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摘要：调速系统是水电站发电机的重要组成部分，是水电站重要的控制系统之一。众所周知，调速系统在实际运转中，如出现故障问题，将会对水电站造成不可忽视影响，因而需要确保其正常有序的运行。文章结合工作经验，浅谈水电站调速系统基本原理、故障原因分析及对策探讨。抛砖引玉，以期对今后的工作开展有所帮助。
关键词：水电站；调速系统；故障原因；对策
调速系统作为水电站发电机的重要组成部分，在水电站中承担着开停、机，调节机组转速及机组负荷任务。水电站调速系统故障会直接影响到水电机组的安全运行，严重时将导致水轮发电机组停运、机组过速等事件发生，本文将对调速系统的常见故障及其原因、对策进行介绍。
1水电站微机型调速器系统概述
现在的微机型调速器在水电站中应用比较成熟。微机型调速器主要由微机型调节器、电液随动系统和油压装置3大部分组成。微机型调节器由双冗余的PCC（programmable computer controller可编程计算机控制器）、人机交互界面、双冗余的电源模块、双冗余的测频模块、双冗余的功率变送器、导叶反馈信号及继电器等附属设备组屏成调速器电气柜。由于双微机调速器为冗余配置，两个控制器互为热备用，每个微机模块除了自检之外，两机之间能互相通信及监视，当工作机发生严重故障时，主用和备用机可自行切换，保持继续运行。另外由于功率变送器、测频模块、导叶反馈模块均为双冗余配置，当其中一个反馈故障时，另一路反馈可正常工作，反馈信号的冗余配置大大提高了调速器工作的可靠性。微机调速器是可编程的控制器，其特点是控制策略的灵活性，实现各种控制策略的柔性很大。控制软件和人机交互界面的连接使其对调速器及机组的运行监视更加方便和可靠。电液随动系统由电磁阀、比例伺服阀、主配压阀、事故配压阀、缓冲装置等设备组成。由于比例私服阀具有结构精密、控制精度高、响应速度快、能适应连续及脉冲控制信号，在微机型调速系统中应用广泛，能大大提高调速系统的自动化程度和精度，使其能实现高精度的闭环控制功能。油压装置主要是用来给随动系统提供压力油源的设备，主要由压力油罐、安全阀、油泵、电机、回油箱、卸荷阀组、压力油双筒过滤器、油泵电机的控制、动力柜及其相关的压力、液位等自动化元件组成，能可靠地为液压回路提供压力油源。
2水电站调速系统的工作原理
水电站微机型调速系统工作原理是根据采集机组频率，导叶开度及机组负荷的变化同设定值相比较，根据其偏差进行PID计算后进行开关导叶，以控制机组的转速、负荷。微机型调速系统的控制是一个闭环控制系统。图1为南瑞改进型PID闭环控制系统原理图。图1左边的PID调节框图称为频率主环，BP为调差系数，空载时BP为零（BP为零的目的是因为要调整频率到目标值，这样开度需要一个宽泛的调整范围和速度性，如果BP设有一定的数值，如果过大会造成导叶调节不到位的情况），死区为零（因为是频率为控制对象，所以要控制极度精准，所以不能设有死区，如果有死区，即不能为之精准的目标值），PID调节参数采用空载参数；并网时，BP和死区为设定值，PID调节参数采用负载参数，功率一般都通过监控系统来调节，直接作用于导叶位置输出，导叶给定有三部分组成：Gv_Give=Pgv+Ynld+Ypid
Pgv为监控脉冲功率给定（内部折算出的导叶开度，是监控增减功过程中逐步叠加的一个导叶开度给定）；程序内部实现是以公式2进行： Pgv=Pgv+Trp/100 （公式2）
Ynld为空载开度；该空载开度为定值，每个水头下都对应一个相应的空载开度，以满足开机，空载控制需要。
Ypid为根据频差计算出的PID输出的开度。程序内部计算靠公式Ypid=Yp+Yd+int(Yi/20000) 计算
右边的PI调节框图称为导叶副环，它是通过软件来实现导叶闭环控制，最终控制输出的实际上是对应导叶偏差的增量信号。该信号经过DA（模数）转换后施加到电液转换器上。
根据其调速系统中的程序设置，从调速器收到开机令开始，若20秒内调速器未检测到机组频率，则调速器触摸屏内A、B机将报机频故障，；从调速收到开机令开始，若70秒内调速器未检测到机组频率大于95%Ne，即机组到空转，则调速器判断为开机失败，将自动关闭导叶。
从本次4号机组开机过程导叶开度曲线可看出， 4号机组导叶开度开启至7.21%用时21S，此时计算机监控系统报出调速器A机故障、调速器B机故障、调速器C机主用信号，之后调速器C机继续开启导叶，15:56:09.843计算机监控系统报<4号机组>机组转速=0%Ne复归，即计算机监控系统此时检测到机频信号，B机故障复归，调速器由C机主用切为B机主用，同时报出A机故障复归信号，之后机组开机过程正常。可判断本次开机过程中调速器报A机故障、B机故障信号是由于未及时检测到机组频率引起。
从导叶开度曲线和监控报文可看出15:56:00.720（监控系统向调速器发开机令后14秒）导叶开度才开启至0.78%，导叶动作比较缓慢。为进一步与正常开机过程进行对比，选取2013年3月17日4号机组远方自动开机和4月14日1号机组远方自动开机过程进行分析比较。2013年3月17日4号机组从计算机监控系统向调速器发开机令到调速器检测到机组频率用时约13秒，此次4号机组开机前调速器油压装置压力为5.87MPa。4月14日1号机组，从计算机监控系统向调速器发开机令到检测到机组频率用时18秒，此次1号机组开机前调速器油压装置压力为6.23MPa。通过与以上两次正常开机过程对比可发现：（1）开机过程中只要调速器油压装置压力罐压力在正常工作范围，对调速器开停机无明显影响；（2）机组开机过程中导叶开度开至10%左右时调速器检测到机频信号；（3）4号机组开机过程比其它机组慢。
图2：接力器结构图
检查过程及原因分析，根据功果桥电站主配及接力器结构分析，能调节和影响机组开机时间的装置有主配开机时间调节螺母、接力器缓冲装置节流阀调节螺杆。从接力器结构（见图2）可以看出导叶从0%开度到2%开度时接力器的油均要经过节流阀，判断出4号机组导叶刚开始开启速度较慢的原因为节流阀阀芯位置下落所致。经检查在停机状态下主配左侧开机时间调节螺母间隙为4. 5mm，右侧间隙为4.5mm，且左侧开机时间调节螺母有松动迹象。检查接力器缓冲装置节流阀螺杆发现有松动迹象，因之前也未对接力器缓冲装置节流阀螺杆位置进行标记，无对其法进行对比。根据检查结果判断接力器节流阀螺杆下落是导致此次4号机组开机速度慢报出A机故障、B机故障的原因。
处理方法：将接力器缓冲装置节流阀螺杆上调2mm后，开机过程正常，调速器从收到开机令到机组检测到转速用时16S。
4 结论
综上所述，在水电站日益发展的今天，水电站的调速系统自动化与智能化程度越来越高，调速器的调节性能与调节精度也越来越高，调速系统中自动化元器件及传感器的可靠性直接影响调速系统的稳定运行。在机组出现开机速度过慢的现象时，要重点要检查主配开关机时间螺母的位置、有缓冲装置的接力器还要检查调节螺杆得位置是否发生变化，并根据其变化做出相应调节。为防止类似故障，应重点检查对调速器调节性能起重要作用调节机构、反馈信号、重要参数设置的正确性，并做好防止其调节机构松动、反馈信号断线、或参数丢失等的措施。并根据检修试验结果对主配开关机时间调节螺母、紧急停机时间调节螺母做好标记，对程序、参数做好备份，并定期检查主配开关机时间调节螺母、紧急停机时间调节螺母是否松动。
参考文献：
[1] 周泰经、吴应文.水电机调速器实用技术.中国水利水电出版社,2010.08
[2] 蔡燕生.水轮机调节.黄河水利出版社,2003
论文作者:程坤
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/10
标签：调速器论文; 机组论文; 水电站论文; 系统论文; 微机论文; 故障论文; 节流阀论文; 《电力设备》2017年第36期论文;