小巖頭水電站調(diào)速器非周期性抽動(dòng)原因分析及處理

1電站概況

小巖頭水電站位于金沙江一級(jí)支流牛欄江中下游河段,地處云貴兩省三縣交匯之地,左岸為云南省會(huì)澤縣,右岸分屬云南省魯?shù)榭h、貴州省威寧縣。牛欄江水力資源豐富,小巖頭水電站是牛欄江水電開發(fā)規(guī)劃的第四級(jí)電站,壩址以上控制流域面積達(dá)11440km2。以發(fā)電為主,水電站總裝機(jī)容量130Mw,安裝有3臺(tái)單機(jī)容量為43.33Mw的立軸式水輪發(fā)電機(jī)組,額定水頭69m,單機(jī)額定流量70.61m3/s,多年平均發(fā)電量5.39億kwh,年利用小時(shí)數(shù)4017h。電站采用220kV單母線接線形式,一回220kV線路與貴州電網(wǎng)相連。水電站多年平均氣溫12℃,最高氣溫32.9℃,極端最低氣溫-11.5℃,最低水溫5℃,多年平均相對(duì)濕度77%。

廠房發(fā)電機(jī)層高程為1206.415m,導(dǎo)水葉中心線高程為1196.00m,轉(zhuǎn)輪直徑2.9m,額定轉(zhuǎn)速214.3r/min,采用可編程雙微機(jī)雙通道冗余的調(diào)速器系統(tǒng)。

2機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)

小巖頭水電站機(jī)組在投產(chǎn)試驗(yàn)階段,按照投產(chǎn)規(guī)程規(guī)范要求及電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)電站試驗(yàn)要求,對(duì)機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)進(jìn)行了擾動(dòng)試驗(yàn)、機(jī)組靜特性試驗(yàn)、機(jī)組調(diào)速器建模、機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)、機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)、機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)等與機(jī)組和電網(wǎng)穩(wěn)定有關(guān)的第三方試驗(yàn)單位的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果完全滿足水輪發(fā)電機(jī)組的國(guó)家規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,機(jī)組運(yùn)行一切正常,運(yùn)行過程中未發(fā)現(xiàn)問題。機(jī)組手動(dòng)開機(jī)、自動(dòng)開機(jī)功能正常,增/減負(fù)荷調(diào)整正常,事故停機(jī)、緊急事故停機(jī)等機(jī)組調(diào)節(jié)正常,機(jī)組轉(zhuǎn)速升高值、機(jī)組水錘水壓上升值等正常。因機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行,在運(yùn)行過程中有負(fù)荷變化調(diào)整、一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)整等,機(jī)組導(dǎo)葉開度會(huì)隨時(shí)調(diào)整,調(diào)速器非周期性抽動(dòng)問題一直被掩蓋。

然而,機(jī)組調(diào)速器壓油裝置的油泵啟動(dòng)頻繁且無規(guī)律,一直認(rèn)為是系統(tǒng)頻率變化引起的調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)整所致。運(yùn)行人員在巡視過程中一次偶然發(fā)現(xiàn),機(jī)組平衡表擺動(dòng),主配壓閥有油流聲:接力器發(fā)生無規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng):機(jī)組發(fā)出的有功功率突增、突減。在調(diào)取機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)信息和查看調(diào)速器信息后發(fā)現(xiàn),調(diào)速器動(dòng)作前無操作動(dòng)作指令,反復(fù)調(diào)取多次數(shù)據(jù),動(dòng)作情況相同,確定為調(diào)速器抽動(dòng)問題。

3原因分析及處理

小巖頭水電站機(jī)組調(diào)速器電氣柜布置在發(fā)電機(jī)層(地板高程1206.415m),在機(jī)組下游側(cè),柜內(nèi)兩套PCC模塊作為機(jī)組調(diào)速硬件主體,為保證其可靠性,構(gòu)成A、B雙機(jī)冗余切換配置系統(tǒng)。通過兩套PCC采集模塊采集信號(hào),兩套CPU同時(shí)各自處理采集的信號(hào),一套處于主控模式,另一套處于熱備用模式,當(dāng)其中一套發(fā)生故障或需要檢修時(shí),通過智能切換繼電器使另一套立即自動(dòng)投入運(yùn)行,無擾動(dòng)切換,維持工況保持不變。通過PCC調(diào)節(jié)計(jì)算得到的控制電壓信號(hào)經(jīng)控制電纜輸出到電液隨動(dòng)系統(tǒng),控制接力器執(zhí)行。

機(jī)組調(diào)速器壓油裝置(圖1）布置在水輪機(jī)層(地板高程1196.6m),在機(jī)組上游側(cè),油泵、壓力油儲(chǔ)油罐、回油箱、調(diào)速器主配壓閥、調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)控制柜等設(shè)備組合在壓油裝置上,連成一個(gè)整體,電液隨動(dòng)系統(tǒng)控制接收到動(dòng)作信號(hào)后發(fā)出執(zhí)行信號(hào),操控接力器開關(guān),從而開啟或關(guān)閉導(dǎo)水葉,導(dǎo)水葉反饋信號(hào)發(fā)送到電氣柜PCC元件,調(diào)節(jié)計(jì)算得到的控制電壓信號(hào)再次輸出到電液隨動(dòng)系統(tǒng),控制接力器執(zhí)行動(dòng)作,直到動(dòng)作信號(hào)、反饋信號(hào)、功率、頻率等信號(hào)相互平衡后停止執(zhí)行。

圖1壓油裝置圖

對(duì)于調(diào)速器抽動(dòng)問題,分析主要原因有:電源電壓不穩(wěn):電氣硬件故障:反饋元件性能差或接觸不良:調(diào)節(jié)器受到嚴(yán)重干擾:油質(zhì)劣化造成閥芯卡阻、節(jié)流口堵塞等。基于此,公司組織開展了有針對(duì)性的調(diào)速器檢修工作,如對(duì)主配壓閥進(jìn)行解體檢查、清掃工作:更換電液隨動(dòng)系統(tǒng)控制元件板件:更換導(dǎo)葉反饋傳感器:更換電液轉(zhuǎn)換元件反饋傳感器:檢查調(diào)速器控制電源:更換電氣測(cè)頻模塊,甚至更換主配壓閥等。同時(shí),進(jìn)行了機(jī)組調(diào)速器靜特性試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)檢測(cè)(階段性）,試驗(yàn)結(jié)果相同,未發(fā)現(xiàn)有價(jià)值信息。調(diào)速器是相對(duì)較成熟的設(shè)備,特別是在可編程微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方面更可靠,設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求,系統(tǒng)的電氣裝置能承受來自電源、信號(hào)源和控制端口的干擾以及周圍環(huán)境的輻射電磁干擾,同時(shí)設(shè)備本身的電磁干擾也減少到最低程度,因此不致于自己干擾自己,但多次試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致出現(xiàn)問題的原因,很讓人費(fèi)解。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速器電氣柜布置在發(fā)電機(jī)層,與機(jī)組保護(hù)、機(jī)組監(jiān)控、機(jī)組勵(lì)磁等靠在一起,同樣是電氣可編程設(shè)備,只有調(diào)速器受到影響。機(jī)械柜布置在水輪機(jī)層,中間間隔發(fā)電機(jī)定子線圈,調(diào)速器電氣柜到機(jī)械柜的控制及信號(hào)電纜沿橋架（橋架接地可靠完整）敷設(shè)在機(jī)坑周圍,電磁場(chǎng)可能對(duì)電纜有干擾,該干擾可能導(dǎo)致調(diào)速器抽動(dòng)。對(duì)電纜屏蔽層接地再次檢查,按照電纜屏蔽層接地方式,電纜屏蔽層有一端接地和兩端接地,檢查確認(rèn)電纜屏蔽層為兩端接地且接地完好。

按照規(guī)范要求,水電站投產(chǎn)時(shí)對(duì)廠區(qū)接地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行了檢測(cè),接地電阻（0.45Ω）滿足相關(guān)接地規(guī)范要求（要求≤0.5Ω）。為防止運(yùn)行一段時(shí)間后接地網(wǎng)的接地線斷裂,接地效果達(dá)不到接地要求,運(yùn)行5年后,再次進(jìn)行電站主接地網(wǎng)的接地電阻測(cè)量,接地電阻（0.3897Ω）仍然滿足接地規(guī)范要求。

按照設(shè)備接地設(shè)計(jì)要求,小巖頭水電站調(diào)速器機(jī)械柜設(shè)有可靠的接地,只是因土建施工或者室內(nèi)裝修,明接地的接地點(diǎn)無法看到。但是因?yàn)檎{(diào)速器機(jī)械柜通過油壓管路與水機(jī)里襯、調(diào)速器接力器等設(shè)備有螺栓可靠連接,就認(rèn)為既有接地扁鐵連接,又有管路連接,調(diào)速器壓油裝置接地良好,不會(huì)有接地不良缺陷問題。水輪機(jī)層接地網(wǎng)布置局部示意圖如圖2所示。

在對(duì)調(diào)速器進(jìn)行靜特性試驗(yàn)時(shí),在調(diào)速器機(jī)械柜旁采用對(duì)講機(jī)通話時(shí),檢測(cè)到調(diào)速器有機(jī)頻信號(hào)干擾反饋。對(duì)講機(jī)通話時(shí)監(jiān)測(cè)到的干擾信號(hào)波形圖如圖3所示,且離柜體越近干擾信號(hào)越強(qiáng),說明機(jī)械柜抗干擾能力差,但運(yùn)行中出現(xiàn)抽動(dòng)時(shí),并沒有出現(xiàn)有人使用手機(jī)的情況,不存在外來干擾源。為防止運(yùn)行中發(fā)生調(diào)速器抽動(dòng)問題,安全起見,電站禁止在調(diào)速器機(jī)械柜2m內(nèi)使用對(duì)講機(jī)或手機(jī)。

在開展年度技術(shù)監(jiān)督工作時(shí),按照技術(shù)監(jiān)督工作的要求開展廠內(nèi)接地導(dǎo)通性試驗(yàn)檢測(cè)（即設(shè)備間的接地電阻）,發(fā)現(xiàn)3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器壓油裝置與廠房?jī)?nèi)其他設(shè)備的接地電阻值較大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過（5mm×50mm扁鋼）相同長(zhǎng)度材料的阻值。

采用一根50mm2的銅導(dǎo)線將調(diào)速器壓油裝置與其他接地扁鋼連接后,再來做先前發(fā)現(xiàn)的對(duì)講機(jī)通話時(shí)的干擾檢測(cè),發(fā)現(xiàn)干擾源消失。壓油裝置接地后,使用對(duì)講機(jī)時(shí)頻率干擾信號(hào)波形圖如圖4所示。拆開臨時(shí)接地線時(shí),干擾信號(hào)再次出現(xiàn),接上接地線,干擾信號(hào)消失。接上接地線后,無論使用對(duì)講機(jī)還是手機(jī),干擾信號(hào)均不存在。此時(shí)在調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)（電液隨動(dòng)控制系統(tǒng)）使用對(duì)講機(jī)或手機(jī),干擾信號(hào)減少一半以上?？梢娍垢蓴_能力差的原因是設(shè)備接地不良,干擾信號(hào)直接作用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)元件而得不到釋放。對(duì)調(diào)速器壓油裝置重新引接地后,至今運(yùn)行良好,未發(fā)生抽動(dòng)現(xiàn)象。

分析其原因,認(rèn)為是調(diào)速器壓油裝置設(shè)備未接地引起,調(diào)速器油泵電機(jī)啟動(dòng)、機(jī)組負(fù)荷變化,電網(wǎng)波動(dòng)或者周圍環(huán)境因素等產(chǎn)生的電磁源或電磁信號(hào)不是直接引到大地,而是經(jīng)過電纜屏蔽層形成回路后再釋放到大地。在電纜屏蔽層釋放的過程中,該電磁或電流信號(hào)反過來影響了電纜中的信號(hào),使信號(hào)發(fā)生突變疊加,擾亂了調(diào)速器的平衡,使調(diào)速器發(fā)生調(diào)整,調(diào)速器電氣柜收到的信號(hào)與測(cè)到的電網(wǎng)信號(hào)發(fā)生差異,同樣要進(jìn)行調(diào)整,如此反復(fù)調(diào)整使調(diào)速器產(chǎn)生抽動(dòng),直到干擾信號(hào)源衰減完成抽動(dòng)才停止。要想消除干擾,就要完善設(shè)備的接地工作,保障廠房接地可靠,重新引設(shè)備接地線并焊接可靠,消除電纜屏蔽層的干擾源,保障設(shè)備可靠運(yùn)行。

4結(jié)語

小巖頭水電站調(diào)速器因施工缺陷導(dǎo)致出現(xiàn)抽動(dòng)問題,經(jīng)過幾年的查找、試驗(yàn)、檢修后,發(fā)現(xiàn)并消除了困擾電站安全運(yùn)行的隱患,目前機(jī)組運(yùn)行狀況良好,大大提高了機(jī)組的自動(dòng)化運(yùn)行水平和水電站的工作效率。