水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性研究

鐘 偉

（松原市哈達(dá)山發(fā)電有限公司，吉林松原 138000）

電力資源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力量。我國(guó)地勢(shì)地貌具有西北高、東南低的特點(diǎn)，且地形高低起伏，落差較大。同時(shí)，我國(guó)河流眾多，水系復(fù)雜，高落差的河流河段較多，擁有豐富的水力資源和水電站建設(shè)基礎(chǔ)條件。水力發(fā)電相對(duì)于火力發(fā)電具有成本低、利用率高、污染小的優(yōu)勢(shì)，而相對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等，具有發(fā)電穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。此外，水力工程的建設(shè)還具有調(diào)節(jié)水?dāng)?shù)量、蓄水泄洪及改善農(nóng)業(yè)灌溉條件等作用。

我國(guó)豐富的水力資源及成熟的現(xiàn)代化水力樞紐工程建設(shè)技術(shù)、水電站發(fā)電技術(shù)為水電廠的建設(shè)和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。水力發(fā)電的眾多優(yōu)勢(shì)保證了水電站的建設(shè)及運(yùn)行具有較高的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。隨著水電廠自動(dòng)化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，水電站自動(dòng)化水平不斷提升。其電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性也成為影響水電站運(yùn)行安全和效益的重要因素。研究水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性對(duì)提升水電站設(shè)計(jì)制造水平和運(yùn)行安全有著重要的意義。

1 水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性薄弱環(huán)節(jié)

水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性薄弱環(huán)節(jié)指設(shè)備或某個(gè)子系統(tǒng)、某個(gè)部件損壞后引發(fā)的電站整臺(tái)機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，即機(jī)組不能發(fā)電的情況。一般將水電站非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間比較長(zhǎng)的部件或子系統(tǒng)稱為可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。其電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性薄弱環(huán)節(jié)統(tǒng)計(jì)分析方法如下。

（1）局部非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間占總體非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間的百分比。

（2）局部非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)占總體非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)的百分比。這里的總體指整臺(tái)水電站發(fā)電機(jī)組，局部指水電站的各電氣自動(dòng)化控制設(shè)備。如發(fā)電機(jī)主機(jī)、變壓器、同期裝置、重合閘裝置、電氣原件及其他一次設(shè)備與二次設(shè)備等。

對(duì)設(shè)備可靠性薄弱性的分析應(yīng)該建立在對(duì)設(shè)施故障率與修復(fù)時(shí)間的分析與了解上。電氣自動(dòng)化控制設(shè)備故障停電率越高、平均修復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，表明設(shè)備的可靠性越低；相反，則設(shè)備的可靠性最高。電氣自動(dòng)化控制設(shè)備還可借助星能電氣有限公司的CEES《供電網(wǎng)計(jì)算分析及輔助決策軟件》進(jìn)行局部區(qū)域配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性分析。電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性薄弱環(huán)節(jié)主要受設(shè)備、技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、管理等方面的影響。通過(guò)從設(shè)備、技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、管理幾個(gè)方面分析設(shè)備在配電網(wǎng)系統(tǒng)及管理上的薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，進(jìn)而提升水電廠電氣自動(dòng)化控制設(shè)備與機(jī)組并運(yùn)行的可靠性。

2 提高電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性的技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)制造階段

（1）應(yīng)該充分考慮設(shè)備的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)控制措施，解決局部薄弱環(huán)節(jié)的問(wèn)題，加強(qiáng)設(shè)計(jì)的合理性。

（2）重視對(duì)電氣元件原材料、零部件及設(shè)備外購(gòu)件的選購(gòu)，重視質(zhì)量檢查，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備生產(chǎn)制造的質(zhì)量管理和質(zhì)量驗(yàn)收。

（3）在電氣自動(dòng)化控制設(shè)備安裝時(shí)由技術(shù)人員提供現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)，確保設(shè)備安裝的合理性、正確性。通過(guò)以上措施來(lái)提高局部設(shè)備及系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組整體運(yùn)行的可靠性，進(jìn)而提高水電站發(fā)電機(jī)組的可用率。

2.2 安裝與測(cè)試階段

水電站電氣自動(dòng)化一次設(shè)備、二次設(shè)備等在安裝前，應(yīng)該對(duì)相關(guān)機(jī)電設(shè)備根據(jù)相應(yīng)的規(guī)程做好質(zhì)量合格驗(yàn)收，對(duì)機(jī)組安裝后對(duì)上下水位、邊坡穩(wěn)定及河道周圍環(huán)境可能造成的環(huán)境進(jìn)行分析，確保設(shè)備質(zhì)量高合格和安裝后無(wú)意外發(fā)生后再進(jìn)行安裝。設(shè)備安裝好后應(yīng)該做好大壩監(jiān)測(cè)、水庫(kù)調(diào)度、水情預(yù)報(bào)，確保設(shè)備試運(yùn)行期間指揮部、電網(wǎng)調(diào)度及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的通暢。

在機(jī)組試運(yùn)行前對(duì)廠房及變電站、機(jī)組進(jìn)出水系統(tǒng)、水輪機(jī)、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水輪發(fā)電機(jī)、磁力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電氣設(shè)備、消防系統(tǒng)等進(jìn)行質(zhì)量全面檢查。在充分分析機(jī)組試運(yùn)行后電氣自動(dòng)化設(shè)備可靠運(yùn)行的前提下進(jìn)行機(jī)組空載試運(yùn)行測(cè)試。

對(duì)發(fā)電機(jī)及電氣自動(dòng)化控制設(shè)備做帶電試驗(yàn)，最后與機(jī)組并列做負(fù)荷試驗(yàn)，測(cè)試并統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行的可靠性若干指標(biāo)。通過(guò)對(duì)電氣自動(dòng)化通知設(shè)備可靠性運(yùn)行指標(biāo)的分析，為水電站機(jī)組及電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的量化管理提供理論依據(jù)。

2.3 檢修階段

考慮到電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、檢修的需求，需要應(yīng)用科學(xué)的手段對(duì)設(shè)備狀態(tài)檢修。檢修分為預(yù)測(cè)性檢修、以可靠性為中心的檢修、計(jì)劃大修、計(jì)劃小修、節(jié)日檢修。檢修工作以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)了解設(shè)備可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)性檢修和維護(hù)。以可靠性為中心的檢修可應(yīng)用邏輯決斷法，適當(dāng)縮小計(jì)劃?rùn)z修項(xiàng)目，擴(kuò)大預(yù)測(cè)檢修與臨時(shí)診斷檢修項(xiàng)目，利用設(shè)備原本的可靠性制定電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的維護(hù)與檢修大綱，保證電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性運(yùn)行。

2.4 設(shè)備運(yùn)行階段

在水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行階段，應(yīng)該通過(guò)在線監(jiān)測(cè)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境等是否滿足水電站實(shí)際生產(chǎn)的需要。技術(shù)人員還要定期對(duì)運(yùn)行設(shè)備的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證與維護(hù)，保證設(shè)備的運(yùn)行始終符合機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷要求。通過(guò)保證機(jī)組及設(shè)備的合理運(yùn)行，預(yù)防電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的故障的發(fā)生，進(jìn)而保證機(jī)組及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性運(yùn)行現(xiàn)狀及影響因素

3.1 電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性運(yùn)行現(xiàn)狀

近些年，我國(guó)水電站加快了發(fā)電機(jī)組及電氣設(shè)備的運(yùn)行改造及對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)。在進(jìn)行改造與升級(jí)之前，水電站設(shè)備的故障率較高，非計(jì)劃停運(yùn)的時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)，水電站的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，不確定性因素對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的影響較大，環(huán)境的復(fù)雜性增加了設(shè)備故障率。此外，水電站電氣自動(dòng)化設(shè)備之間及設(shè)備電氣元件之間在設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生電磁波相互干擾，從而影響設(shè)備之間信號(hào)接收效果，影響電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的自動(dòng)化控制水平。電氣元件之間及設(shè)備之間的電磁波干擾還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損耗的增加，加速設(shè)備及電氣元件的老舊化，縮短設(shè)備使用壽命。我國(guó)一些建設(shè)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的水電站，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備年故障發(fā)生率較高，對(duì)機(jī)組可靠性運(yùn)行影響較大。一些設(shè)備或電氣元件故障未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致其他設(shè)備及發(fā)電機(jī)組可靠性運(yùn)行受到干擾。當(dāng)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性指標(biāo)發(fā)生變化，其他設(shè)備受到的電磁干擾的影響加大，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備與機(jī)組并行運(yùn)行時(shí)的故障發(fā)生率增高，設(shè)備局部可靠性薄弱環(huán)節(jié)相應(yīng)增多。

水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中最常見(jiàn)的問(wèn)題為設(shè)備元件脫離正常運(yùn)行狀態(tài)。該問(wèn)題的發(fā)生可能會(huì)影響周圍電氣設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)及環(huán)境。由于不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備機(jī)型及技術(shù)存在差異性，設(shè)備電氣元件質(zhì)量和使用壽命也存在較大的差異。一些水電站采用了不同廠家的設(shè)備。

（1）設(shè)備及電氣元件質(zhì)量本身存在差異。

（2）不同廠家電氣自動(dòng)化設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求不同，導(dǎo)致在同一環(huán)境中設(shè)備運(yùn)行性能有所差別。

3.2 影響電氣自動(dòng)化控制室設(shè)備可靠性的因素

3.2.1 電氣元件及設(shè)備質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的類型較多，設(shè)備數(shù)量大，所用到的電氣元件及零部件組成復(fù)雜，設(shè)備組成部件來(lái)源也各不相同。不同來(lái)源的電氣元件及設(shè)備生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術(shù)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有所不同。這些來(lái)源不同的零部件在同樣的溫度、濕度等環(huán)境條件下，表現(xiàn)出的性能有所差異。部分零部件機(jī)械性能、穩(wěn)定性、散熱性相對(duì)較差，或零部件本身易損傷。在設(shè)備運(yùn)行期間受環(huán)境因素影響或養(yǎng)護(hù)管理不當(dāng)時(shí)，其損傷性周期變短，使用壽命變短。以上問(wèn)題的發(fā)生多于設(shè)備及零部件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)所致。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題

水電站電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響著機(jī)組與電氣自動(dòng)化設(shè)備并運(yùn)行的可靠性。一些水電站在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，忽略了對(duì)外部條件和內(nèi)部條件的分析，忽略了限制性條件對(duì)水電廠可靠運(yùn)行的影響。部分水電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然符合安全性、可靠性運(yùn)行的要求，但環(huán)保性要求和經(jīng)濟(jì)性較差。水電站長(zhǎng)期運(yùn)行下，機(jī)組及電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行在環(huán)境影響下，易發(fā)生設(shè)備受電磁干擾及其他原因機(jī)組耗量較大、運(yùn)行狀態(tài)不佳的情況。部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)忽視了系統(tǒng)在限制性條件下易發(fā)生負(fù)荷或短時(shí)波動(dòng)的問(wèn)題，導(dǎo)致水電站電力系統(tǒng)運(yùn)行期間非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)。

3.2.3 設(shè)備安裝測(cè)試問(wèn)題

部分水電站在電氣自動(dòng)化控制設(shè)備安裝后實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不足，或測(cè)試環(huán)境、測(cè)試流程不嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致設(shè)備安裝測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果存在偏差。該問(wèn)題直接影響著電氣自動(dòng)化設(shè)備后期運(yùn)行的可靠性，易造成部分設(shè)備局部可靠性薄弱環(huán)節(jié)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

3.2.4 運(yùn)行環(huán)境干擾

水電站的環(huán)境條件較為復(fù)雜，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行環(huán)境濕度較高。部分設(shè)備由于安裝空間有效，設(shè)備之間間隔較小，散熱條件相對(duì)較差。此外，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備及電器元件之間存在電磁干擾。這些問(wèn)題都屬于設(shè)備運(yùn)行的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

3.2.5 技術(shù)人員操作因素

技術(shù)人員專業(yè)技術(shù)水平偏低，易導(dǎo)致電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行管理期間發(fā)生細(xì)節(jié)遺漏，或造成操作失誤，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行環(huán)節(jié)存在可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

3.2.6 設(shè)備故障檢修不及時(shí)

電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行期間故障檢修不及時(shí)，會(huì)影響到設(shè)備其他電氣元件及零部件運(yùn)行的穩(wěn)定，加速其他零部件及線路的故障。當(dāng)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備發(fā)生線路短路時(shí)，還會(huì)影響系統(tǒng)電壓的變化，導(dǎo)致水電站發(fā)電機(jī)組及系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性降低。

4 提升電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性的策略

4.1 加強(qiáng)設(shè)備及電氣元件質(zhì)量檢查

在設(shè)計(jì)制造電氣自動(dòng)化控制設(shè)備時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)元器件的合理選擇，以及加強(qiáng)對(duì)元器件、零部件質(zhì)量的檢查。選擇元器件時(shí)，要充分分析設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境，結(jié)合真實(shí)環(huán)境分析元器件運(yùn)行的可靠性。如高濕度環(huán)境下應(yīng)該考慮元器件的耐腐蝕性，是否會(huì)發(fā)生凝露問(wèn)題。在高溫環(huán)境下應(yīng)該考慮元器件的散熱性。

4.2 電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性薄弱環(huán)節(jié)分析

在自動(dòng)化控制設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性薄弱環(huán)境的分析，加強(qiáng)對(duì)可靠性薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)，以提高系統(tǒng)整體的可靠性。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮設(shè)備的用途、工作環(huán)境、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)使用生產(chǎn)需要，符合水電廠實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境。

4.3 細(xì)化設(shè)備安裝質(zhì)量檢查及安裝后測(cè)試

電氣自動(dòng)化控制設(shè)備安裝好后應(yīng)該做好設(shè)備全方面的質(zhì)量檢查。對(duì)于檢查質(zhì)量不合格的，應(yīng)該對(duì)設(shè)備及時(shí)調(diào)試，及時(shí)更換存在質(zhì)量問(wèn)題的零部件，或直接更換設(shè)備。設(shè)備質(zhì)量檢查合格后，按照規(guī)定流程對(duì)設(shè)備做安裝后測(cè)試，包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、保證試驗(yàn)測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等。通過(guò)采取多種測(cè)試手段，加強(qiáng)設(shè)備試運(yùn)行測(cè)試和改進(jìn)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

4.4 加強(qiáng)運(yùn)行階段的管理

電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在運(yùn)行階段應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)加強(qiáng)運(yùn)行管理。主要管理內(nèi)容如下：①加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境檢查與分析；②對(duì)設(shè)備運(yùn)行加強(qiáng)動(dòng)態(tài)化監(jiān)控；③及時(shí)發(fā)現(xiàn)和檢修故障問(wèn)題；④加強(qiáng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行周圍環(huán)境的控制，做好電磁屏蔽，加強(qiáng)散熱，做好防潮，減少電磁干擾、溫度、濕度等不良環(huán)境對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響。

4.5 加強(qiáng)技術(shù)人員培訓(xùn)與管理

水電站應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員專業(yè)技術(shù)理論與實(shí)操的培訓(xùn)，加強(qiáng)人員責(zé)任管理，制定完善的責(zé)任制度、獎(jiǎng)懲管理制度，提高設(shè)備管理的整體水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

水電站電氣自動(dòng)化發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的必然要求。隨著新一代信息科學(xué)技術(shù)在水電廠建設(shè)及升級(jí)中的應(yīng)用，水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的自動(dòng)化程度會(huì)越來(lái)越高，系統(tǒng)的整體性會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，各電氣自動(dòng)化設(shè)備可靠性與發(fā)電機(jī)組及系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性關(guān)聯(lián)性增強(qiáng)。這意味著未來(lái)水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在設(shè)計(jì)制造、安裝與測(cè)試、檢修及設(shè)備運(yùn)行各個(gè)階段要重視可靠性的提升，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備操作技術(shù)人員的培訓(xùn)與管理，盡可能地減少水電廠非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間，為水電站電氣自動(dòng)化控制設(shè)備安全、可靠運(yùn)行奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。