水轮机调速器故障分析及处理措施

2020-01-05刘用祥

通信电源技术 2020年16期

刘用祥

（国电电力福建新能源开发有限公司，福建福州 350002）

0 引言

能源是人类社会经济发展中不可缺少的驱动力，其中电力是人类社会生产生活中不可缺少的能源。但由于火力发电等传统发电方式消耗的资源较多，而且环境污染严重，因此水力发电的重要性越来越突出。作为水力发电站的关键组成单元，水轮机调速器对于水力发电站的稳定运行来说至关重要[1]。调速器发生运行故障，就会导致水力发电机组运行异常，甚至导致水力发电系统出现安全事故。基于此，应重视研究水轮机调速器的常见故障，找到故障原因，同时采取有效措施排除故障，从而确保调速器正常运行。

1 水电站水轮机调速器结构原理及参数

1.1 水电站水轮机调速器原理

水电站调速器系统由电气柜、机械柜、液压控制系统和执行机构、调速器压油系统以及频率测量装置等部分构成。其中，电气柜由输入/输出面板、接线端子、电源、开关手柄、PLC、频率测量仪以及触摸屏等部件构成，机械柜由液压控制器、执行机构以及伺服驱动器等构成，液压控制和执行机构由主压力阀、急停电磁阀、双滤油器、两级关闭装置以及伺服电动机线性位移转换器构成，压油系统由压力开关、压力传感器、集油箱、压力油箱、压力油泵、管道阀、压力油箱供气装置以及电磁翻板液位计等构成。3个用于调速器频率测量的回路中，一个用于机组齿轮板的速度测量，一个用于机器侧PT频率测量，一个用于总线PT频率测量。导向叶片控制的原理是基于偏离给定值的反馈值的偏差信号，微机调节器通过伺服马达变矩器将PID计算后的电信号转换为机械变位信号，并调节导向叶片的开度以调节流向水轮机的水流量，进而调节水轮机组转动速度和输出功率。

1.2 水轮机调速器主要技术参数

水轮机调速器工作环境参数如下：空气温度一般为-20～+60 ℃，环境空气相对湿度≤90%（25 ℃时），不含腐蚀性、易燃和易爆介质。

水轮机调速器额定电压环境为三相四线制，主回路380 V，控制回路220 V，额定频率50 Hz，水轮机调速器工作方式为S2短期固定配额，期限为10 min。

水轮机调速器整机质量为多圈58～68 kg，部分转向86～375 kg。外壳防护等级为IP54，最高达IP67，最大控制转矩为多回转200～300 Nm，部分回转200～18 000 Nm。

水轮机调速器输出速度为多回转36 r/min，部分回转0.5～1.0 r/min。特殊电机功率为多回转0.75～1.10 kW，局部回转0.55～4.00 kW。

2 水轮机调速器功能及特点

2.1 水轮机调速器的功能

调速器影响水轮机的正常运转，进而影响水电站的正常稳定运行。水轮机调速器一般具备并网功能和调节功能两种功能。其中，并网功能是实现对水轮机运转状态进行自动调整的重要条件。在水轮机正常运转过程中，工作人员通过电脑向水轮机下达运转状态调整指令，随后水轮机调速器具备的并网功能可依据相关指令，对水轮机的运转状态进行自动调整，有利于保障水轮机稳定运转。调节功能作为水轮机调速器的主要功能，也是体现水轮机调速器价值的功能，其可以调节水轮机运转速度、水流量以及功率等。

2.2 水轮机调速器的特点

2.2.1 强大的操作力

通常，发电站的水轮机具有很大的规模，运行时需要借助大量的水利能源来推动其运转，从而达到将水能转化为电能的目的。而水轮机调速器则需要根据自身的运行来确保水流能顺利进出，其对进水门具有很强的掌控能力，由此可见水轮机调速器在运行的过程中具有非常强的操作力[2]。

2.2.2 高速电网连接

水轮机调速器能在正确时间准确识别空载、并网以及隔离运行等不同的状态，可以承载隔离负载，并在实际运行中提供残余压力频率测量、频率跟踪以及快速并网连接功能。同时，可以按照计算机的指令来调整水轮机运行条件，通过在工作过程中快速完成并网操作，可以确保并网顺利完成。

2.2.3 自动调整

调速器具备波动控制和数字协联功能，可根据水位转速灵活自动调整水轮机转速和水流量，而且能合理地调整有功功率，从而保证整个水轮机系统的有功功率处于安全范围[3]。

3 水轮机调速器常见故障原因及解决对策

3.1 工作电源电压故障

在某水力发电站调速器的调试过程中，运维人员将直流工作电源和交流工作电源都连接至调速器配电板设备上，接通电源后部分设备无法正常运行。根据测量得到配电板设备的输出电压为9 V，远低于正常的24 V输出电压[4]，因此，确定该水力发电站的水轮机调节器存在工作电源电压故障。研究电源连接的整个过程后发现故障原因是交流工作电源和直流工作电源连接操作失误或者调速器电路配电板设备出现故障。针对此类故障，应在接入工作电源之前仔细检查交流线路、直流线路以及调速器设备之间的连接是否良好，布线和电压水平是否在合理范围。在确定交流线路、直流线路正常的前提下，需要分析水轮机调速器的电路配电板运行状态，检查其是否存在技术故障，如配电板线路断开、虚焊以及零件失效等，发现问题后立即解决，确保调速器连接工作电源后可以维持稳定有效的电压值，从而确保调速器正常运行。

3.2 调速器异常波动

某水力发电站人工操作状态下的水轮机调速器运行平稳高效，但是转换为自动操作状态时调速器会频繁地调节导向叶片和浆叶，而且调节幅度相对较大。在严重的情况下将导致发电机组停机，严重影响整个水力发电站的运行。通过分析人工操作状态和自动运转状态时的水轮机调速器运转特性，可以得到导致调速器运行波动和出现伺服电机故障的主要原因通常有2个。分别为电气方面的故障和机械液压方面的故障。

电气方面的故障发生原因有导向叶片或桨叶的机械控制组件运行异常；导向叶片或桨叶开度、频率、水位等测量电路异常；电网频率大幅波动，孤网运行时调速器进入频率调节模式，导致机组频繁调整。

机械液压方面的故障发生原因主要有导向叶片、桨叶液压油外部管道存在大量机油泄漏，导向叶片或桨叶液压油的内部管道中的油泄漏或导向叶片伺服电动机机油泄漏，导向叶片或桨叶的机械控制组件异常。

对于调速器异常波动故障的处理措施主要如下。首先确定故障现象并检查直观的外围现象，如导向叶片、桨叶的开度测量，频率、水位参数是否正常，导向叶片的主配阀是否存在卡阻；其次检查频率测量电路、频率测量模块、传感器和电路是否断开，I/O板及其他电气组件和电路是否正常；最后如果发现调速器或主阀线性位移转换器异常，则应及时采取措施以确保设备正常工作，及时更换或修理故障组件，以确保调速器系统和水轮机发电机组安全稳定运行。

3.3 调速器导向叶片、桨叶故障

某水电站调速器掉电后重新通电后，导向叶片、桨叶以及水头无法正常运行。导向叶片和桨叶已切换为手动操作后，电源模块输出电压仍不正常，信号反馈异常。上述故障的发生原因主要如下。

一方面，导向叶片的过度反馈会导致其运行状态转变为手动控制，导向叶片反馈是电流类型信号，信号范围为4～20 mA[5]。如果导向叶片反馈值不在此范围，则表示导向叶片运行故障。当导向叶片完全关闭或信号脱机时，通常会发生信号反馈值低于4 mA的故障，主要原因是电流信号不稳或受到干扰，导致导向叶片反馈值漂移波动，从而使真实值降至最低范围以下，造成故障。信号反馈值低于超出上限即20 mA的故障，往往是由信号通道波动引起的，通常是由短路或高电流信号干扰引起的较大波动，其值超过了20 mA的电流极限。上述故障的解决对策如下。对于导向叶片反馈值超出上限的故障，需要注意导向叶片反馈线的屏蔽层是否破损，以有效屏蔽信号干扰。通过在超过上限时过滤掉故障信号，优化导向叶片反馈故障判定程序，从而达到屏蔽干扰信号的目的，进而确保出现瞬时故障信号时调速器不会立即切换到手动操作。

另一方面，故障也可能是由于桨叶反馈回路异常造成的。该水电站通过测量接地电压发现导向叶片反馈电源模块负载侧已接地，并在确认电源接线后，采用逐渐掉线的方法来缩小故障范围点[6]。通过逐渐掉线的方法发现发送给监视和传感器的24 V电源已接地。甩出电源线后，故障信号和24 V电源模块故障排除。甩开电源线再次测量接地现象并确认接地点是端子箱到导向叶片传感器之间的电缆，然后检查电缆接线，发现伺服电机附近的电缆磨损严重，24 V电源线芯线暴露与伺服电机的外观接触形成接地，从而出现异常反馈信号。包扎电缆接线后，上述故障解决，信号恢复正常。

3.4 电液转换器故障

手动操作模式和自动操作模式转换过程中需要通过电业转换器实现反复清洁、移动活塞来消除阻塞部分。电业转换器主控制单片机的故障处理可以通过关闭单片机并打开复位操作来确保单元的正常上电复位。通过检测开度，开限反馈信号排查诊断电液转换器故障，进而采用有效措施处理故障。在关机维护过程中，用示波器、万用表及其他故障线路检测设备对电业转换器组件进行检测，当检测到相应组件发生故障时，需要及时更换和维修故障组件。

3.5 水轮机过速故障

如果水轮机的转速超过额定转速，即发生水轮机过速故障。当水轮机组速度超过某个值（超过额定值的140%）时，水轮机旋转部件的离心力会迅速上升，导致水轮机振动加剧，易造成水轮机调速器运转失控，水轮机转动部件与其他部件发生撞击，最终导致水轮机运行中断，部件损坏，因此需要有效地防止水轮机过速。当水轮机机组转速过快时，要及时采取应对措施。如果故障发生在水轮机运行过程中，要检查过速保护装置是否正常工作。过速保护装置运行不正常时，必须手动关闭水轮机，如有必要还需要手动关闭水轮机主阀。故障发生在水轮机机组启动和停止过程中时，即便此时水轮机转速尚未达到过速保护整定值，也应立即关闭水轮机主阀。如果没有水轮机主阀装置，则应尽快关闭水轮机前部的进气门。此外，当水轮机转速降至额定转速的35%以下时，手动制动使水轮机完全停止转动，再排除故障。