皮海波

（五凌電力有限公司碗米坡水電廠，湖南 保靖416500）

1 電站概況及機組主要參數(shù)

碗米坡水電廠位于湖南省保靖縣境內(nèi)的酉水河中游，裝有3臺80 MW的混流式水輪發(fā)電機組，為壩后式電站，1號機于2004年2月正式投入運行，2、3號機于2004年8月正式投入運行。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機組主要技術(shù)參數(shù)

2 問題的提出

3號機采用“單步進電機+主配”型式調(diào)速器。整個調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)采用3級放大形式：由步進電機、滾珠螺母副、定位復中彈簧等組成的步進式電－位移轉(zhuǎn)換器構(gòu)成第1級電氣-機械放大；引導閥和輔助接力器構(gòu)成第2級液壓放大；主配壓閥和主接力器構(gòu)成第3級液壓放大。為滿足調(diào)節(jié)保證計算設(shè)計要求，調(diào)速器系統(tǒng)采用分段關(guān)閉規(guī)律，第1段關(guān)閉時間設(shè)計為3.5 s，第2段關(guān)閉時間設(shè)計為7 s，總關(guān)機時間為10.5 s，分段關(guān)閉拐點設(shè)置在30%接力器行程處。

3號機檢修中甩75%負荷試驗時，調(diào)速器機械控制柜內(nèi)主配處伴隨異常聲響，調(diào)速器液壓系統(tǒng)油錘效應(yīng)明顯、管道振動較大，且機組轉(zhuǎn)速迅速上升，遠超轉(zhuǎn)速上升預(yù)定軌跡。查看甩負荷試驗中測試記錄儀器所測波形，導葉關(guān)閉規(guī)律存在異常：導葉接力器第1段關(guān)閉過程未能按照預(yù)先整定好的最快關(guān)閉速度進行直線關(guān)閉，而是在短暫的直線關(guān)閉后，迅速減緩關(guān)閉速度，且關(guān)閉規(guī)律為曲線，使得第1段關(guān)閉時間遠長于設(shè)定值，最終致使機組過速。

3 缺陷分析及處理研究

3.1 缺陷基本情況

針對3號機甩負荷時導葉關(guān)閉規(guī)律存在的異常現(xiàn)象，我們進行了詳細的分析與甄別。碗米坡水電廠的調(diào)速器采用步進電機作為電液轉(zhuǎn)換裝置，并采用復中彈簧實現(xiàn)主配壓閥的復中。在3號機組無水工況下模擬甩負荷時，發(fā)現(xiàn)在甩負荷瞬間，電機驅(qū)使主配壓閥向關(guān)閉方向移動（向下），隨后主配壓閥又馬上向開啟方向移動（向上），并伴有較大響聲，導葉關(guān)閉速度立即減緩。之后，主配壓閥在電機的作用下，緩慢向下移動，表現(xiàn)為導葉關(guān)閉速度緩慢加快，直到關(guān)閉到分段關(guān)閉拐點以下，導葉關(guān)閉速度再以第2段速度慢速關(guān)閉導葉。

初步判斷步進電機快速驅(qū)動力與復中彈簧的回復力匹配不適當，或是整個電轉(zhuǎn)部分由于運行時間過長，導致這種匹配偏離原設(shè)計要求。此外可能存在的其他電氣或機械故障，導致步進電機不能快速驅(qū)動主配壓閥向關(guān)機側(cè)移動到較大行程，不滿足導葉快速關(guān)閉要求。

3.2 缺陷模擬還原與分析

根據(jù)對缺陷基本情況的分析，專業(yè)人員申請對3號機調(diào)速系統(tǒng)作進一步的無水調(diào)試，在無水工況下，分別對調(diào)速器進行緊急停機、模擬機組甩負荷等試驗，還原異常現(xiàn)象、定位故障原因，確定解決方法。對試驗記錄的數(shù)據(jù)分析如下：

（1）緊急停機動作試驗

由圖1所示的緊急停機關(guān)閉曲線可知，3號機組無水工況下緊急停機關(guān)閉導葉試驗，接力器按正常設(shè)計規(guī)律分兩段關(guān)閉，第1段和第2段關(guān)閉均為直線關(guān)閉，每段關(guān)閉速度均符合整定值要求，且分段關(guān)閉拐點也符合整定值要求，證實調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)的二級、三級放大、接力器、控制環(huán)等導葉聯(lián)動機械機構(gòu)均正常；可排除調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)本體問題。

圖1 緊急停機導葉關(guān)閉曲線

（2）模擬甩100%負荷試驗

模擬機組并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，將導葉開至100%開度，然后模擬發(fā)電機出口斷路器跳閘，接力器關(guān)閉過程曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2可推測，3號機無水條件下模擬甩負荷試驗中，調(diào)速器執(zhí)行甩負荷調(diào)節(jié)過程的瞬間，主配首先往關(guān)方向按設(shè)計的行程移動了，使接力器按第1段快關(guān)斜率運動，但此過程僅維持了1 s就中止了；接下來主配復中、向開啟方向反彈移動，并伴有較大油錘沖擊聲響，主配停止配油、接力器停動，接力器位移出現(xiàn)近0.5 s水平直線。然后主配在步進電機轉(zhuǎn)換器作用下，再次往關(guān)方向移動，但主配實際工作行程并未達到設(shè)計整定值，導致接力器沿第3段弧形曲線減速關(guān)閉，這一過程一直延續(xù)至分段關(guān)閉拐點處，以上3個過程共同構(gòu)成第1段關(guān)閉曲線。當接力器處在分段關(guān)閉拐點之后，可按設(shè)定的第2段慢關(guān)段斜率，沿直線正常關(guān)閉至零。測量第1段快關(guān)曲線總耗時6.6 s，遠超出設(shè)定第1段關(guān)閉時間3.5 s，導葉關(guān)閉規(guī)律與設(shè)計不符。

圖2 模擬甩100%負荷導葉關(guān)閉曲線

同時，模擬試驗過程中，據(jù)機調(diào)柜試驗觀察人員觀察，主配關(guān)閉后確實存在一次反彈后再關(guān)閉過程，主配處異響、油錘效應(yīng)等現(xiàn)象與機組實際甩75%額定負荷現(xiàn)象一致。

（3）原因分析

通過以上甩負荷試驗?zāi)M還原與分析，證明機組實際甩75%額定負荷時，確系導葉第1段關(guān)閉偏離設(shè)定的直線關(guān)閉規(guī)律，關(guān)閉時間過長導致機組轉(zhuǎn)速上升過快、甩負荷調(diào)節(jié)過程異常等一系列缺陷現(xiàn)象出現(xiàn)。分析造成該現(xiàn)象的具體成因為：

1）步進電機強關(guān)脈沖保持時間過長

當導葉開度大于空載開度時，在斷路器跳閘時刻，調(diào)節(jié)器會保持一定時間關(guān)方向的脈沖；若該脈沖保持時間過長，將導致步進電機往關(guān)方向旋轉(zhuǎn)越過極限位，從而被復中彈簧強行彈回中位。

2）步進電機驅(qū)動器啟動、停止電流設(shè)置過小

啟動電流過小會導致啟動轉(zhuǎn)矩過小，停止電流過小會導致保持力矩過小。

3）步進電機驅(qū)動器轉(zhuǎn)速或加速度設(shè)置過大

轉(zhuǎn)速過大或加速度過大會導致實際有效轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。

3.3 解決思路與相關(guān)參數(shù)、程序修改

消除該缺陷關(guān)鍵在于如何恢復導葉第1段關(guān)閉規(guī)律，讓機組在甩負荷過程中，導葉在3.5 s內(nèi)全速關(guān)至分段關(guān)閉拐點處，保證甩負荷控制成功。根據(jù)我廠步進電機式調(diào)速器組成結(jié)構(gòu)與工作原理，由驅(qū)動器、步進電機等共同組成的電-機轉(zhuǎn)換機構(gòu)的功能決定主配、導葉接力器的動作過程。

通過分析研究，決定對調(diào)速器步進電機驅(qū)動器參數(shù)、步進電機控制程序內(nèi)步進電機步幅進行修改。

（1）將步進電機驅(qū)動器相關(guān)參數(shù)進行適當調(diào)整

對驅(qū)動器上決定步進電機旋轉(zhuǎn)時扭力的“運行電流”及決定步進電機停止時扭力的“停止電流”參數(shù)進行適當調(diào)大，并對其他參數(shù)進行了適當調(diào)整，增大了電機的旋轉(zhuǎn)扭力，防止甩負荷時電機轉(zhuǎn)換機構(gòu)反彈。

（2）對調(diào)速器程序中步進電機限幅設(shè)置進行調(diào)整

如圖3所示，程序中300004為電機反饋的測量值，000511為電機旋轉(zhuǎn)的方向（常開點為開方向，常閉點為關(guān)方向），#3000為電機開方向最大值，#1000為電機關(guān)方向最大值，當檢測到發(fā)電機出口斷路器分的命令瞬間，電機強關(guān)到限幅的最低點（#1000），主配迅速往下壓。由于在主配已經(jīng)關(guān)到位的時候反饋測量值還沒有達到所設(shè)定的限制值，電機仍然會繼續(xù)向關(guān)方向旋轉(zhuǎn)。當000441（甩負荷標志位）延時結(jié)束時電機在復中彈簧的作用下返回，但此時頻率還沒有完全降下來，電機又一次向關(guān)方向轉(zhuǎn)動，所以就造成在甩負荷時主配反彈、然后再次向關(guān)機側(cè)移動?，F(xiàn)將電機關(guān)方向的極限值從原來的#1000修改為#1700，當有強關(guān)信號并且在主配關(guān)到位情況下電機轉(zhuǎn)角變小，減少過調(diào)現(xiàn)象，從而消除主配反彈現(xiàn)象。

3.4 試驗驗證

相關(guān)參數(shù)調(diào)整后多次模擬3號機甩負荷過程試驗，導葉接力器可在3.5 s內(nèi)關(guān)至分段關(guān)閉拐點，滿足原設(shè)計要求，實際甩75%負荷，導葉關(guān)閉規(guī)律正常，甩負荷試驗正常，見圖4、圖5。

圖3 調(diào)速器內(nèi)部程序圖

圖4 調(diào)整修改后模擬甩100%負荷導葉關(guān)閉曲線

圖5 實際甩75%負荷導葉關(guān)閉情況

4 結(jié)語

碗米坡電廠3號機組調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整后，水輪機導葉兩段關(guān)閉規(guī)律完全滿足機組設(shè)計要求，對于降低甩負荷轉(zhuǎn)速上升值作用明顯，能有效防止機組飛逸事故的發(fā)生。

本文的思想方法對步進電機+主配型式調(diào)速器導葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化與整定具有普遍的啟示與借鑒意義。