步進(jìn)電機(jī)式調(diào)速器甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉快關(guān)異常的處理與研究

皮海波

（五凌電力有限公司碗米坡水電廠，湖南 保靖416500）

1 電站概況及機(jī)組主要參數(shù)

碗米坡水電廠位于湖南省保靖縣境內(nèi)的酉水河中游，裝有3臺(tái)80 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，為壩后式電站，1號(hào)機(jī)于2004年2月正式投入運(yùn)行，2、3號(hào)機(jī)于2004年8月正式投入運(yùn)行。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

2 問題的提出

3號(hào)機(jī)采用“單步進(jìn)電機(jī)+主配”型式調(diào)速器。整個(gè)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)采用3級(jí)放大形式：由步進(jìn)電機(jī)、滾珠螺母副、定位復(fù)中彈簧等組成的步進(jìn)式電－位移轉(zhuǎn)換器構(gòu)成第1級(jí)電氣-機(jī)械放大；引導(dǎo)閥和輔助接力器構(gòu)成第2級(jí)液壓放大；主配壓閥和主接力器構(gòu)成第3級(jí)液壓放大。為滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算設(shè)計(jì)要求，調(diào)速器系統(tǒng)采用分段關(guān)閉規(guī)律，第1段關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)為3.5 s，第2段關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)為7 s，總關(guān)機(jī)時(shí)間為10.5 s，分段關(guān)閉拐點(diǎn)設(shè)置在30%接力器行程處。

3號(hào)機(jī)檢修中甩75%負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，調(diào)速器機(jī)械控制柜內(nèi)主配處伴隨異常聲響，調(diào)速器液壓系統(tǒng)油錘效應(yīng)明顯、管道振動(dòng)較大，且機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，遠(yuǎn)超轉(zhuǎn)速上升預(yù)定軌跡。查看甩負(fù)荷試驗(yàn)中測(cè)試記錄儀器所測(cè)波形，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律存在異常：導(dǎo)葉接力器第1段關(guān)閉過程未能按照預(yù)先整定好的最快關(guān)閉速度進(jìn)行直線關(guān)閉，而是在短暫的直線關(guān)閉后，迅速減緩關(guān)閉速度，且關(guān)閉規(guī)律為曲線，使得第1段關(guān)閉時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于設(shè)定值，最終致使機(jī)組過速。

3 缺陷分析及處理研究

3.1 缺陷基本情況

針對(duì)3號(hào)機(jī)甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律存在的異?，F(xiàn)象，我們進(jìn)行了詳細(xì)的分析與甄別。碗米坡水電廠的調(diào)速器采用步進(jìn)電機(jī)作為電液轉(zhuǎn)換裝置，并采用復(fù)中彈簧實(shí)現(xiàn)主配壓閥的復(fù)中。在3號(hào)機(jī)組無水工況下模擬甩負(fù)荷時(shí)，發(fā)現(xiàn)在甩負(fù)荷瞬間，電機(jī)驅(qū)使主配壓閥向關(guān)閉方向移動(dòng)（向下），隨后主配壓閥又馬上向開啟方向移動(dòng)（向上），并伴有較大響聲，導(dǎo)葉關(guān)閉速度立即減緩。之后，主配壓閥在電機(jī)的作用下，緩慢向下移動(dòng)，表現(xiàn)為導(dǎo)葉關(guān)閉速度緩慢加快，直到關(guān)閉到分段關(guān)閉拐點(diǎn)以下，導(dǎo)葉關(guān)閉速度再以第2段速度慢速關(guān)閉導(dǎo)葉。

初步判斷步進(jìn)電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)力與復(fù)中彈簧的回復(fù)力匹配不適當(dāng)，或是整個(gè)電轉(zhuǎn)部分由于運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致這種匹配偏離原設(shè)計(jì)要求。此外可能存在的其他電氣或機(jī)械故障，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)不能快速驅(qū)動(dòng)主配壓閥向關(guān)機(jī)側(cè)移動(dòng)到較大行程，不滿足導(dǎo)葉快速關(guān)閉要求。

3.2 缺陷模擬還原與分析

根據(jù)對(duì)缺陷基本情況的分析，專業(yè)人員申請(qǐng)對(duì)3號(hào)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作進(jìn)一步的無水調(diào)試，在無水工況下，分別對(duì)調(diào)速器進(jìn)行緊急停機(jī)、模擬機(jī)組甩負(fù)荷等試驗(yàn)，還原異常現(xiàn)象、定位故障原因，確定解決方法。對(duì)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)分析如下：

（1）緊急停機(jī)動(dòng)作試驗(yàn)

由圖1所示的緊急停機(jī)關(guān)閉曲線可知，3號(hào)機(jī)組無水工況下緊急停機(jī)關(guān)閉導(dǎo)葉試驗(yàn)，接力器按正常設(shè)計(jì)規(guī)律分兩段關(guān)閉，第1段和第2段關(guān)閉均為直線關(guān)閉，每段關(guān)閉速度均符合整定值要求，且分段關(guān)閉拐點(diǎn)也符合整定值要求，證實(shí)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的二級(jí)、三級(jí)放大、接力器、控制環(huán)等導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)均正常；可排除調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)本體問題。

圖1 緊急停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉曲線

（2）模擬甩100%負(fù)荷試驗(yàn)

模擬機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，將導(dǎo)葉開至100%開度，然后模擬發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘，接力器關(guān)閉過程曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2可推測(cè)，3號(hào)機(jī)無水條件下模擬甩負(fù)荷試驗(yàn)中，調(diào)速器執(zhí)行甩負(fù)荷調(diào)節(jié)過程的瞬間，主配首先往關(guān)方向按設(shè)計(jì)的行程移動(dòng)了，使接力器按第1段快關(guān)斜率運(yùn)動(dòng)，但此過程僅維持了1 s就中止了；接下來主配復(fù)中、向開啟方向反彈移動(dòng)，并伴有較大油錘沖擊聲響，主配停止配油、接力器停動(dòng)，接力器位移出現(xiàn)近0.5 s水平直線。然后主配在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換器作用下，再次往關(guān)方向移動(dòng)，但主配實(shí)際工作行程并未達(dá)到設(shè)計(jì)整定值，導(dǎo)致接力器沿第3段弧形曲線減速關(guān)閉，這一過程一直延續(xù)至分段關(guān)閉拐點(diǎn)處，以上3個(gè)過程共同構(gòu)成第1段關(guān)閉曲線。當(dāng)接力器處在分段關(guān)閉拐點(diǎn)之后，可按設(shè)定的第2段慢關(guān)段斜率，沿直線正常關(guān)閉至零。測(cè)量第1段快關(guān)曲線總耗時(shí)6.6 s，遠(yuǎn)超出設(shè)定第1段關(guān)閉時(shí)間3.5 s，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律與設(shè)計(jì)不符。

圖2 模擬甩100%負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉曲線

同時(shí)，模擬試驗(yàn)過程中，據(jù)機(jī)調(diào)柜試驗(yàn)觀察人員觀察，主配關(guān)閉后確實(shí)存在一次反彈后再關(guān)閉過程，主配處異響、油錘效應(yīng)等現(xiàn)象與機(jī)組實(shí)際甩75%額定負(fù)荷現(xiàn)象一致。

（3）原因分析

通過以上甩負(fù)荷試驗(yàn)?zāi)M還原與分析，證明機(jī)組實(shí)際甩75%額定負(fù)荷時(shí)，確系導(dǎo)葉第1段關(guān)閉偏離設(shè)定的直線關(guān)閉規(guī)律，關(guān)閉時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過快、甩負(fù)荷調(diào)節(jié)過程異常等一系列缺陷現(xiàn)象出現(xiàn)。分析造成該現(xiàn)象的具體成因?yàn)椋?/p>

1）步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)關(guān)脈沖保持時(shí)間過長(zhǎng)

當(dāng)導(dǎo)葉開度大于空載開度時(shí)，在斷路器跳閘時(shí)刻，調(diào)節(jié)器會(huì)保持一定時(shí)間關(guān)方向的脈沖；若該脈沖保持時(shí)間過長(zhǎng)，將導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)往關(guān)方向旋轉(zhuǎn)越過極限位，從而被復(fù)中彈簧強(qiáng)行彈回中位。

2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)、停止電流設(shè)置過小

啟動(dòng)電流過小會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小，停止電流過小會(huì)導(dǎo)致保持力矩過小。

3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速或加速度設(shè)置過大

轉(zhuǎn)速過大或加速度過大會(huì)導(dǎo)致實(shí)際有效轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。

3.3 解決思路與相關(guān)參數(shù)、程序修改

消除該缺陷關(guān)鍵在于如何恢復(fù)導(dǎo)葉第1段關(guān)閉規(guī)律，讓機(jī)組在甩負(fù)荷過程中，導(dǎo)葉在3.5 s內(nèi)全速關(guān)至分段關(guān)閉拐點(diǎn)處，保證甩負(fù)荷控制成功。根據(jù)我廠步進(jìn)電機(jī)式調(diào)速器組成結(jié)構(gòu)與工作原理，由驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等共同組成的電-機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的功能決定主配、導(dǎo)葉接力器的動(dòng)作過程。

通過分析研究，決定對(duì)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制程序內(nèi)步進(jìn)電機(jī)步幅進(jìn)行修改。

（1）將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整

對(duì)驅(qū)動(dòng)器上決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)扭力的“運(yùn)行電流”及決定步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)扭力的“停止電流”參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)大，并對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，增大了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭力，防止甩負(fù)荷時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)反彈。

（2）對(duì)調(diào)速器程序中步進(jìn)電機(jī)限幅設(shè)置進(jìn)行調(diào)整

如圖3所示，程序中300004為電機(jī)反饋的測(cè)量值，000511為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向（常開點(diǎn)為開方向，常閉點(diǎn)為關(guān)方向），#3000為電機(jī)開方向最大值，#1000為電機(jī)關(guān)方向最大值，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)出口斷路器分的命令瞬間，電機(jī)強(qiáng)關(guān)到限幅的最低點(diǎn)（#1000），主配迅速往下壓。由于在主配已經(jīng)關(guān)到位的時(shí)候反饋測(cè)量值還沒有達(dá)到所設(shè)定的限制值，電機(jī)仍然會(huì)繼續(xù)向關(guān)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)000441（甩負(fù)荷標(biāo)志位）延時(shí)結(jié)束時(shí)電機(jī)在復(fù)中彈簧的作用下返回，但此時(shí)頻率還沒有完全降下來，電機(jī)又一次向關(guān)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以就造成在甩負(fù)荷時(shí)主配反彈、然后再次向關(guān)機(jī)側(cè)移動(dòng)?，F(xiàn)將電機(jī)關(guān)方向的極限值從原來的#1000修改為#1700，當(dāng)有強(qiáng)關(guān)信號(hào)并且在主配關(guān)到位情況下電機(jī)轉(zhuǎn)角變小，減少過調(diào)現(xiàn)象，從而消除主配反彈現(xiàn)象。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

相關(guān)參數(shù)調(diào)整后多次模擬3號(hào)機(jī)甩負(fù)荷過程試驗(yàn)，導(dǎo)葉接力器可在3.5 s內(nèi)關(guān)至分段關(guān)閉拐點(diǎn)，滿足原設(shè)計(jì)要求，實(shí)際甩75%負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律正常，甩負(fù)荷試驗(yàn)正常，見圖4、圖5。

圖3 調(diào)速器內(nèi)部程序圖

圖4 調(diào)整修改后模擬甩100%負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉曲線

圖5 實(shí)際甩75%負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉情況

4 結(jié)語

碗米坡電廠3號(hào)機(jī)組調(diào)速器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，水輪機(jī)導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律完全滿足機(jī)組設(shè)計(jì)要求，對(duì)于降低甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升值作用明顯，能有效防止機(jī)組飛逸事故的發(fā)生。

本文的思想方法對(duì)步進(jìn)電機(jī)+主配型式調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化與整定具有普遍的啟示與借鑒意義。