組運(yùn)行未受影響。

3)人工干預(yù)導(dǎo)葉接力器主用位置傳感器161MM，其輸出反饋信號瞬間抖動(dòng)后復(fù)歸，測試位置傳感器的信號切換。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器在主用161MM、備用傳感器162MM 信號之間切換正常，僅輸出小故障報(bào)警，之后報(bào)警復(fù)歸。

4)人工干預(yù)導(dǎo)葉接力器位置傳感器外部磁感應(yīng)式活動(dòng)拉桿，使得導(dǎo)葉在開啟、關(guān)閉過程中，主用位置傳感器161MM 的輸出電流信號保持不變，主用、備用位置傳感器之間的自動(dòng)切換功能正常，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

經(jīng)過升級改造，導(dǎo)葉接力器的位置傳感器161MM 和162MM 的冗余配置發(fā)揮了作用，滿足現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行要求，在主用或備用傳感器發(fā)生故障、突變時(shí)，能夠相互自動(dòng)切換，保證機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

在設(shè)備檢查過程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉接力器位置傳感器的電氣控制元件密封性能較差，防水、防油污性能較低，未能完全滿足導(dǎo)葉接力器的工作現(xiàn)場環(huán)境要求。在以后機(jī)組檢修過程中，需進(jìn)一步加強(qiáng)此傳感器周圍的油污、水污清理，同時(shí)做好相關(guān)產(chǎn)品的升級換代。

該電站水泵水輪機(jī)的單導(dǎo)葉接力器操作機(jī)構(gòu)，未設(shè)置導(dǎo)葉控制環(huán)及剪斷銷裝置，其每個(gè)導(dǎo)葉接力器的位置傳感器工作不正常均能引起導(dǎo)葉出現(xiàn)不同步信號，以致機(jī)組誤報(bào)警，甚至誤跳機(jī)。機(jī)組抽水工況的跳機(jī)事故，暴露了單導(dǎo)葉接力器的位置傳感器邏輯設(shè)置存在一定缺陷，通過對其控制邏輯的修改和完善，保證了導(dǎo)葉位置信號同步性，降低機(jī)組跳機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

〔1〕彭煜民，袁豐江. 抽水蓄能機(jī)組單導(dǎo)葉控制不同步故障分析與處理〔J〕． 水力發(fā)電，2011(9):61-64.

〔2〕GB/T18482—2001 可逆式抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程〔S〕．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.