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.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530023）

那吉航運樞紐位于廣西百色市田陽縣那坡鎮(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，是一座以航運為主、發(fā)電為輔的水資源綜合利用工程。樞紐電站共安裝了3臺單機容量為22 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，機組額定水頭11 m，額定流量220 m3/s，電站采用武漢能事達(dá)公司生產(chǎn)的交流伺服電機自復(fù)中式微機調(diào)速器，額定油壓6.3 MPa。由于2#水輪機調(diào)速器在機組運行過程中，多次發(fā)生運行工況突然切至“手動”模式運行的故障現(xiàn)象，因此分析了故障原因，通過軟件技術(shù)措施排查和消除了機組安全運行隱患，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#機組正在運行中，中控室機組監(jiān)控事件窗口表突報“2#機組調(diào)速器事故”、“2#機組調(diào)速器電氣柜故障”信號，2#機組調(diào)速器監(jiān)視畫面中指示機組調(diào)速器的導(dǎo)葉、槳葉均為“手動”模式運行，運行人員現(xiàn)地檢查調(diào)速器電氣柜，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器已由正常運行時的“自動”模式切至了“手動”模式，調(diào)速器電氣柜上故障報警燈亮，但是調(diào)速器觸摸屏上卻沒有故障報警信號和當(dāng)時的歷史故障報警記錄。值班人員檢查發(fā)現(xiàn)無異常后，現(xiàn)地將調(diào)速器切回“自動”模式后，調(diào)速器恢復(fù)正常運行狀態(tài)，可根據(jù)機組頻率的變化自動調(diào)整機組的出力。

1.2 故障影響

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

上述故障發(fā)生后，未經(jīng)全面排查而由運行人員現(xiàn)場將調(diào)速器切回“自動”模式恢復(fù)了機組的正常運行，其后近一個月時間內(nèi)，電站2#機組又多次在運行過程中發(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)速器使用說明書及運行維護(hù)經(jīng)驗，電站機組調(diào)速器系統(tǒng)出現(xiàn)故障時會一直保持故障報警狀態(tài)，故障消失后會自動復(fù)歸報警信號，同時調(diào)速器觸摸屏?xí)詣颖４婀收闲畔?，方便運行值班人員查閱。

但前述機組運行過程中調(diào)速器因故障原因由“手動”模式切至“自動”模式，待運行人員發(fā)現(xiàn)故障到現(xiàn)場檢查時，故障信號已經(jīng)消失，調(diào)速器觸摸屏上沒有發(fā)現(xiàn)故障報警信號和當(dāng)時的歷史故障報警記錄，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”模式運行。

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，接受機組LCU（現(xiàn)地控制單元）輸入的控制指令和位置信號，運行維護(hù)人員通過人機界面（實物為觸摸屏）輸入的整定調(diào)節(jié)參數(shù)以及機組頻率信號、電網(wǎng)頻率信號、電站水頭信號、機組功率信號、導(dǎo)葉開度信號、槳葉開度信號等，PLC按照預(yù)定的程序?qū)斎胄盘栠M(jìn)行采集、分析、PID計算后，輸出導(dǎo)葉及槳葉控制信號經(jīng)電液轉(zhuǎn)換并放大后，通過接力器實現(xiàn)對導(dǎo)葉和槳葉開度的調(diào)節(jié)控制，同時通過調(diào)速器柜上的儀表顯示導(dǎo)葉、槳葉開度、機組頻率，通過接口向機組LCU發(fā)送事故、故障及手動/自動信號。

圖1 微機調(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)電氣或門電路后轉(zhuǎn)成一路5 V直流電源供給測頻回路，一路24 V電源供給PLC以及傳感器、驅(qū)動器和人機界面。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)速器的運行模式確實發(fā)生了改變，機組LCU能正確收到PLC經(jīng)過開關(guān)量接口送過來的調(diào)速器由“自動”轉(zhuǎn)為“手動”運行模式的信號，但是觸摸屏中卻沒有故障報警信號和當(dāng)時的歷史故障報警記錄。結(jié)合故障現(xiàn)象及圖1對故障的原因進(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自動重啟，程序初始化置調(diào)速器為“手動”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)生瞬間掉電再自動恢復(fù)時，PLC會按上電初始化流程會將調(diào)速器的模式自動切至“手動”模式，這樣的流程設(shè)計是綜合考慮機組在運行過程中，確有可能發(fā)生掉電的情況，在此故障情況下，按保證機組安全第一的原則，希望機組能穩(wěn)定在故障前的運行狀態(tài)。調(diào)速器機械液壓部分采用了自復(fù)中的結(jié)構(gòu)及手/自動無擾動切換的設(shè)計。自復(fù)中結(jié)構(gòu)可保證PLC在沒有PID控制信號輸出時，機械液壓系統(tǒng)不會動作；手/自動無擾動切換的設(shè)計，可保證在“自動”模式中，“手動”模式的導(dǎo)葉開度給定值跟隨當(dāng)前導(dǎo)葉開度值變化，當(dāng)調(diào)速器切至“手動”模式時，機組導(dǎo)葉開度不會發(fā)生突變，從而實現(xiàn)無擾動切換。

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，將會引起調(diào)速器PLC的冷啟動，在PLC的初始化過程中，將調(diào)速器置為“手動”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)葉傳感器反饋信號異常致調(diào)速器置“手動”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)葉開度的檢測元件安裝于導(dǎo)葉接力器上，其輸出的4~20 mA導(dǎo)葉開度值信號直接輸入至調(diào)速器PLC模擬量輸入端口，由PLC完成導(dǎo)葉開度的采樣檢測和處理。圖3為導(dǎo)葉反饋故障判斷流程。

由于導(dǎo)葉接力器的實際行程小于位移傳感器的行程，在調(diào)速器安裝調(diào)試過程中，已經(jīng)測出導(dǎo)葉全關(guān)和全開時所對應(yīng)的位移傳感器輸出電流值及對應(yīng)的PLC采樣值，并作為導(dǎo)葉開度異常報警的上下限值。在圖3的流程中，PLC在采樣到導(dǎo)葉開度值后，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)葉開度值超出正常的上下限范圍則說明導(dǎo)葉開度反饋值檢測異常，不能作為機組調(diào)節(jié)控制的依據(jù)，此時應(yīng)進(jìn)行故障報警并將調(diào)速器切至“手動”模式將機組穩(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）首先對導(dǎo)葉傳感器的反饋信號進(jìn)行了檢查，在機組停機并做好安全措施的狀態(tài)下，手動操作導(dǎo)葉自全關(guān)至全開再至全關(guān)，導(dǎo)葉開度的反饋信號值均在正常范圍內(nèi)并且沒有突變現(xiàn)象。當(dāng)檢修人員拆開導(dǎo)葉傳感器的接線時，調(diào)速器有報警聲，觸摸屏上有“導(dǎo)葉反饋故障”信號和“請檢查導(dǎo)葉傳感器或接線”的提示信息，調(diào)速器由“自動”模式切至“手動”模式，在恢復(fù)接線后，故障信號消失。

（2）在機組停機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實現(xiàn)了冷啟動，調(diào)速器切至“手動”模式，但觸摸屏也因重新上電而進(jìn)入到初始化界面，并需要人為點擊操作后才能轉(zhuǎn)入正常運行畫面。

（3）對調(diào)速器電氣柜內(nèi)的繼電器電阻值、動作值進(jìn)行了檢查試驗，未發(fā)現(xiàn)問題。

（4）對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，沒有明顯的波動現(xiàn)象。

（5）檢查了調(diào)速器所有外部連接電纜的絕緣，沒有發(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)線接頭進(jìn)行了必要處理，但故障仍然時有發(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自動重啟而將調(diào)速器置為“手動”模式的可能性不大，調(diào)速器導(dǎo)葉傳感器反饋信號異常故障雖不能完全排除但也無法確認(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（4~20 mA）電纜與勵磁系統(tǒng)等強電電纜安放在同一電纜槽內(nèi)，因此懷疑電纜槽內(nèi)的強電干擾信號引起導(dǎo)葉開度反饋數(shù)值超過設(shè)定的上下限范圍，當(dāng)PLC按圖3流程進(jìn)行判斷時發(fā)現(xiàn)開度超出正常范圍而報警且將調(diào)速器置“手動”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)的干擾信號可能還沒來得及傳送即消失，所以在故障發(fā)生時，觸摸屏就沒有收到故障報警信號。

基于以上分析，為徹底排查調(diào)速器的此類故障，決定對調(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延時程序，在對采樣值進(jìn)行判斷發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度反饋值超出正常范圍時，啟動500 ms定時器，如故障信號保持500 ms以上，則報導(dǎo)葉反饋故障并將調(diào)速器置“手動”模式，從而實現(xiàn)對干擾信號及瞬間故障信號的過濾。程序修改部分如下：

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

IF%M300 THEN（*如達(dá)到報警條件，啟動計時器，否則停止計時器*）

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的時間，報導(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

在2#機組調(diào)速器運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#機組調(diào)速器PLC的程序也進(jìn)行了相應(yīng)修改，3臺機組至今未發(fā)生同樣故障，說明了導(dǎo)葉反饋信號受到干擾是造成故障的根本原因。通過以上故障的分析和處理，建議設(shè)計單位和設(shè)備生產(chǎn)廠家，在進(jìn)行類似產(chǎn)品和回路設(shè)計時，必須充分考慮兩個問題：一是對模擬量的信號處理要更加嚴(yán)謹(jǐn)，充分滿足安全性、可靠性和穩(wěn)定性的需要；二是弱電信號電纜要避免與強電電纜放在同一條電纜溝或電纜槽內(nèi)，做好弱電信號的屏蔽和抗干擾措施，防止同類故障的發(fā)生。

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

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