陳 榮，陳炳森

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530022；2.廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530023）

那吉航運(yùn)樞紐位于廣西百色市田陽(yáng)縣那坡鎮(zhèn)境內(nèi)右江河道上，距上游百色水利樞紐61.8 km，是百色水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一座以航運(yùn)為主、發(fā)電為輔的水資源綜合利用工程。樞紐電站共安裝了3臺(tái)單機(jī)容量為22 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定水頭11 m，額定流量220 m3/s，電站采用武漢能事達(dá)公司生產(chǎn)的交流伺服電機(jī)自復(fù)中式微機(jī)調(diào)速器，額定油壓6.3 MPa。由于2#水輪機(jī)調(diào)速器在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，多次發(fā)生運(yùn)行工況突然切至“手動(dòng)”模式運(yùn)行的故障現(xiàn)象，因此分析了故障原因，通過(guò)軟件技術(shù)措施排查和消除了機(jī)組安全運(yùn)行隱患，現(xiàn)將故障的原因及排除方法進(jìn)行總結(jié)，以供同行進(jìn)行參考。

1 故障現(xiàn)象及影響

1.1 故障現(xiàn)象

2010年10月28日，電站2#機(jī)組正在運(yùn)行中，中控室機(jī)組監(jiān)控事件窗口表突報(bào)“2#機(jī)組調(diào)速器事故”、“2#機(jī)組調(diào)速器電氣柜故障”信號(hào)，2#機(jī)組調(diào)速器監(jiān)視畫(huà)面中指示機(jī)組調(diào)速器的導(dǎo)葉、槳葉均為“手動(dòng)”模式運(yùn)行，運(yùn)行人員現(xiàn)地檢查調(diào)速器電氣柜，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器已由正常運(yùn)行時(shí)的“自動(dòng)”模式切至了“手動(dòng)”模式，調(diào)速器電氣柜上故障報(bào)警燈亮，但是調(diào)速器觸摸屏上卻沒(méi)有故障報(bào)警信號(hào)和當(dāng)時(shí)的歷史故障報(bào)警記錄。值班人員檢查發(fā)現(xiàn)無(wú)異常后，現(xiàn)地將調(diào)速器切回“自動(dòng)”模式后，調(diào)速器恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，可根據(jù)機(jī)組頻率的變化自動(dòng)調(diào)整機(jī)組的出力。

1.2 故障影響

機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)速器應(yīng)處于“自動(dòng)”模式運(yùn)行。在非“自動(dòng)”模式下運(yùn)行，調(diào)速器的PLC不再根據(jù)機(jī)組頻率的變化來(lái)調(diào)節(jié)控制機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度，而是根據(jù)運(yùn)行人員給定的導(dǎo)葉開(kāi)度值來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，若發(fā)生事故，發(fā)電機(jī)出口斷路器跳開(kāi)甩掉全部負(fù)荷時(shí)，因?qū)~開(kāi)度給定值仍處于事故前給定開(kāi)度，沒(méi)有發(fā)生給定值變化，所以機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)突然大幅上升甚至出現(xiàn)過(guò)速現(xiàn)象，直接威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行，因此，機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下，不允許將調(diào)速器切至“手動(dòng)”模式運(yùn)行。

上述故障發(fā)生后，未經(jīng)全面排查而由運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)將調(diào)速器切回“自動(dòng)”模式恢復(fù)了機(jī)組的正常運(yùn)行，其后近一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，電站2#機(jī)組又多次在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生上述故障現(xiàn)象。

2 故障原因分析

根據(jù)生產(chǎn)廠家的調(diào)速器使用說(shuō)明書(shū)及運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，電站機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)一直保持故障報(bào)警狀態(tài)，故障消失后會(huì)自動(dòng)復(fù)歸報(bào)警信號(hào)，同時(shí)調(diào)速器觸摸屏?xí)詣?dòng)保存故障信息，方便運(yùn)行值班人員查閱。

但前述機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中調(diào)速器因故障原因由“手動(dòng)”模式切至“自動(dòng)”模式，待運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)故障到現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，故障信號(hào)已經(jīng)消失，調(diào)速器觸摸屏上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警信號(hào)和當(dāng)時(shí)的歷史故障報(bào)警記錄，只能在故障原因未明的情況下，在現(xiàn)地將調(diào)速器切回至“自動(dòng)”模式運(yùn)行。

2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

調(diào)速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)速器以PLC為控制器，接受機(jī)組LCU（現(xiàn)地控制單元）輸入的控制指令和位置信號(hào)，運(yùn)行維護(hù)人員通過(guò)人機(jī)界面（實(shí)物為觸摸屏）輸入的整定調(diào)節(jié)參數(shù)以及機(jī)組頻率信號(hào)、電網(wǎng)頻率信號(hào)、電站水頭信號(hào)、機(jī)組功率信號(hào)、導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)、槳葉開(kāi)度信號(hào)等，PLC按照預(yù)定的程序?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行采集、分析、PID計(jì)算后，輸出導(dǎo)葉及槳葉控制信號(hào)經(jīng)電液轉(zhuǎn)換并放大后，通過(guò)接力器實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉和槳葉開(kāi)度的調(diào)節(jié)控制，同時(shí)通過(guò)調(diào)速器柜上的儀表顯示導(dǎo)葉、槳葉開(kāi)度、機(jī)組頻率，通過(guò)接口向機(jī)組LCU發(fā)送事故、故障及手動(dòng)/自動(dòng)信號(hào)。

圖1 微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)圖

調(diào)速器有交流和直流兩路供電電源，經(jīng)電氣或門(mén)電路后轉(zhuǎn)成一路5 V直流電源供給測(cè)頻回路，一路24 V電源供給PLC以及傳感器、驅(qū)動(dòng)器和人機(jī)界面。雙電源供電可有效提高調(diào)速器供電的可靠性。

2.2 故障分析

前述故障發(fā)生后，調(diào)速器的運(yùn)行模式確實(shí)發(fā)生了改變，機(jī)組LCU能正確收到PLC經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)量接口送過(guò)來(lái)的調(diào)速器由“自動(dòng)”轉(zhuǎn)為“手動(dòng)”運(yùn)行模式的信號(hào)，但是觸摸屏中卻沒(méi)有故障報(bào)警信號(hào)和當(dāng)時(shí)的歷史故障報(bào)警記錄。結(jié)合故障現(xiàn)象及圖1對(duì)故障的原因進(jìn)行分析，可能的故障原因有兩種：

（1）調(diào)速器電源消失引起PLC自動(dòng)重啟，程序初始化置調(diào)速器為“手動(dòng)”模式。

電站調(diào)速器PLC初始化流程如圖2所示。當(dāng)PLC因電源發(fā)生瞬間掉電再自動(dòng)恢復(fù)時(shí)，PLC會(huì)按上電初始化流程會(huì)將調(diào)速器的模式自動(dòng)切至“手動(dòng)”模式，這樣的流程設(shè)計(jì)是綜合考慮機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，確有可能發(fā)生掉電的情況，在此故障情況下，按保證機(jī)組安全第一的原則，希望機(jī)組能穩(wěn)定在故障前的運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)速器機(jī)械液壓部分采用了自復(fù)中的結(jié)構(gòu)及手/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換的設(shè)計(jì)。自復(fù)中結(jié)構(gòu)可保證PLC在沒(méi)有PID控制信號(hào)輸出時(shí)，機(jī)械液壓系統(tǒng)不會(huì)動(dòng)作；手/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換的設(shè)計(jì)，可保證在“自動(dòng)”模式中，“手動(dòng)”模式的導(dǎo)葉開(kāi)度給定值跟隨當(dāng)前導(dǎo)葉開(kāi)度值變化，當(dāng)調(diào)速器切至“手動(dòng)”模式時(shí)，機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度不會(huì)發(fā)生突變，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。

根據(jù)圖1所示的PLC供電回路，如果電源回路故障出現(xiàn)瞬間失電，將會(huì)引起調(diào)速器PLC的冷啟動(dòng)，在PLC的初始化過(guò)程中，將調(diào)速器置為“手動(dòng)”模式。

圖2 PLC初始化流程圖

圖3 導(dǎo)葉反饋故障判斷流程

（2）調(diào)速器導(dǎo)葉傳感器反饋信號(hào)異常致調(diào)速器置“手動(dòng)”模式。

電站調(diào)速器使用的是KTCA-900型拉桿式位移傳感器，作為導(dǎo)葉開(kāi)度的檢測(cè)元件安裝于導(dǎo)葉接力器上，其輸出的4~20 mA導(dǎo)葉開(kāi)度值信號(hào)直接輸入至調(diào)速器PLC模擬量輸入端口，由PLC完成導(dǎo)葉開(kāi)度的采樣檢測(cè)和處理。圖3為導(dǎo)葉反饋故障判斷流程。

由于導(dǎo)葉接力器的實(shí)際行程小于位移傳感器的行程，在調(diào)速器安裝調(diào)試過(guò)程中，已經(jīng)測(cè)出導(dǎo)葉全關(guān)和全開(kāi)時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移傳感器輸出電流值及對(duì)應(yīng)的PLC采樣值，并作為導(dǎo)葉開(kāi)度異常報(bào)警的上下限值。在圖3的流程中，PLC在采樣到導(dǎo)葉開(kāi)度值后，先判斷采樣結(jié)果是否處于正常的上下限值之間，如果導(dǎo)葉開(kāi)度值超出正常的上下限范圍則說(shuō)明導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值檢測(cè)異常，不能作為機(jī)組調(diào)節(jié)控制的依據(jù)，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行故障報(bào)警并將調(diào)速器切至“手動(dòng)”模式將機(jī)組穩(wěn)定在故障前狀態(tài)。

2.3 故障排查

結(jié)合上述的故障分析，電站檢修維護(hù)人員進(jìn)行了以下排查工作：

（1）首先對(duì)導(dǎo)葉傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行了檢查，在機(jī)組停機(jī)并做好安全措施的狀態(tài)下，手動(dòng)操作導(dǎo)葉自全關(guān)至全開(kāi)再至全關(guān)，導(dǎo)葉開(kāi)度的反饋信號(hào)值均在正常范圍內(nèi)并且沒(méi)有突變現(xiàn)象。當(dāng)檢修人員拆開(kāi)導(dǎo)葉傳感器的接線(xiàn)時(shí)，調(diào)速器有報(bào)警聲，觸摸屏上有“導(dǎo)葉反饋故障”信號(hào)和“請(qǐng)檢查導(dǎo)葉傳感器或接線(xiàn)”的提示信息，調(diào)速器由“自動(dòng)”模式切至“手動(dòng)”模式，在恢復(fù)接線(xiàn)后，故障信號(hào)消失。

（2）在機(jī)組停機(jī)并做好安全措施的狀態(tài)下，突然斷掉并快速恢復(fù)調(diào)速器的交直流電源，PLC實(shí)現(xiàn)了冷啟動(dòng)，調(diào)速器切至“手動(dòng)”模式，但觸摸屏也因重新上電而進(jìn)入到初始化界面，并需要人為點(diǎn)擊操作后才能轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行畫(huà)面。

（3）對(duì)調(diào)速器電氣柜內(nèi)的繼電器電阻值、動(dòng)作值進(jìn)行了檢查試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

（4）對(duì)交直流供電電源以及柜內(nèi)的電源回路進(jìn)行了檢查，在交直流電源切換瞬間，電源回路所輸出的5 V、24 V直流電源電壓穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。

（5）檢查了調(diào)速器所有外部連接電纜的絕緣，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕緣不合格及接地的現(xiàn)象。

在上述排查均未能確認(rèn)故障原因的情況下，檢修人員重新緊固了調(diào)速器所有連接端子并存在氧化的端子和導(dǎo)線(xiàn)接頭進(jìn)行了必要處理，但故障仍然時(shí)有發(fā)生。

3 故障處理

綜合故障分析和排查的結(jié)果，調(diào)速器電源消失引起PLC自動(dòng)重啟而將調(diào)速器置為“手動(dòng)”模式的可能性不大，調(diào)速器導(dǎo)葉傳感器反饋信號(hào)異常故障雖不能完全排除但也無(wú)法確認(rèn)。結(jié)合故障現(xiàn)象，考慮到調(diào)速器導(dǎo)葉位移傳感器輸出信號(hào)（4~20 mA）電纜與勵(lì)磁系統(tǒng)等強(qiáng)電電纜安放在同一電纜槽內(nèi)，因此懷疑電纜槽內(nèi)的強(qiáng)電干擾信號(hào)引起導(dǎo)葉開(kāi)度反饋數(shù)值超過(guò)設(shè)定的上下限范圍，當(dāng)PLC按圖3流程進(jìn)行判斷時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)度超出正常范圍而報(bào)警且將調(diào)速器置“手動(dòng)”模式；由于PLC與觸摸屏之間是以通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的，瞬間出現(xiàn)的干擾信號(hào)可能還沒(méi)來(lái)得及傳送即消失，所以在故障發(fā)生時(shí)，觸摸屏就沒(méi)有收到故障報(bào)警信號(hào)。

基于以上分析，為徹底排查調(diào)速器的此類(lèi)故障，決定對(duì)調(diào)速器PLC中導(dǎo)葉反饋故障判斷子程序“Wicket_position_fail:=(%IW4.0＜1000)OR%I4.0.ERR；”進(jìn)行修改，在判斷程序中加入500 ms延時(shí)程序，在對(duì)采樣值進(jìn)行判斷發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度反饋值超出正常范圍時(shí)，啟動(dòng)500 ms定時(shí)器，如故障信號(hào)保持500 ms以上，則報(bào)導(dǎo)葉反饋故障并將調(diào)速器置“手動(dòng)”模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)及瞬間故障信號(hào)的過(guò)濾。程序修改部分如下：

%M300：=(%IW4.0＜1000)OR%I4.0.ERR;（*對(duì)采樣數(shù)值進(jìn)行判斷*）

IF%M300 THEN（*如達(dá)到報(bào)警條件，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，否則停止計(jì)時(shí)器*）

START Tm_Wicket_position_fail_500ms;

Else

DOWN Tm_Wicket_position_fail_500ms;

END_IF

Wicket_position_fail:=Tm_Wicket_position_fail_500ms.QAND%M300;（*采樣數(shù)值超上下限并保持500ms的時(shí)間，報(bào)導(dǎo)葉反饋故障*）

修改后的導(dǎo)葉反饋故障判斷流程如圖4所示。

修改后的程序于2010年11月25日下載到2#機(jī)組調(diào)速器PLC中，之后未發(fā)生同樣故障。

圖4 修改后的導(dǎo)葉反饋故障判斷流程

4 結(jié)束語(yǔ)

在2#機(jī)組調(diào)速器運(yùn)行工況誤切換故障按上述方法成功排查處理后，電站將1#、3#機(jī)組調(diào)速器PLC的程序也進(jìn)行了相應(yīng)修改，3臺(tái)機(jī)組至今未發(fā)生同樣故障，說(shuō)明了導(dǎo)葉反饋信號(hào)受到干擾是造成故障的根本原因。通過(guò)以上故障的分析和處理，建議設(shè)計(jì)單位和設(shè)備生產(chǎn)廠家，在進(jìn)行類(lèi)似產(chǎn)品和回路設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是對(duì)模擬量的信號(hào)處理要更加嚴(yán)謹(jǐn)，充分滿(mǎn)足安全性、可靠性和穩(wěn)定性的需要；二是弱電信號(hào)電纜要避免與強(qiáng)電電纜放在同一條電纜溝或電纜槽內(nèi)，做好弱電信號(hào)的屏蔽和抗干擾措施，防止同類(lèi)故障的發(fā)生。

[1]魏守平.水輪機(jī)控制工程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[2]張希泰，陳康龍.二次回路識(shí)圖及故障查找與處理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.