大型水電站調(diào)速器負荷波動分析與處置

王 剛， 劉 金 華

(雅礱江流域水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

1 概 述

某電站位于四川省雅礱江下游，電站裝設(shè)6臺單機55萬kW混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量330萬kW。該電站水輪機調(diào)速器由電氣控制、機械控制和液壓機械三部分組成。調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)采用武漢事達公司生產(chǎn)的WT-SPLC-STARS型調(diào)速器，調(diào)速器機械控制部分由瑞士HYDRO VEVEY公司制造[1～2]，液壓機械部分主要由油壓裝置、直缸接力器、過速限制裝置等組成。調(diào)速器主要調(diào)節(jié)過程為監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)速器電氣控制柜下發(fā)調(diào)節(jié)指令，調(diào)速器電氣控制柜內(nèi)調(diào)速器頭將接收到的調(diào)節(jié)指令通過PID控制算法轉(zhuǎn)換為電轉(zhuǎn)信號[1-2]，輸出至調(diào)速器機械控制柜內(nèi)的電液伺服閥，電液伺服閥控制主配壓閥通斷驅(qū)動接力器動作，最終實現(xiàn)水輪機導(dǎo)葉的開啟與關(guān)閉。機組調(diào)速器負荷波動是機組常見故障之一，機組負荷波動主要有三點危害。第一：造成電站出力短時間內(nèi)大幅變化，引起電網(wǎng)頻率波動、潮流斷面越限，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致部分電網(wǎng)線路跳閘，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。第二：負荷波動損害電站設(shè)備，由于導(dǎo)葉快速開關(guān)，壓力管道產(chǎn)生水錘效應(yīng)，對引水管道、導(dǎo)水機構(gòu)及接力器油管路本身造成損壞；電氣上發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電流、機端電壓、發(fā)電機磁場過大，可能導(dǎo)致定子線棒燒損或絕緣擊穿，鐵芯溫度升高，定子端部過熱等。其他輔助設(shè)備，因機端電壓劇烈變化，影響廠用設(shè)備正常運行。第三：引起事故擴大。由于調(diào)速器接力器反復(fù)動作，耗油量急劇增加，造成油壓裝置低油壓/低油位動作，保護動作停機并落到進水口閘門，導(dǎo)致事故擴大，機組恢復(fù)正常備用所需時間增加。因此要及時準(zhǔn)確處置負荷波動，保證機組安全穩(wěn)定運行。

2 調(diào)速器負荷異常波動事件分析

2.1 事件概述

某日，監(jiān)控系統(tǒng)報“二號機無功測量值故障動作、二號機勵磁電壓超高限、二號機組超出力運行動作、二號機有功功率612.75 MW、二號機1/2號發(fā)變組保護RCS985AW裝置報警、二號機1/2號發(fā)變組保護過負荷報警、二號機A、B、C三相電流高限報警”等報警信號，檢查2號機有功監(jiān)控實測值685 MW、調(diào)速器有功輸出值649 MW，導(dǎo)葉開限和開度均為100%。

2.2 故障現(xiàn)象分析

故障前全廠AGC為退出狀態(tài)，2號機固定負荷466 MW，調(diào)速器采用“閉環(huán)/自動/功率反饋”的正常模式，1號調(diào)速器頭主用。故障發(fā)生后，2號機負荷大幅上竄，導(dǎo)葉開度實際最大到達100%，負荷升至650 MW，最大上竄至750 MW，監(jiān)控系統(tǒng)上壓導(dǎo)葉開限無效，現(xiàn)地切換調(diào)速器頭并壓導(dǎo)葉開限后，負荷固定。

調(diào)速器正常運行時，電氣控制柜收到調(diào)節(jié)指令后發(fā)出的電轉(zhuǎn)信號偏離零位電壓，動作方向與導(dǎo)葉、功率變化趨勢一致，正電壓為增大，負電壓為減小，且電轉(zhuǎn)信號超前于導(dǎo)葉、功率的變化。

調(diào)速器負荷波動時，在外部功率給定不變，機組頻率正常情況下，電轉(zhuǎn)信號發(fā)生了正電壓的突變，0.5秒內(nèi)電壓由0.19 V突變?yōu)?.01 V，導(dǎo)葉開始往開啟方向動作，導(dǎo)致功率超上限650 MW，調(diào)速器報功率故障和調(diào)速系統(tǒng)小故障，自動由功率反饋切換為開度反饋。

由于故障前外部給定的調(diào)節(jié)指令均無變化，而調(diào)速器系統(tǒng)電轉(zhuǎn)信號最先突變，導(dǎo)致導(dǎo)葉、功率波動，在主調(diào)速器頭切至2號調(diào)速器頭后故障消失，最終確定引起負荷波動的原因為機組調(diào)速器控制系統(tǒng)1號調(diào)速器頭伺服閥放大板QD1在用通道故障。

故障原因為調(diào)速器A套伺服閥功率放大板QDI當(dāng)前運行通道故障，導(dǎo)致電轉(zhuǎn)信號輸出異常，機組停機后檢修人員更換A套功率放大板輸出通道(QD1板件有兩個獨立的放大元件，由兩個不同通道輸出，2號機調(diào)速器故障元件示意圖見圖1)，并經(jīng)空轉(zhuǎn)試驗(開機過程中必須選擇B套調(diào)速器頭運行，防止A套不穩(wěn)定導(dǎo)致開機過速)，對比A、B兩套調(diào)速器頭電轉(zhuǎn)信號輸出一致，現(xiàn)地進行調(diào)速器頭切換，監(jiān)視A套電轉(zhuǎn)信號輸出正常。

圖1 2號機調(diào)速器故障元件示意圖

2.3 報警信號分析

監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)時報了主要報警信號：二號機開度反饋控制方式投入、二號機有功閉環(huán)調(diào)節(jié)退出動作、二號機電調(diào)手動方式投入、二號機勵磁通道1停止/通道2 運行、二號機油壓裝置備用油位2啟泵到達等。

2.3.1 調(diào)速器自動切開度反饋

并網(wǎng)機組調(diào)速器由功率反饋切開度反饋的條件有：

(1)調(diào)速器功率變送器硬件故障，即有功值越上、下限量程(該次自動切開度反饋原因)；

(2)機組由并網(wǎng)轉(zhuǎn)至解列；

(3)調(diào)速器進入孤網(wǎng)模式；

(4)調(diào)速器切至現(xiàn)地試驗方式；

(5)調(diào)速器現(xiàn)地方式下，切換模式把手至開度反饋；

(6)調(diào)速器遠方方式下，CCS發(fā)令切至開度反饋。

2.3.2 監(jiān)控閉環(huán)調(diào)節(jié)退出

并網(wǎng)機組監(jiān)控有功閉環(huán)退出的條件有[3]：

(1)機組并網(wǎng)信號消失；

(2)CCS發(fā)令退出閉環(huán)；

(3)調(diào)速器遠方自動方式下，功率反饋故障或有功設(shè)定值故障(該次閉環(huán)退出原因為功率反饋故障)；

(4)調(diào)速器切現(xiàn)地方式；

(5)調(diào)速器進入孤網(wǎng)模式。

2.3.3 勵磁通道切換[4]

并網(wǎng)機組勵磁通道發(fā)生切換的條件有(摘選)：

(1)COB板電源消失、D/O驅(qū)動板故障、MUB板故障或其電源消失；

(2)勵磁故障；

(3)整流橋過熱或其電源消失；

(4)通道失磁、通道故障、EGC故障；

(5)V/Hz故障(該次通道切換原因為V/Hz超限)。

2.3.4 備用油位2啟泵

由于導(dǎo)葉快速開關(guān)，接力器耗油量增大，壓力罐壓力和油位下降明顯，大泵啟動并達到備用油位2啟泵條件。從曲線看，油壓最低至4.94 MPa(低油壓4.776 MPa),油位最低1 232.83 mm(低油位903 mm)。如果導(dǎo)葉再一次快速調(diào)整，低油壓事故將不可避免。由此可見，在機組負荷大幅波動的情況下，及時穩(wěn)定機組出力，避免低油壓/低油位保護停機導(dǎo)致事故擴大顯得尤為重要。

2.4 故障處置思路

對于負荷波動類故障[5]，主要的處置思路如下：

首先要立即采取措施控制負荷波動，在故障發(fā)生第一時間采取壓機組導(dǎo)葉開限方式，控制波動范圍。其次要準(zhǔn)確判斷故障類型，立即現(xiàn)地查看調(diào)速器輸出電轉(zhuǎn)信號，如電轉(zhuǎn)信號變化與導(dǎo)葉開關(guān)反向一致(電轉(zhuǎn)信號為負表示關(guān)導(dǎo)葉，反之則表示開導(dǎo)葉)，判斷屬于調(diào)速器控制系統(tǒng)故障，如電轉(zhuǎn)信號變化與導(dǎo)葉開關(guān)方向相反，判斷屬于機械液壓回路故障。最后根據(jù)故障類型采取相應(yīng)應(yīng)對措施，如控制系統(tǒng)故障，采取切換A/B套運行方式或?qū)⒄{(diào)速器切電手動方式進行處置，如機械液壓回路故障，可嘗試切換油過濾器改變油路通流性進行應(yīng)對。如負荷波動無法控制危及電網(wǎng)系統(tǒng)和電站設(shè)備安全，為防止事故擴大，應(yīng)快速減負荷停機，必要時拍停機組或落門停機。

2.5 故障處置措施

2.5.1 應(yīng)急處置

(1)報警信號出現(xiàn)后，運行監(jiān)盤人員迅速查看監(jiān)控系統(tǒng)2號機機組控制畫面中監(jiān)控實測值685 MW，調(diào)速器有功輸出值649 MW，導(dǎo)葉開限和開度均為100%，確認(rèn)機組負荷上竄后在監(jiān)控系統(tǒng)上壓2號機導(dǎo)葉開限，將開限壓至故障前開度57%，但操作完成后開限又瞬時返回至100%，監(jiān)控系統(tǒng)壓開限操作無效。

(2)現(xiàn)場檢查人員查看機調(diào)速器機械部分及油壓裝置無明顯異常，調(diào)速器電氣控制柜上小故障指示燈閃爍，觸摸屏事件記錄中有主用PLC故障等報警信息，電轉(zhuǎn)信號在1.5 V左右波動，調(diào)速器已切換至遠方/開度反饋方式。鑒于電轉(zhuǎn)信號異常大幅度正向增加，導(dǎo)致導(dǎo)葉持續(xù)往開啟方向動作，由故障現(xiàn)象判斷出主用調(diào)速器頭故障，將調(diào)速器切至備用調(diào)速器頭后導(dǎo)葉開限變?yōu)?2%，導(dǎo)葉開度變?yōu)?0%，有功穩(wěn)定在635 MW，調(diào)速器小故障指示燈停止閃爍。

(3)將調(diào)速器控制方式切換至現(xiàn)地，在檢修人員協(xié)助下通過調(diào)整導(dǎo)葉開限將有功功率調(diào)整至空載后向上級調(diào)度申請2號機解列停機。

2.5.2 檢查處理

2號機停機后，專業(yè)人員將調(diào)速器控制系統(tǒng)1號調(diào)速器頭伺服閥放大板QD1切換至備用通道運行，并經(jīng)空轉(zhuǎn)試驗對比兩套調(diào)速器頭電轉(zhuǎn)信號是否輸出一致?，F(xiàn)地進行調(diào)速器頭切換試驗，監(jiān)視1號調(diào)速器頭電轉(zhuǎn)信號輸出正常，確認(rèn)故障消除。

3 結(jié) 語

調(diào)速器負荷波動對設(shè)備及電網(wǎng)安全運行影響較大，應(yīng)采取有效的預(yù)控措施盡量避免該類故障的發(fā)生。在設(shè)備管理方面，應(yīng)加強調(diào)速器控制系統(tǒng)運行監(jiān)視和日常巡檢，盡早發(fā)現(xiàn)隱患并及時消除。同時，結(jié)合機組檢修，加強對調(diào)速器系統(tǒng)控制回路的檢查維護，深入排查設(shè)備隱患，研究提高設(shè)備可靠性保障措施，確保調(diào)速器設(shè)備安全可靠運行。在應(yīng)急處置方面，需編制負荷波動類故障的應(yīng)急處置方案及處置卡，列出故障處置的關(guān)鍵措施，定期進行應(yīng)急演練，提升人員應(yīng)急處置水平。