罗红俊,张官祥,杨廷勇

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川省凉山州 615400）

0 引言

在水轮发电机组的控制中，机组转速信号起着非常重要的作用，转速信号的稳定性直接关系到机组的安全稳定运行。机组转速信号一般采用两种输出方式，一种是调速器自身采集的转速值，另一种是转速测控装置输出的转速值。两种转速值在监控系统进行逻辑计算，参与机组电气制动系统、机械制动系统、锁锭装置、高压油系统和蠕动装置等辅助设备的控制，同时还参与机组同期、励磁以及并网态的判断条件。转速信号的可靠性直接关系到机组的安全、电网的稳定以及调速器的动态控制功能，因此，转速信号的采集必须经过滤波、削峰和投票机制等逻辑计算后输出最终的转速值，同时采用可靠的、稳定的转速测控装置。

1 转速测控装置典型故障分析

转速测量的元器件及功能等各个环节的可靠性和稳定性直接影响转速测控装置的整体性能，虽然不同电站转速装置的型式不一样，但存在的问题具有一定的代表性，从根本上可以反应出水电站转速测控装置运行存在不稳定性，需进一步研究和分析转速测量的可靠性。

1.1 转速装置故障可靠性分析

S电站的转速装置是某厂家基于贝加莱PCC 2003控制器集成其相应模块研制而成，其内部电路设计有开关电源、整形板和继电器等，该设备现已正常运行10余年。某台机组在机组正常运行时，发现机组转速装置显示异常，本体数码管消失，监控系统显示机组转速模拟量值为153%，转速开关量大于95%、大于115%、大于152%节点均动作，导致监控系统一类机械事故停机保护流程动作。经检查现场设备及分析监控系统事件记录，可得出以下结论：

（1）转速装置本体开关电源故障。转速装置正常运行时开关电源输出电压应为24V和5V，拆卸后检测开关电源输出只有13.3V和3.8V，故判断其开关电源出现异常情况。因控制器和整形板供电电压不足，导致转速装置PCC控制器重复启动，在重启过程中复归了转速开关量大于95%、大于115%、大于152%节点，从而复归监控系统机组并网态的控制条件，见图1，但是此时转速装置模拟量输出值已达到160%。

（2）监控系统的控制逻辑不合理。在监控系统LCU机组保护逻辑程序中，满足机组转速115%、大于152%，同时接收到机组非并网态信号时才能触发一类机械事故保护停机流程，也就是说机组只有在非并网态下收到电气二级过速信号时才能触发事故停机。重点是机组并网态的判断条件中只采用装置输出的转速大于95%的开关量节点，并未与转速模拟量输出信号或者调速器转速输出值进行互锁。

1.2 齿盘及测速探头运行稳定性分析

X电站转速装置是安装在调速器电气柜内，转速装置控制系统是用贝加莱PCC 2003控制器实现的，控制柜内部设计有电源系统、开出继电器、输出指示灯、触摸屏和模拟量采集装置等组成。某台机组在完成机组停机流程后，转速装置1路齿盘测速信号发生持续跳变，转速测量显示跳变值最大达到198%，导致机组电气一级过速、电气二级过速动作，MARK2.1、MARK0、水机后备保护相继动作，从而机组进水口快速门快闭动作、落门。经检查发现测速装置1号探头正对齿块边缘位置，使得该测速探头信号时有时无，从而导致测速装置转速值持续跳变。综合分析造成右岸机组低转速时齿盘信号不稳定的主要原因有以下：

（1）测速齿盘问题。该机组测速齿盘安装于机组发电机下机架部位，由齿块与齿带组成并采用焊接方式连成一个整体，齿块为金属凸块结构，加工精度不高且齿块易积灰，凸块边缘未与切面垂直，当探头在低速或静止时进入感应临界状态易引起转速信号跳变。另外若齿盘各凸块离轴心距离存在偏差且间距不均匀，易造成探头感应距离不等引起测速偏差甚至丢齿情况。

（2）测速探头的选型及安装问题。该机组测速探头测量范围较广，且调整位置过近，造成感应临界状态范围大，易引起信号跳变。各探头安装面与大轴弧面的弧度存在偏差，造成探头测量倾斜，影响测量精度，且各探头之间安装距离过近，相邻信号存在磁场干扰。

（3）转速测量装置软件逻辑不完善。转速装置对测速信号的处理逻辑为：当PT测速信号大于阈值（30Hz）时优选PT，当PT测速信号小于阈值（30Hz）时，优选齿盘信号；两路齿盘信号无故障情况下取转速高者；当转速装置进入停机态后强制转速输出为零。由于PT信号在低速下不能稳定检测，且测速信号防跳变逻辑不完善，若齿盘信号发生跳变，则无法可靠检测转速。

经综合分析与研究得出，转速装置在实际应用过程中主要存在以下问题：本体元器件可靠性差、转速处理逻辑不完善、测速探头选型不合理、探头安装方式不合理、齿盘的制作精度及设计方案不合理、监控系统电气过速保护逻辑不完备等。

2 转速装置可靠性研究与优化措施

目前，以上两个电站的转速装置虽然运行趋于基本稳定，但是仍然存在着潜在安全隐患，主要有原PCC 2003控制器及其附件已停产，换型的PCC新模件与旧型号模件不兼容，必须整个控制器全部更换；设备全生命周期维护成本高昂，且维护过程中安全风险较大。

B电站的转速装置安装在水轮机仪表柜内，齿盘安装在水轮机大轴段，测速探头采用易福门IFT222传感器，转速测控装置采用瑞格SPCT 系列转速测控器，该产品具有以下优技术特点：①具有硬件看门狗、软件差分抗干扰、多路开关量接点输出、4-20mA 模拟量输出、蠕动报警和最高转速记忆等功能。②频率分辨精度高。③多路频率投票机制完善。除了以上技术特点以外，该装置由独立的转速测量和控制系统组成，并具有独立的电源系统，其电源控制供电为220VAC/220VDC或220VAC/24VDC双电源互为热备，见图2。这种供电方式，虽然属于冗余供电模式，但是其开关电源内置在转速测控装置本体，不便于故障定位及维护，不便于设备管理及备品备件管理，此类问题应充分吸取上述S电站已发生事故的经验教训。因此，B电站在设计和运维阶段充分借鉴以上两个电站转速装置存在的问题，以及现使用转速装置本体自有缺陷，在原设计的基础上进行技术创新和设备管理创新，采取以下优化措施以提高设备可靠性和运行稳定性。

（1）优化装置本体的供电模式。转速装置本体采用两路DC24V供电电源，一路取自水轮机仪表柜，另一路取自水轮机辅助控制柜。每一个柜内配有独立的多重冗余电源系统，即提供两路DC220V、一路AC220V经过电源转换模块转换为多路DC24V，供不同的负荷供电，即使有其中一路电源出现故障，另一路电源也会保证供电正常；即使有任意一个控制柜电源全部消失，也能从另一面控制柜提供DC24V电源，保证转速测控装置正常工作，从而确保了机组的安全运行。

图2 SPCT系统转速测控装置供电原理图Figure 2 power supply schematic diagram of speed measurement and control device of SPCT system

（2）完善频率处理逻辑。频率控制逻辑优化为：在设备正常运行过程中，当有测速传感器发生故障时，系统自动屏蔽故障通道的数据采集，同时将投票权限自动赋予给备用且未发生故障的通道。如果装置复位或重新上电时，投票配置策略恢复至初始状态，直到投票机制判断其发生故障为止。采用此种投票机制，可以有效地抑制频率突变并剔除故障信号，可大幅度提高转速测控器的容错能力，从而提高了测控装置的可靠性。同时，监控系统根据系统要求和机组后备保护需求，充分考虑设备误动和拒动的风险，优化和完善一类机械事故停机和机组并网态的判断逻辑。

（3）加强转速装置的日常维护与巡检。针对故障频发的重要设备，进一步加强日常维护和设备点，巡检及分配管理，才能提高设备运行周期，保证设备的正常运行，发挥最大潜能为公司创造最大效益。建立完善设备履历，通过设备责任到人对运行设备的实际情况全面掌控；加强设备巡检质量，对重要设备的巡检过程中能发现而未发现造成的设备故障加大考核；制定设备周期保养及检修计划，对设备寿命周期内的设备逐步启动换型改造工作；加强设备运行健康状况分析，加强检修工艺及缺陷管理，对人为造成的重复缺陷严格进行考核。

3 结束语

转速测控装置对机组运行稳定性的影响主要有转速测控装置本体故障、磁盘测速装置故障、监控保护动作逻辑考虑不全面。巨型机组非停对电网影响大，从而要求巨型机组可靠运行，从而对转速测控装置运行稳定性提出更高要求。水轮机调速器的转速测控装置的硬件和功能在不断优化和完善，在系统设计时要充分遵循技术先进性、设备安全性、运行稳定性和经济合理性原则，并结合后期运行维护简单和实用性，设备选型时必须收集行业内设备异常情况，了解当前的自动控制技术水平，还必须考虑水电厂机组安装与运行的实际情况，确保电网和机组的安全和稳定。