李剛 王浩 常東亮 姜沛東

摘要：本文分析了抽水蓄能電站單導(dǎo)葉非同步故障模式，詳細(xì)分析了單導(dǎo)葉非同步故障的影響，驗證了單導(dǎo)葉非同步故障模式在短時運行的可行性，為進(jìn)一步提高抽水蓄能電站保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;單導(dǎo)葉;非同步故障模式

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量120萬千瓦，是一座日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站本機(jī)組，電站位于省電網(wǎng)負(fù)荷中心，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。電站在國家電網(wǎng)1000千伏特高壓交流示范擴(kuò)建工程大負(fù)荷試驗、小浪底調(diào)水調(diào)沙、重大保電任務(wù)及河南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行中發(fā)揮著重要作用。電站導(dǎo)葉采用20個單導(dǎo)葉接力器，當(dāng)單個導(dǎo)葉非同步時，設(shè)置為偏置3%報警，偏置5%停機(jī)，由于導(dǎo)葉數(shù)量多，故障率相應(yīng)提高，為機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)，不利于發(fā)揮抽水蓄能電站調(diào)峰填谷、事故備用等任務(wù)的執(zhí)行。因此分析單導(dǎo)葉非同步故障模式，通過驗證機(jī)組在單導(dǎo)葉非同步故障運行時，是否具備為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行爭取更多處理時間的可能。

一、單導(dǎo)葉調(diào)速器的控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)某抽水蓄能電站機(jī)組，單導(dǎo)葉調(diào)速器控制系統(tǒng)主要2個控制器（UPC）和20個導(dǎo)葉控制卡件（SPC）以及液壓隨動系統(tǒng)?？刂破靼║PC（N）和UPC（S），遠(yuǎn)程終端單元向UPC（N）和UPC（S）傳送負(fù)荷控制信號，二者轉(zhuǎn)化負(fù)荷信號為開度信號，再向SPC傳遞信號，SPC不僅負(fù)責(zé)接受導(dǎo)葉的開度信號，同時還負(fù)責(zé)接受導(dǎo)葉位置信號。如果某一個導(dǎo)葉開度值超過了標(biāo)準(zhǔn)范圍，SPC即可上送報警信號給UPC，促使機(jī)組跳閘。

SPC同時作為電流放大卡件，利用控制算法計算之后控制伺服線圈電流，進(jìn)而驅(qū)動伺服閥工作運行。SPC控制工作時發(fā)出周期性的方波，在避免閥芯卡澀同時保證了伺服閥的響應(yīng)靈敏。

在伺服線圈電磁力與閥芯對側(cè)彈簧的共同作用力下，促使伺服閥芯改變供油口和排油口的通路，因此改變導(dǎo)葉接力器的開啟腔和關(guān)閉腔的壓力。如果開啟腔壓力比較大，將會驅(qū)動導(dǎo)葉接力器開啟導(dǎo)葉，如果關(guān)閉腔壓力比較大，導(dǎo)葉接力器可以驅(qū)動關(guān)閉導(dǎo)葉。導(dǎo)葉開度的變化，改變了轉(zhuǎn)輪的進(jìn)（出）水量，因此控制機(jī)組運行功率。在導(dǎo)葉接力器的頂部直接連接導(dǎo)葉位置傳感器，可以將導(dǎo)葉開度值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬量電流信號反饋至SPC。

二、單導(dǎo)葉非同步故障模式運行試驗

結(jié)合該電站單導(dǎo)葉調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)，任何原因引起的SPC故障都會引發(fā)單導(dǎo)葉關(guān)閉或全開，導(dǎo)致非同步故障，由于20個導(dǎo)葉共配置20個SPC，故大大增加了SPC故障引起的跳機(jī)風(fēng)險，因此需要系統(tǒng)性的分析單導(dǎo)葉非同步故障模式運行時對機(jī)組的影響。因此提出進(jìn)行單導(dǎo)葉非同步故障模擬試驗，通過試驗結(jié)果驗證機(jī)組在單導(dǎo)葉非同步故障運行時，是否具備為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行爭取更多處理時間的可能。

（一）試驗方案

試驗?zāi)康氖窃趩蝹€導(dǎo)葉故障模式下，保持機(jī)組運行5分鐘，即機(jī)組在一個導(dǎo)葉關(guān)閉或全開，而其它導(dǎo)葉正常開啟的時候（單導(dǎo)葉非同步），機(jī)組運行一段時間。從而給開啟另一臺機(jī)組足夠的時間，以防止意外停機(jī)。

所有試驗都在熱穩(wěn)定后進(jìn)行。首先記錄機(jī)組正常工況動態(tài)特性，以此與故障模式對比。水輪機(jī)工況對于每個出力，首先記錄機(jī)組在正常運行下的動態(tài)性能數(shù)據(jù)，然后改變2號導(dǎo)葉的開度偏置±5%和全開、全關(guān)，記錄機(jī)組在2號導(dǎo)葉偏置±5%和全開、全關(guān)情況下的動態(tài)性能數(shù)據(jù)。抽水工況也分別在高水頭與低水頭進(jìn)行正常模式和故障模式試驗，記錄動態(tài)性能數(shù)據(jù)。

（二）傳感器安裝

水力測量傳感器：所有7個壓力傳感器，型號PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA，測量范圍10MPa，在安裝前已標(biāo)定。使用1個差壓傳感器測量差壓流量。（上、下游壓力傳感器，蝸殼壓力傳感器，尾水壓力傳感器，2個無葉區(qū)和1個上冠壓力傳感器，1個差壓傳感器）。

加速度計和距離傳感器及應(yīng)變片：2個非接觸式傳感器TELEMECANIQUE XS4，測量水導(dǎo)擺度，并在試驗前用進(jìn)行了標(biāo)定。7個PCB加速度計測量振動，并在試驗前標(biāo)定。測量點包括：水導(dǎo)擺度，水導(dǎo)徑向振動，1、2、3號導(dǎo)葉徑向振動，頂蓋垂直振動。在1、2、3號導(dǎo)葉安裝全橋應(yīng)變片，并在每次試驗前調(diào)零。應(yīng)變片安裝在接力器和導(dǎo)葉耳軸連接臂處。

導(dǎo)葉壓力和速度傳感器：型號PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA的壓力傳感器，測量范圍10MPa，安裝前已標(biāo)定，安裝在2、3號導(dǎo)葉開關(guān)腔。使用TELEMECANIQUE XS4速度傳感器通過鍵向塊測量轉(zhuǎn)速。

記錄儀使用一臺OROS，以及相應(yīng)軟件NVGate8.30，正常模式采樣2分鐘，故障模式采樣5分鐘。分析使用DYNAMX 10.1.1。壓力以及差壓傳感器使用DRUCK DPI 620標(biāo)定，擺度使用塞尺標(biāo)定，加速度計使用PCB 394C06標(biāo)定，導(dǎo)葉扭矩在試驗中進(jìn)行標(biāo)定。

三、單導(dǎo)葉非同步故障模式運行試驗結(jié)果分析

動態(tài)測量分為，正常工況測量和故障工況測量。

擺度在兩種工況下的峰峰值基本沒有變化;

振動速度信號取振動速度有效值，兩種工況下對振動的影響不大;

兩種工況下的壓力脈動變化值很小;

非同步導(dǎo)葉，偏置模式下的扭矩波動大于正常模式下的扭矩波動。 但兩工況下的峰峰值為相同的數(shù)量級。

基于以上結(jié)論，機(jī)組故障模式（單導(dǎo)葉非同步）在限定時間內(nèi)可以運行（假設(shè)此事件每次缺陷發(fā)生的時間少于5分鐘）故驗證故障工況運行5分鐘的動態(tài)特性在可接受范圍之內(nèi)，短期操作可行。

結(jié)束語：

單導(dǎo)葉非同步故障關(guān)系到抽水蓄能機(jī)組運行的穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而影響到所屬電網(wǎng)的穩(wěn)定性與安全性，因此進(jìn)行單導(dǎo)葉非同步故障模式運行試驗并進(jìn)行結(jié)果分析，不僅對單導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)調(diào)速器，而且對控制環(huán)導(dǎo)葉控制器都具有借鑒意義。為電網(wǎng)調(diào)度值班員在機(jī)組故障模式下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移和應(yīng)急處理提供了寶貴時間。