两起水轮机调速器故障的分析与处理

张中弛

（福建永泰闽投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

0 引言

调速器承担了机组频率调节、有功功率调节、开度调节的重要任务，一旦出现异常就可能导致导叶开度的大幅度波动，甚至造成机组事故停机。因此调速器一般采用冗余设计，重要的控制、测量、反馈、执行元件都设有双套，甚至三套，采取“主备用”或者“三选二”的方式，主用元件故障立即切换至其他备用元件工作，基本可以实现导叶开度、机组负荷无扰动的切换，有效保证了机组运行可靠。

但是在电站实际生产运行中，仍然存在由于单一元件的工作不稳定或失效导致机组紧急停运的风险，影响发电机组甚至是电网安全。这其中既有元件自身产品质量的问题，也有控制逻辑设计的不合理，还有安装调试过程中由于不当操作埋下的隐患，最终在一定条件下触发，造成事故发生。

1 概述

1.1 调速器工作原理

水轮机调速器通常由控制元件、测量元件、反馈元件和执行元件构成，其直接控制对象是接力器，通过动作接力器，改变导叶开度大小，调整冲击转轮转动的水流量，也就是调整水轮机所吸收的水能，实现对水轮机转速或发电机输出功率的控制。

在控制过程中，调速器要测量水轮发电机组的频率、有功功率、导叶位移（开度）、水头等变量，计算测量值与目标值（给定值）的偏差，然后将偏差值转化为控制信号，经过信号放大、电液转换，控制液压操作机构动作接力器，调整导叶开度大小，最终完成对水轮发电机组频率或有功功率的闭环调节，并能执行机组开停机、工况转换、事故停机等操作[1]。

1.2 调速器结构组成[1，2]

调速器一般由电气控制柜、机械操作柜、电液随动装置、事故配压阀、分段关闭装置、油压装置及其控制柜等组成。

电气控制柜是调速器系统的核心，它釆集机组的导叶开度、有功功率、频率、水头等信息，通过控制流程和导叶开度给定值，转换成相应的电气量输送到机械操作柜。液压操作柜主要配置比例伺服阀放大器和手动增减、停机等操作回路，将电气控制柜信号进行传递和放大，并对液压系统进行各种控制操作。

电液随动装置配置了比例伺服阀和主配压阀，对电气控制柜信号进行电液转换，并进行液压放大。事故配压阀主要在调速器电气或液压系统失灵时，能够紧急关闭导叶。分段关闭装置需根据调节保证设计的要求进行配置，用来实现导叶分段关闭规律。油压装置通常包括压力油罐和回油箱及其附属自动化元件，对控制导叶开启和关闭提供操作能量。油压装置控制柜的功能是通过对油泵的启停控制和自动补气控制来维持压力油罐的油压稳定和合理的油气比。

2 案例1：机频采样故障信号异常

2.1 故障现象

某大型电站机组在发电状态时，调速器判断出现机频采样故障，开出故障信号至监控系统。经运行人员现地确认频率信号无异常后，在调速器电气控制柜触摸屏上点击故障复归按钮，故障开出信号仍继续保持，无法复归。

2.2 原因分析

电站在该异常情况出现前，对调速器进行了技术改造，增加了机频采样“三选二”功能，机频采样由残压、齿盘1、齿盘2三路信号组成，同时对机频采样故障的判别条件进行了修改，程序逻辑如图1所示。

图1 机频采样故障判断逻辑框图

从程序可以看出，当三路机频采样信号（残压、齿盘1、齿盘2）均故障，则分别执行以下2个运算：

（1）若机组为发电态或孤岛态，则自动退出一次调频功能、向监控系统上送机频采样故障信号，若为其他状态则复归一次调频自动退出信号、机频采样故障信号；

（2）若机组为空载态，则将导叶切至手动控制；若为其他状态则复归导叶切手动信号。

若三路机频采样信号不同时故障，复归一次调频自动退出信号、导叶切手动信号。

机频采样故障信号的复归条件仅为在非发电态、非孤岛态下，发生三路信号同时故障的情况下复归信号，无法通过触摸屏或者其他方式复归。而机组处于静止态、开机态、停机态时调速器不判断机频采样故障，发电调相态在该电站不使用，仅为程序内预留，因此仅有当调速器判断进入空载态时，模拟三路机频采样信号均故障才可复归。

除了复归条件设置不当，还因为故障信号误报导致此次故障发生。三路机频采样信号同时报故障，但现地检查发现机频无明显异常，基于长期对调速器运行情况的观察，综合判断应为故障误报。检查PLC程序中残压偏差过大、齿盘1偏差过大、齿盘2偏差过大的判断条件，发现判断条件中的延时均为0.2 s，考虑到该电站的齿盘测频一直不稳定，延时过短容易导致机频采样故障误报。

2.3 处理措施

明确机频采样故障无法复归是故障判断的控制程序设计不合理所致后，对调速器电气控制柜PLC控制程序进行修改完善：

（1）增加自动判断复归故障的条件，当三路机频采样信号中任意一路正常后或者在静止态，频率采样故障自动复归。

（2）将判断残压偏差过大的延时由0.2 s增加到0.5 s，判断齿盘偏差过大的延时由0.2 s增加到2 s，进一步减少频率偏差故障误触发的可能性。

之后又进行了验证试验，对修改的这部分程序逻辑进行检验，以确保按照设计的故障触发和复归条件正确动作，试验步骤和试验结果如下：

（1）在无水状态下，调速器处于静止态，切至自动控制，发开机令（短接开机令输入端与公共端），调速器进入开机态，导叶开启至空载开度，达到开机限时后进入空载态。

（2）将继电保护测试仪（以下简称继保仪）接入调速器电气控制柜频率信号转换器的残压、齿盘1、齿盘2采样输入通道，对残压通道发AC10 V/50 Hz信号，对齿盘1和齿盘2通道发AC10 V/100 Hz信号，在触摸屏信息窗中检查确认残压、齿盘1、齿盘2均显示为50 Hz。

（3）发并网令（短接并网令输入端与公共端），调速器进入发电态。

（4）将继保仪送残压通道信号调为AC10 V/50.6 Hz，0.5 s后电气控制柜触摸屏状态报警窗显示残压偏差过大，再断开齿盘1和齿盘2信号，可以观察到监控系统报调速器机频采样故障动作，故障动作信号上送正确。

（5）重新接入齿盘1和齿盘2信号，可以观察到监控报调速器机频采样故障复归，故障复归信号上送正确。再将继保仪送残压通道信号调为AC10 V/50 Hz，在状态报警窗点击故障复归，可以观察到状态报警窗上残压偏差过大消失。

（6）将继保仪送齿盘1通道信号调为AC10 V/ 101.2 Hz，2 s后触摸屏状态报警窗显示齿盘1偏差过大，再断开残压和齿盘2信号，可以观察到监控系统报调速器机频采样故障动作，故障动作信号上送正确。

（7）重新接入残压和齿盘2信号，可以观察到监控报调速器机频采样故障复归，故障复归信号上送正确。再将继保仪送齿盘1通道信号调为AC10 V/100 Hz，在状态报警窗点击故障复归，可以观察到状态报警窗齿盘1偏差过大消失。

（8）对齿盘2通道进行与前述第7、8步骤相同操作，状态报警窗报警信息显示、上送监控系统的故障动作和复归信号均正确。

（9）断开并网令，再发停机令（短接停机令输入端与公共端），将继保仪送残压、齿盘1、齿盘2通道信号降至0Hz，之后拆除继保仪接线和其他短接线，恢复柜内接线，试验结束。

2.4 建议与思考

经过故障分析、处理、验证一系列工作，最终顺利将该故障消除，从中可以发现在故障判断的逻辑设计时应仔细考量故障的触发条件，要结合电站运行的实际情况，对故障判断的延时条件进行优化，使故障既能准确报出又不会因信号的瞬时波动而导致故障信号频繁上报。对故障复归的条件应合理设置，在故障消失后自动复归或在触摸屏上通过复归按钮复归。在现场条件允许的情况下，针对修改的程序内容设计一定的验证试验以检验程序执行过程是否正确也很有必要。

3 案例2：导叶位移传感器滑块脱落

3.1 故障现象

某电站机组在发电状态，调速器报A套PLC导叶反馈故障、A套严重故障，主用控制器自动切换至B套PLC。运行人员现地检查发现A套导叶开度值为0，B套导叶开度值正常。将PLC主从切换把手切至B主，选择B套PLC为主用，待机组具备停机条件后继续做进一步检查。

3.2 原因分析

查看调速器电气原理图发现导叶位移模拟量信号取自安装在水车室中的导叶位移传感器，经机械操作柜内信号隔离模块，分别送至机械操作柜综合控制模块和电气控制柜PLC。综合控制模块再输出信号至综合显示模块，PLC输出信号至触摸屏，实现信号显示。导叶位移模拟量信号传输过程如图2所示。

图2 导叶位移模拟量信号传输过程

机组停机后，根据信号传输的方向，逆向依次检查电气控制柜、机械操作柜采集的导叶位移信号。首先检查电气控制柜触摸屏，A套PLC采集到的导叶位移模拟量信号反馈码值为32 767，并报A套导叶反馈故障、A套严重故障。检查A套PLC到触摸屏的通信线缆完好，除导叶位移信号外，其他信号在触摸屏上均正常显示，初步判断接入A套PLC的导叶位移信号消失。

检查机械操作柜综合显示模块，发现导叶开度显示为0.0，该显示模块信号来自机械操作柜综合控制模块1，检查信号传输线缆完好，初步判断接入综合控制模块1的导叶位移信号消失。进入水车室检查导叶位移传感器安装情况，发现导叶位移传感器1滑块已脱落，进一步检查发现传感器滑块与固定用螺钉间的焊点断裂，如图3。

图3 滑块与螺钉间焊点断裂

将螺钉与滑块重新焊接，之后回装，检查各处的导叶位移信号均正常。机组正常开机，并网发电后约2 h，调速器报A套PLC导叶反馈故障、A套严重故障，主用控制器自动切换至B套PLC。检查发现导叶位移传感器1滑块再次脱落，在检查过程中还发现机组在发电状态下，水车室内机组振动较大。

待机组再次停机后对脱落的滑块进行检查，发现滑块固定用螺钉发生断裂，如图4。判断是由于焊接及后续淬火导致螺钉脆化，且水车室内振动大，导致螺钉断裂。

图4 滑块固定用螺钉断裂

3.3 处理措施

考虑到水车室内的振动情况，未再对损坏的滑块进行修复，取导叶位移传感器滑块备品进行更换，安装新的滑块后，重新开机继续观察，未再出现滑块脱落情况。电站长期运行后，该机组和电站其他机组均未再发生导叶位移传感器滑块脱落。

3.4 建议与思考

导叶位移传感器是调速系统最重要的传感器之一，一旦滑块脱落会导致导叶位移信号消失，导叶开度闭环控制失去反馈值，无法实现自动开度调节，严重影响机组安全稳定运行。在本次故障处理过程中，注意到该电站调速器配置的是电手动闭环控制，控制原理如图5所示，无纯手动操作功能。在导叶位移传感器1故障后，电气控制柜主用控制器自动切换至B套PLC，虽然机械操作柜综合控制模块1的导叶位移信号已消失，但能够接受B套PLC发送的控制信号，可以正常调节导叶开度，比例伺服阀控制并未失效，不会报出伺服故障，也不会切至导叶位移信号正常的综合控制模块2工作。一旦将机械操作柜上的手自动切换把手切换到手动1模式，选择综合控制模块1进行手动调节，由于电手动为闭环控制，而此时综合控制模块1接入的导叶位移信号已消失，测量不到反馈值，闭环控制失效，可能引发导叶波动。因此在故障排查过程中，特别强调了机械操作柜不能切至手动1控制，防止故障影响扩大化。

图5 电手动闭环控制原理

电站调速器使用的是非接触式导叶位移传感器，与生产厂家了解，滑块的焊点断裂导致滑块脱落是此类型位移传感器的首次。滑块与固定螺钉间的焊点不能承受强扭力，在传感器安装过程中，备紧滑块固定用螺母时，扳手只能对上下螺母紧固，而不能夹在滑块上施力，否则极易导致焊点被破坏。建议在位移传感器安装时，对施工单位人员加强指导，需按照正确的安装工艺进行操作，避免操作不当造成部件损坏。

4 结语

在电站智能化的发展浪潮中，越来越多的电站通过采取增加测控装置、传感器的方式，以实现更加精准的自动控制，甚至可以达到“缺陷早发现、故障自诊断”的程度，极大的减轻了电站运维人员的劳动强度。但同时也应当注意到在增加测控装置的过程中，也增加了控制的环节，使程序逻辑更加复杂。新式传感器的安装工艺要求更加严格，对施工人员的素质也提出了更高的要求。

这两起故障案例都充分暴露出面对新控制理念和新设备器件，应当在设计施工过程中给予更高的关注。程序设计时要仔细考量，不能惯性思维。调试过程中应进行完备的试验验证，找出设计缺陷。安装操作环节更要严格按照工艺要求施工，不能凭经验盲目硬干。只有从全环节做好质量管控，才能更好的发挥新技术的优势，为电站的安全稳定运行提供保障。