一起抽水蓄能机组调速器故障分析与处理

胡玉梅，潘菊芳，刘继承，潘 凌，陈 瑞

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.丰满发电厂，吉林省吉林市 132013）

一起抽水蓄能机组调速器故障分析与处理

胡玉梅1，潘菊芳2，刘继承3，潘 凌1，陈 瑞1

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.丰满发电厂，吉林省吉林市 132013）

对一起因调速器故障导致的抽水蓄能机组发电工况强迫机械停机原因进行了详细分析，提出了处理方案和预防措施。此类故障随着抽蓄机组运行时间增长、非正常的运行环境致使电子元件老化会呈现增长现象。本文提出的预防性建议对其他抽水蓄能机组有较大经验借鉴作用。

抽水蓄能；调速器；运行环境

0 前言

抽水蓄能电站由于启动迅速、运行灵活，当系统有多余电能时抽水耗电，当系统电能不足时放水发电，能有效调节系统的供需平衡，是系统最有效的调节电源，因而承担系统的调峰、填谷、调频及事故备用等任务[1]。由于电站以上工作特点，抽水蓄能机组工况转换频繁，相比常规发电机组，对机组开机成功率、调速器、励磁系统的可靠性提出了更高要求。

1 故障情况

故障发生当日18时18分，某抽水蓄能电站1号机组发电方向启动同期并网后负荷上升过程中，监控报警：01GRE_001RG_DI_F T-SLG NORMAL OPERATIONAL FAULT（调速器主用卡件故障）；01GRE_002RG_DI_F T-SLG STANDBY OPERATIONAL FAULT（调速器备用卡件故障）；01GTA_002XV_DI_TRP QUICK STOP 002XV TRIPPED（机组转机械停机）。机组强迫机械停机。

该电站共有4台机组，单台容量300MW，1号机组投入最早，于2009年开始投入带电调试、运行，至故障发生当日已运行近5年。其他机组其后陆续投入运行。调速器盘柜内电气卡件较多，设备长期带电运行，近期导叶控制SPC卡件多次出现问题。电站1号机组在四周前一次开机过程中曾出现因调速器6号导叶控制卡件SPC6故障而机械停机，故障现象与之相同。

1号机组调速器盘柜连同主机导叶机械控制部分（电液转换器）等设备采用的是法国阿尔斯通公司的成套控制设备。电站水泵水轮机共有20个桨叶，由两个互为冗余的调速器控制卡件UPCN、UPCS进行桨叶开度的总调节，一主一备。每个桨叶均对应一个SPC卡件，共有20个SPC卡件。调速器控制卡件UPCN、UPCS负责调速器机频、网频的采集、控制规律计算、控制方式转换，与远程监控系统及与下位机进行数据通信。每个操作桨叶的接力器均设置两个磁感应式位置传感器，一主一备，在主用传感器故障的情况下自动切换至备用传感器，保持机组正常运行。位置传感器实时反映导叶的开度，此反馈信号通过屏蔽电缆连接到导叶控制SPC卡件上。

UPCN主卡与导叶控制SPC卡件的通信应用RS232串口、采用Modibus通信协议进行通信，从而实现数据传送和控制下位机达到调控机组负荷的目的。每个SPC卡件完成独立的导叶控制，根据主控卡件UPCN发来的控制导叶开度量作为参考开度，与位置传感器传来的反馈量一起通过PID算法进行闭环控制，控制信号经SPC卡内功率放大单元放大，放大的模拟信号输出到电液转换器，电液转换器将电信号转换成油路分配控制，控制导叶活塞的开闭，最终达到控制导叶的目的。

调节器柜处在主厂房地下3层的水轮机层，因在山洞内温湿度常年变化不大，夏季温度大致在25～28℃，空气不太流动。

2 故障原因分析

2.1 故障指示

调速器发生故障后，机组出现强迫机械停机，在故障恢复之前，调速器主控面板的故障通过手动复归消除，而3号导叶控制卡件面板上的黄色故障报警灯始终点亮，无法通过手动复归消除。根据调速器的功能设置，如果调速器出现故障，须在故障消失后，小故障才会自动复归，大故障需手动复归。3号导叶SPC3的故障无法手动复归，且3号导叶位置传感器在导叶关闭时的信号反馈正确，说明在导叶全关时，既使导叶控制卡件SPC3发生内部元器件故障，因为没有导叶开度计算上的差度报警，调速器主控单元也不会发现导叶控制卡件故障。

控制卡件SPC3内部出现类似继电器快速频繁动作的杂声，且无法手动复归。

1号机组故障时从开机到并网再到停机整个过程各导叶开度如图1所示，图中红色线即是三号导叶走向趋势。由图可知：3号导叶的开启远远落后于其他导叶，在并网后，由于导叶开度与导叶给定的差值超过了报警值，所以机组出现机械停机。

图1 1号机组故障过程导叶开度

2.2 故障点的确定

在1号机因调速器故障而机械停机时，计算机监控画面指示1号机出现“调速器主用电调故障” “调速器备用电调故障”，是调速器送入监控系统总的故障报警信号，具体的报警在调速器显屏幕显示为“调速器3号导叶控制卡件SPC3故障”。根据调速器维护手册有三种原因引发此故障[2]：①导叶接力器位置传感器故障；②每个导叶对应的SPC卡件故障；③导叶开度总控制卡件UPC故障。以下对三种可能原因分别进行分析排查。

（1）导叶接力器位置传感器故障的排除。

根据调速器逻辑设置，导叶的主用位置传感器信号丢失（小于4mA）或断线不可用，则调速器报出主用UPC小故障，同时调速器自动将导叶主用位置传感器切至备用位置传感器。如果此时备用传感器也在故障状态，则报大故障，机械停机。

导叶在开启过程中，如果主用位置传感器的反馈值偏离导叶开度控制输出设定值，并达到报警值，且主用传感器与备用传感器之间的差值也大于设定值，则调速器报出Servomotor Tracking error（alarm）报警，并自动切换至备用位置传感器，继续保持机组运行，直至备用传感器故障出现后才会机械停机。

开启过程中，如果导叶的主用、备用位置传感器的反馈值均与导叶输出设定值出现偏差，并且大于报警设定值，则发出Servomotor Tracking error（alarm）报警，如果达到跳机值则调速器报出Servomotor Tracking error（trip），导致调速器总控制卡件UPCN和UPCS主故障，继而导致机组快速停机。

通过以上分析和故障报警显示及对3号导叶的主、备用位置传感器的外观实际观察，两个传感器无异常，无油、水污染，固定牢靠，同时此传感器在导叶关闭状态时的信号反馈正确，与其他导叶反馈信号一致，可以得出结论反馈传感器无问题。

（2）导叶开度总控制卡件UPC故障的排除。

调速器的UPCN/UPCS卡件属于SPC卡件的上一级总控制卡件，主要负责向20个SPC卡件发出或收集20个导叶开度的命令或反馈，并同时用于与调速器PLC、监控PLC等系统的通信。

UPCN/UPCS卡件正常运行时，一主一备，并实时互相跟踪，主用UPC故障后，调速器自动切换至备用UPC，在两个卡件均故障后，则执行机械停机流程。但其报警信息与上述的机械停机报警信息明显不同，其报警信息则是MN-UPCN/MAJOR UPC fault或MN-UPCS/MAJOR UPC fault，可以得出结论导叶开度总控制卡件UPC无问题。

（3）导叶对应的SPC卡件故障的确定。

规程规定，在机组机械停机故障出现后，首先需对导叶的位置传感器进行检查，是否有油污、水渍等污染，同时检查拉绳式位置传感器的移动杆是否断裂，信号线是否断裂等。如果均未发现异常，则需检查导叶主、备用位置传感器的INPUT /OUPUT信号是否正确。在上述检查均无异常后，且调速器控制盘柜面板上报警无法复归，则需检查对应导叶的SPC卡件。

每个SPC卡件如果在出现内部元器件故障后，也会在面板显示报警黄色或红色指示，但无法明确看出具体故障部件及元器件。通过更换SPC卡件，则报警可以复归，再对导叶进行手动开关测试，检查导叶的位置传感器信号反馈是否正确，导叶开关的控制命令是否正确执行。

通过以上分析确定本次强迫停机由于3号导叶对应的SPC卡件发生故障而导致。

2.3 SPC卡件故障原因分析

将4号槽的导叶控制卡件拔出，把原3号故障导叶控制卡件插入4号控制槽内，投入电源观察发现，原3号故障卡件面板的电源指示灯和运行指示灯没亮，而卡件故障指示灯（黄灯）始终亮着，用于通信用的Modibus通信灯正常闪烁，没有其他的信号输出及声响，说明此卡件的工作电源消失，也没有正常工作。将四周前出现故障的1号机组6号导叶控制卡件SPC6取来换入到11控制槽上，上电后发现其结果与3号故障导叶控制卡SPC3的现象一致，说明一号机组两块导叶控制卡的故障原因应属同一个问题。

打开处于卡件组顶部的原6号故障导叶控制卡SPC6（位于11槽）上盖，看到控制卡件内主要由以下部分组成：

（1）直流电源（+24V，+/-15V，+5V，3个等级电源）。

（2）指示输出（电源指示，卡件工作指示，故障指示，3个继电器输出）。

（3）卡件控制核心部件（CPU及其附属电路）。

（4）接口转换电路。

（5）模拟输出放大部件（驱动电液转换器）。

根据此前判断，对电源部分进行测量，+24V和+/-15V电源电压的测量值正常，而+5V（在芯片管脚测量，外壳对地）的电压为+4.3V，低于正常值。再对原3号故障SPC3卡件进行测量，测得电源+5V的电压为+4.2V，也很低。将原11槽工作正常的导叶控制卡件换上，测量其+5V的电压为+5.06V，电源正常。原3号和原6号控制卡件在这样的电源电压情况下，控制卡件的控制芯片及其电路很难正常工作。

此调节器是法国阿尔斯通公司的成套控制设备，从试验投运至今已近5年，投运之初，未出现此类故障，随着时间的推移，运行时间的累积，在没有外界干扰影响的情况下，控制卡件逐渐出现电源故障，所以这是一个长期疲劳、老化的现象，由测得故障卡件+5V的电压为+4.2～+4.3V，可知电源的负载能力已经很差，已不能提供控制卡件正常工作所需的电源。其电源负载能力降低主要由于以下两方面引起：

（1）负载增加，控制卡件要完成诸如逻辑电路控制、数据测量转换、控制输出等功能需要很多芯片参与，这些芯片在一定的温湿度环境下长期运行，势必会因老化改变其初始的负载特性，造成整个+5V电源的负载增大。

（2）电源能力下降，由于环境、负载等因素影响，+5V电源模块经长时间运行，电源负载能力下降，不能提供标准的+5V电源。

作为电站发电机调速器的控制系统，整体上应满足机组长期的控制需要，按生产厂家的设计和公司最新的控制设备运行要求，调速器的控制部分在正常情况下应稳定运行12年以上，而电站1号机组正式投入运行应是4年多，这样短的时间就出现电源老化应该是不正常的。

调速器控制柜内有逻辑控制回路及其部件，220V交直流电源，调速器人机界面工控机，两个互为冗余的调速器控制卡件UPCN、UPCS，1个测频卡件，20个导叶控制卡件。盘的整体密封性较好，符合国家IP2盘体保护密封标准，盘体下部由电缆防护胶泥封堵，上部及四周无通风口，正面面板封闭良好。20个导叶控制卡件分两组以对开形式排在前门后下侧，卡件与卡件上下距离约为6cm，在卡件1、卡件4、卡件7、卡件10下有一小风机，对卡件的功率元件向上吹风进行冷却，卡件的功率标称为170W，其主要功率消耗为导叶控制放大输出。

机组正常备用及运行时，所有的卡件冷却风机都处于旋转冷却中，当机组进行负荷调整时卡件功放功率最大，发出的热量最多，20个导叶控制卡件的总功率为3400W，经卡件冷却风机的强迫风循环，使整个调节器控制柜内的温度很快升高，而调节器控制柜内部与外部没有进行热量交换，只是靠盘体自然散热，这样卡件冷却风机所吹的风都是盘内循环的热风，对卡件的冷却效果大大降低，所以调节器导叶控制卡件金属封装壳内温度会越来越高，最后达到一个较高温度平衡点上，在这样的温度下长期运行就会加速电子元器件的老化，影响设备的使用寿命。

在两组控制卡件中，每一组卡件内的每个卡件所受的温度影响也不一样，由于热量具有上升的特性，底部的几个卡件温度应不是很高，最上面的两个卡件由于上面没有风阻，散热也应较好，4号卡件和7号卡件下面有冷却风机强迫风冷，温度升高也有限，所以这组卡件中3号和6号的散热效果最差：下面4号和7号吹来的是热风，上面又有2号和5号卡件造成很大的风阻，这样在3号和6号的卡件所积累的热量会多些，所以在两排卡件排列中，3、6、13、16号卡件的温度最高，若出现问题，应该在这几个卡件上出问题的几率较大。

故障发生后第7日上午对机组调速器电气柜SPC卡件内侧温度进行了实测（4号机组停机备用；2号机组运行40分钟左右；3号机组运行2小时以上；），测量数据如图2、图3所示。

图2 SPC1-10号卡件内侧温度图表

图3 SPC11-20号卡件内侧温度图表

图2和图3中温度对比可看出，1号机组停机状态调速器控制柜内部温度偏高，运行时将会更高，正常情况下模块运行环境温度应保持38℃以下方可安全运行，过高将会运行异常。

综合以上分析可以得出1号机调节器3号导叶控制卡SPC3故障原因如下：

（1）调节器控制盘柜由于卡件组的功率元件功耗很大，盘体内部向外的通风散热不够，致使盘内温度过高，影响卡件散热。

（2）每个卡件的散热不均匀。

（3）卡件安装设计不合理，卡件之间距离较近，影响散热。

（4）设计中电源能力的冗余度不够，在整个电路中，+5V电源系统比较脆弱，受温度等环境影响较大。

由于上述原因，使卡件电子元件提前老化[4]。

3 故障处理

仔细检查机械、电气各部件，确认没有问题后，更换了SPC3器件，对3号导叶进行了导叶静水开关试验。3号导叶的主用、备用位置传感器的input/output的信号在导叶开、关过程中反馈正常，较为平稳，未出现突变或异常现象，且3号导叶的开启、关闭曲线平滑无异常。之后进行了机组空载SR工况试转，机组运行正常[3]，在此基础上对故障备件进行了试验检查。

图4是1号机组更换了备用的导叶控制卡件SPC3后，从开机到并网整个过程各导叶开度趋势，图中显示导叶开度在并网前分为有序的两组进行调节，在并网后，随着有功功率的增加，所有导叶开度在某一功率点趋向一致。

图4 1号机更换卡件后导叶开度

4 预防性建议

调节器导叶控制卡件的电气特性和机械结构已经固定，只能通过加强通风降低盘内温度考虑：①可在控制盘顶部加装通风电机，盘底部加空气过滤网；②在没有加通风电机前应打开调速器控制盘门，对卡件进行自然冷却。

由于电源的老化是一个过程，在可能的情况下，对可能发生老化卡件的+5V电源进行测试，若发现电源有偏离标准电源范围的趋向时应及时更换。

5 结束语

发改能源〔2014〕2482号文《国家发展改革委关于促进抽水蓄能电站健康有序发展有关问题的意见》中指出，要提升设备技术能力。坚持自主创新和引进消化吸收相结合，设备制造企业应超前攻关，依托具体抽水蓄能电站建设，实现500m水头及以上、单机容量40万kW级高水头、大容量机组设计制造的自主化，积极推进励磁、调速器、变频装置等辅机设备国产化，着力提高主辅设备的独立成套设计和制造能力。

本论文结合一起故障对调速器电子元件提前老化原因进行了分析，提出了预防建议，对运行机组和设备制造有一定参考价值。

[1]李浩良，孙华平，等.抽水蓄能电站运行与管理［M］.杭州：浙江大学出版社，2013.

[2]蔡燕生，王剑锋，等.现代水轮器调速器及其调整与试验［M］.北京：中国电力出版社，2011.

[3]周攀.基于有限状态机的抽水蓄能机组工况转换控制[J].水电与抽水蓄能，2015，1（1）：91-96.

胡玉梅（1969—）女，工程师，主要研究方向：电气二次设备，自动化技术。E-mail：yumei-hu@sgxy.sgcc.com.cn

潘菊芳（1982—）女，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站经营管理。E-mail：jufang-pan@sgxy.sgcc.com.cn

刘继承（1967—）男，工程师，主要研究方向：电气二次设备，自动化技术。E-mail：jicheng-liu@sgxy.sgcc.com.cn

潘凌（1975—）女，高级工程师，主要研究方向：电气一次设备。E-mail：ling-pan@sgxy.sgcc.com.cn

陈瑞（1981—）男，高级工程师，主要研究方向：电气一次设备。E-mail：rui-cheng@sgxy.sgcc.com.cn

The Analysis and Treatment of a Governor Fault of the Pumped Storage Unit

HU Yumei1，PAN Jufang2，LIU Jicheng3，PAN Ling1，CHEN Rui1
（1.Technology Center of State Grid Xinyuan Ltd.Company，Beijing 100061，China;2.State Grid Xinyuan Ltd.Company Beijing 100761，China ；3.Feng Mang Power Plant，Ji Lin 132013，China）

This paper provides an analysis of a compulsive machine downtime of the pumped storage under generation operating status，which raised by the generator fault.The treatment and preventive measures will be shown.With the growth of running time and component aging under abnormal operating conditions，this kind of faults will grow.Therefore，the preventive measures put forward by this paper have a reference value for other pumped storage units.

pumped storage；generator； operating condition