盧舟鑫，王子軍，楊正超

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

某水電站機組調速器電氣部分采用雙套奧地利貝加萊公司生產(chǎn)的32位可編程計算機控制器（PCC）組成不同控制結構的獨立雙通道控制系統(tǒng)。該調速系統(tǒng)液壓執(zhí)行元件的結構組成采用了比例閥+步進電機的非對稱式結構，調速器控制方式包括：調速器自動、調速器電手動、調速器開環(huán)機手動運行方式。[1]

在比例閥自動運行工況時，比例閥是輸出信號壓力油的主要元件，控制主配壓閥活塞運動輸出壓力能，來操縱接力器。在步進電機自動運行工況時，電機的旋轉運動轉換為機械的直線位移輸出，驅動引導閥上下運動，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。處于優(yōu)先位置的緊急停機閥，可保證機組在緊急狀態(tài)下，安全可靠關機，當調速器交、直流電源發(fā)生故障時，步進電機直線位移轉換器能保證主配壓閥自復中，維持水輪機導葉在故障前的位置，并可使用純機手動安全停機。[4-6]

1 調速器電液隨動系統(tǒng)故障判斷

本文基于某水電站為例進行說明，該水電站調速系統(tǒng)設計時，將調速器故障分為兩大類，一類為調速器一般故障，一類為調速器嚴重故障，其中調速器嚴重故障會導致調速器A/B套控制系統(tǒng)切機或調速器切機手動保持導葉當前位置。調速器嚴重故障又由兩類故障組成，一類為導葉側大故障，一類為機組頻率故障，其中導葉側大故障分類圖如圖1所示。

圖1 導葉側大故障分類Figure 1 Classification of major faults on the vane side

傳感器故障判斷一般由越限判斷和跳變判斷組成。對于4～20mA模擬量通道，通過設定模擬量通道采樣碼值的上下限值進行越限報警判斷，設定相鄰采樣周期采樣碼值的門檻值，且跳變次數(shù)在設定時間內(nèi)累計達到設定值以上，則報傳感器跳變故障。

步進電機故障判斷基于步進電機驅動器的內(nèi)部邏輯判斷進行報警，比例閥故障由閾值比較延時后進行判斷，即控制信號與反饋信號差值過大，且延時設定值后進行故障報警。

主接和輔接液壓故障判斷邏輯由閾值和速動性兩者相與組成，即（導葉調節(jié)的差值>給定值）且（導葉開度相鄰2個周期差值<給定值）延時后進行報警，（輔接調節(jié)的差值>給定值）且（輔接開度相鄰2個周期差值<給定值）延時后進行報警。

基于以上故障判斷邏輯，調速系統(tǒng)的各項功能都由調速器故障監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)不斷地進行監(jiān)測，一旦檢測到上述嚴重故障后，調速器立即切至備機或機手動運行運行，監(jiān)測系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，并給出故障信息。[2-3]

2 調速器液壓隨動故障原因分析及處理

2.1 調速器主接跟隨故障原因分析及處理

2.1.1 故障現(xiàn)象及邏輯分析

某水電站7號機組在減負荷停機過程中，報調速器雙套主接跟隨故障，調速器立即切機手動方式運行。經(jīng)查詢歷史事件可知，故障發(fā)生前導葉開度為62%，由于三段關閉閥安裝于調速器開機側回路，經(jīng)后續(xù)負荷調整現(xiàn)場試驗錄波波形可知，該故障可初步判斷為機組停機過程中接力器行程進入第二段關閉點后由于接力器開腔回油不暢造成，負荷調整錄波過程如圖2和圖3所示。

（1）A機比例閥控制方式主用，當前水頭為85.26m，負荷由350MW減至300MW，起始導葉開度為55%，錄波曲線如圖2所示。

圖2 負荷350MW減至300MW過程PID主接給定與主接反饋錄波圖Figure 2 Recording diagram of PID main setpoint and main feedback during load reduction from 350MW to 300MW

由錄波曲線可知：PID主接給定與主接反饋的最大偏差為3.27%。

（2）B機步進電機控制方式主用，當前水頭為85.26m，負荷由430MW減至330MW，起始導葉開度為65%，錄波曲線如圖3所示。

圖3 負荷430MW減至300MW過程PID主接給定與主接反饋錄波圖Figure 3 Recording diagram of PID main setpoint and main feedback during load reduction from 430MW to 300MW

由錄波曲線可知：PID主接給定與主接反饋的最大偏差為3.86%。

在調速器控制器程序中，對主接跟隨故障的判斷邏輯為：當導葉開度大于10%時，導葉開度反饋值Y與開度給定值Ypid計算值之差大于3%，且接力器運動速度小于5%/s，并延時3s以上。通過上述錄波過程曲線，驗證了主接跟隨故障判斷邏輯的準確性，故障發(fā)生后維護人員現(xiàn)場檢查現(xiàn)地傳感器顯示無異常，即無斷線越限故障報警。由主接跟隨故障的產(chǎn)生區(qū)間判斷，該故障點可初步定位于二段關閉區(qū)間。

2.1.2 原因分析及處理方法

維護人員利用7F停機檢修的機會對調速液壓系統(tǒng)進行了分析驗證錄波試驗，具體試驗步驟如下：

（1）電手動開導葉至62%開度，保持10min，投緊停進行關閉規(guī)律試驗，錄制導葉關閉波形，分析二段關閉速率。

（2）電手動開導葉至100%開度，保持10min，投緊停進行關閉規(guī)律試驗，錄制導葉關閉波形，分析二段關閉速率。

（3）電手動開導葉至100%開度，不保持，投緊停進行關閉規(guī)律試驗，錄制導葉關閉波形，分析二段關閉速率。

（4）電手動開導葉至62%開度，保持1h，投緊停進行關閉規(guī)律試驗，錄制波形，分析二段關閉速率。錄波試驗結果如表1所示。

表1 二段關閉速率分析表 （分段關閉裝置調整前）Table 1 Two-stage shutdown rate analysis table（before adjustment of staged shutdown device）

由表1可知，當導葉開度處于第一個拐點以上且保持的時間越長時，導葉關閉后第二段關閉時間就越長?；谠摻Y論可初步驗證導葉進入第二段關閉后接力器開腔回油被分段關閉閥二段插裝閥過度節(jié)流所致進而造成主接跟隨故障的判斷。現(xiàn)場對分段關閉閥進行調節(jié)，調節(jié)步驟如下：用深度尺測量分段關閉閥二段插裝閥上限位螺桿露出閥體部分的高度；旋開二段閥下部控制油堵絲進行排油，松開上限位桿背帽，順時針旋緊上限位螺桿，對二段插裝閥進行限位；用深度尺測量上限位螺桿露出閥體部分的高度；對比兩次高度差計算旋入深度。經(jīng)過計算，限位桿向下旋入3.3mm。分段關閉裝置結構圖如圖4所示。

圖4 分段關閉裝置結構圖Figure 4 Structure diagram of the section closing device

分段關閉裝置處理完畢后重復上述試驗步驟，進行三段關閉錄波，其試驗錄波結果如表2所示。

表2 二段關閉速率分析表（分段關閉裝置調整后）Table 2 Two-stage closing rate analysis table（after adjusting the stage closing device）

由表2可知，如圖4當旋緊閥芯上限位桿后，導葉二段關閉時間，62%開度至全關后第二段關閉時間從14.57s降低到10.91s，100%開度至全關第二段關閉時間從14.59s降低到10.94s，恢復到正常水平。該結果最終驗證了分段關閉閥二段插裝閥在無壓靜置時，由于閥芯下部彈簧頂托作用并伴隨油液從閥芯與閥座間隙滲入閥芯下部，導致閥芯抬高，從而引起導葉進入二段關閉后主接開腔回油被二段閥過度節(jié)流的故障判斷。二段閥芯靜置時間越長，滲油越充分，閥芯節(jié)流效果越顯著，二段關閉時間也會越長。通過處理前后試驗數(shù)據(jù)分析可知，停機過程中主接跟隨故障原因基本確定為導葉進入第二段關閉后接力器開腔回油被分段關閉閥二段插裝閥過度節(jié)流所致。分段關閉裝置經(jīng)調整后，該機組調速器電液隨動系統(tǒng)至今為止運行穩(wěn)定，再未發(fā)生過主接跟隨故障現(xiàn)象。

2.2 比例閥跟隨故障原因分析及處理

2.2.1 故障現(xiàn)象及邏輯分析

某水電站8號機組在進行負荷調整過程中，負荷由578.33MW調整至628.00MW后，監(jiān)控系統(tǒng)收到A套調速器停機報警，調速器切B套步進電機控制方式運行，現(xiàn)地觸摸屏報A套比例閥跟隨故障。隨后維護人員趕赴現(xiàn)場，查看調速器主配壓閥行程壓板及引導閥等設備，在B套步進電機主用時引導閥及行程壓板動作正常，無卡阻情況。

調速器控制器程序中，比例閥跟隨故障的判斷邏輯為：比例閥閥芯給定值與反饋值的差值大于10%，且持續(xù)時間超過1s。調速器的主配跟隨故障判據(jù)為：主配閥芯給定值與反饋值的差值大于90%，且主配閥芯運動速度小于3%/s，并延時5s以上。維護人員現(xiàn)場查看觸摸屏歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，6時52分20秒時，調速器接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的有功調節(jié)指令，調速器開度給定Ypid值開始上升，6時52分21秒時，開度給定Ypid值上升至60%，而此時導葉開度Y一直保持在57.54%，未進行調節(jié)，6時52分22秒，調速器切B機步進電機控制方式主用，開度給定Ypid值跟隨當前導葉開度值57.54%。在6時52分20秒至21秒的這1s時間之內(nèi)，調速器開度給定Ypid值持續(xù)上升，而導葉開度Y維持不變，由此可判斷調速器的主配閥芯未動作，即調速器比例閥故障或主配閥芯出現(xiàn)了卡澀現(xiàn)象。調速器切至B套步進電機運行方式運行后，監(jiān)控負荷調整時液壓隨動裝置動作正常，即排除因主配閥芯卡澀而引起的比例閥跟隨故障。

2.2.2 原因分析及處理方法

因比例閥的抗油污能力較差，固初步判斷導致比例閥跟隨故障的原因為液壓系統(tǒng)油樣異常，利用8F機組停機檢修的機會對調速系統(tǒng)進行了相關油樣分析及錄波試驗。試驗方法如下：調速器液壓系統(tǒng)處于運行態(tài)，調速器切電手動，進行比例閥閥芯動作平衡點調整，將比例閥與油泵試驗臺連接，比例閥安裝在過渡板上，通過現(xiàn)地觸摸屏中開放的比例閥零點補償值進行比例閥給定信號調整，當比例閥零點補償值調整到位后，平視觀察比例閥兩側出口油流速度一致，此調整值即判定為比例閥靜態(tài)平衡零點值。因調速器控制程序中通常設計有對稱振蕩電流信號，此振蕩信號用以克服比例閥的動作死區(qū)，防止比例閥卡澀，通過調整比例閥零點補償值，觀察比例閥震蕩給定及反饋值，進而判定比例閥的動作性能。[7]

油樣化驗結果如圖5所示，數(shù)值均滿足液壓系統(tǒng)透平油要求，油樣顆粒度為7級，檢修前的油質從油罐底部可以看出油罐底部沉積物較少，無黑色顆粒物，油品中油泥成分較少。在發(fā)生比例閥跟隨故時，主配壓閥過濾器壓差傳感器均未報警，未出現(xiàn)濾芯堵塞情況。其中過濾器單個濾芯納污量為33.1g，在壓差值為0.5MPa時，過濾器的通流量可達150L/min左右，完全滿足主配壓閥控制油供油問題，不會因為控制油供油不足導致比例閥動作不到位的情況，基于以上分析可排除因液壓油內(nèi)雜質引起的比例閥卡澀現(xiàn)象。

圖5 液壓油油樣化驗結果Figure 5 Test results of hydraulic oil samples

為了驗證比例閥本體的工作性能，隨即進行同型號比例閥的性能對比試驗，對兩套比例閥分別進行在線錄波試驗。其中，比例閥的型號為4WRPEH 10 C3B100L-2X/G24K0/F1M。通過調整比例閥零點補償值，使兩套比例閥閥芯工作在同一平衡位置，在相同比例閥零點下的比例閥震蕩跟隨動作試驗錄波波形如圖6～圖9所示。

圖6 比例閥零點補償值為3.6時的錄波曲線（舊比例閥）Figure 6 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 3.6 （old proportional valve）

圖7 比例閥零點補償值為3.6時的錄波曲線（新比例閥）Figure 7 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 3.6 （new proportional valve）

圖8 比例閥零點補償值為5時的錄波曲線（舊比例閥）Figure 8 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 5 （old proportional valve）

由圖6和圖8可知，舊比例閥的震蕩跟隨試驗中，比例閥給定信號動作后，比例閥反饋信號波形極不規(guī)則，比例閥閥芯反饋會有一個反向波動的過程，由于該波動將導致在一定時間內(nèi)比例閥給定與反饋值會產(chǎn)生一個差值，進而導致跟隨故障的發(fā)生。由圖7和圖9可知，新比例閥的震蕩跟隨試驗中，比例閥給定信號動作后，比例閥反饋信號動作正常，且波形平滑無毛刺。[8]

基于以上分析可以判斷，比例閥跟隨故障的原因為比例閥本體性能下降所致，現(xiàn)場更換新比例閥備件后，該機組調速器電液隨動系統(tǒng)至今為止運行穩(wěn)定，均未發(fā)生過比例閥跟隨故障現(xiàn)象，調速器電液隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需根據(jù)調整情況和機組運行情況做進一步的跟蹤。

3 結束語

在水電站機組控制系統(tǒng)中，調速器是極其重要的執(zhí)行環(huán)節(jié)，調速器的可靠運行直接影響電站和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。本文通過對幾起典型調速器液壓隨動故障的案例分析，充分體現(xiàn)了調速器液壓隨動系統(tǒng)自判斷功能的重要性，通過著手調速器液壓隨動系統(tǒng)的故障判斷分類、故障原理分析及故障試驗錄波三方面，找到了調速器液壓隨動系統(tǒng)故障相應的解決辦法，可以幫助維護人員及時正確地判斷和處理調速器的各類隨動故障，有效減少調速器故障所帶來的損失，保障發(fā)電機組安全可靠運行。

圖9 比例閥零點補償值為5時的錄波曲線（新比例閥）Figure 9 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 5 （new proportional valve）