小巖頭水電站調速器非周期性抽動原因分析及處理

、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)劃的第四級電站,壩址以上控制流域面積達11440km2。以發(fā)電為主,水電站總裝機容量130Mw,安裝有3臺單機容量為43.33Mw的立軸式水輪發(fā)電機組,額定水頭69m,單機額定流量70.61m3/s,多年平均發(fā)電量5.39億kwh,年利用小時數(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℃,多年平均相對濕度77%。

廠房發(fā)電機層高程為1206.415m,導水葉中心線高程為1196.00m,轉輪直徑2.9m,額定轉速214.3r/min,采用可編程雙微機雙通道冗余的調速器系統(tǒng)。

2機組運行狀態(tài)

小巖頭水電站機組在投產試驗階段,按照投產規(guī)程規(guī)范要求及電網對并網電站試驗要求,對機組調速器系統(tǒng)進行了擾動試驗、機組靜特性試驗、機組調速器建模、機組一次調頻試驗、機組甩負荷試驗、機組穩(wěn)定性試驗等與機組和電網穩(wěn)定有關的第三方試驗單位的試驗,試驗結果完全滿足水輪發(fā)電機組的國家規(guī)范及行業(yè)標準要求,機組運行一切正常,運行過程中未發(fā)現(xiàn)問題。機組手動開機、自動開機功能正常,增/減負荷調整正常,事故停機、緊急事故停機等機組調節(jié)正常,機組轉速升高值、機組水錘水壓上升值等正常。因機組并網運行,在運行過程中有負荷變化調整、一次調頻動作調整等,機組導葉開度會隨時調整,調速器非周期性抽動問題一直被掩蓋。

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

3原因分析及處理

小巖頭水電站機組調速器電氣柜布置在發(fā)電機層(地板高程1206.415m),在機組下游側,柜內兩套PCC模塊作為機組調速硬件主體,為保證其可靠性,構成A、B雙機冗余切換

配置系統(tǒng)。通過兩套PCC采集模塊采集信號,兩套CPU同時各自處理采集的信號,一套處于主控模式,另一套處于熱備用模式,當其中一套發(fā)生故障或需要檢修時,通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入運行,無擾動切換,維持工況保持不變。通過PCC調節(jié)計算得到的控制電壓信號經控制電纜輸出到電液隨動系統(tǒng),控制接力器執(zhí)行。

機組調速器壓油裝置(圖1）布置在水輪機層(地板高程1196.6m),在機組上游側,油泵、壓力油儲油罐、回油箱、調速器主配壓閥、調速器電液隨動系統(tǒng)控制柜等設備組合在壓油裝置上,連成一個整體,電液隨動系統(tǒng)控制接收到動作信號后發(fā)出執(zhí)行信號,操控接力器開關,從而開啟或關閉導水葉,導水葉反饋信號發(fā)送到電氣柜PCC元件,調節(jié)計算得到的控制電壓信號再次輸出到電液隨動系統(tǒng),控制接力器執(zhí)行動作,直到動作信號、反饋信號、功率、頻率等信號相互平衡后停止執(zhí)行。

圖1壓油裝置圖

對于調速器抽動問題,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:調節(jié)器受到嚴重干擾:油質劣化造成閥芯卡阻、節(jié)流口堵塞等?；诖?公司組織開展了有針對性的調速器檢修工作,如對主配壓閥進行解體檢查、清掃工作:更換電液隨動系統(tǒng)控制元件板件:更換導葉反饋傳感器:更換電液轉換元件反饋傳感器:檢查調速器控制電源:更換電氣測頻模塊,甚至更換主配壓閥等。同時,進行了機組調速器靜特性試驗及動態(tài)檢測(階段性）,試驗結果相同,未發(fā)現(xiàn)有價值信息。調速器是相對較成熟的設備,特別是在可編程微機調速系統(tǒng)方面更可靠,設計滿足規(guī)范要求,系統(tǒng)的電氣裝置能承受來自電源、信號源和控制端口的干擾以及周圍環(huán)境的輻射電磁干擾,同時設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,但多次試驗均未發(fā)現(xiàn)導致出現(xiàn)問題的原因,很讓人費解。

現(xiàn)場調速器電氣柜布置在發(fā)電機層,與機組保護、機組監(jiān)控、機組勵磁等靠在一起,同樣是電氣可編程設備,只有調速器受到影響。機械柜布置在水輪機層,中間間隔發(fā)電機定子線圈,調速器電氣柜到機械柜的控制及信號電纜沿橋架（橋架接地可靠完整）敷設在機坑周圍,電磁場可能對電纜有干擾,該干擾可能導致調速器抽動。對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,水電站投產時對廠區(qū)接地網的接地電阻進行了檢測,接地電阻（0.450）滿足相關接地規(guī)范要求（要求≤0.50）。為防止運行一段時間后接地網的接地線斷裂,接地效果達不到接地要求,運行5年后,再次進行電站主接地網的接地電阻測量,接地電阻（0.38970）仍然滿足接地規(guī)范要求。

按照設備接地設計要求,小巖頭水電站調速器機械柜設有可靠的接地,只是因土建施工或者室內裝修,明接地的接地點無法看到。但是因為調速器機械柜通過油壓管路與水機里襯、調速器接力器等設備有螺栓可靠連接,就認為既有接地扁鐵連接,又有管路連接,調速器壓油裝置接地良好,不會有接地不良缺陷問題。水輪機層接地網布置局部示意圖如圖2所示。

在對調速器進行靜特性試驗時,在調速器機械柜旁采用對講機通話時,檢測到調速器有機頻信號干擾反饋。對講機通話時監(jiān)測到的干擾信號波形圖如圖3所示,且離柜體越近干擾信號越強,說明機械柜抗干擾能力差,但運行中出現(xiàn)抽動時,并沒有出現(xiàn)有人使用手機的情況,不存在外來干擾源。為防止運行中發(fā)生調速器抽動問題,安全起見,電站禁止在調速器機械柜2m內使用對講機或手機。

在開展年度技術監(jiān)督工作時,按照技術監(jiān)督工作的要求開展廠內接地導通性試驗檢測（即設備間的接地電阻）,發(fā)現(xiàn)3臺機組調速器壓油裝置與廠房內其他設備的接地電阻值較大,遠遠超過（5mm×50mm扁鋼）相同長度材料的阻值。

采用一根50mm2的銅導線將調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)的對講機通話時的干擾檢測,發(fā)現(xiàn)干擾源消失。壓油裝置接地后,使用對講機時頻率干擾信號波形圖如圖4所示。拆開臨時接地線時,干擾信號再次出現(xiàn),接上接地線,干擾信號消失。接上接地線后,無論使用對講機還是手機,干擾信號均不存在。此時在調速器機械柜內（電液隨動控制系統(tǒng)）使用對講機或手機,干擾信號減少一半以上?？梢娍垢蓴_能力差的原因是設備接地不良,干擾信號直接作用于隨動控制系統(tǒng)元件而得不到釋放。對調速器壓油裝置重新引接地后,至今運行良好,未發(fā)生抽動現(xiàn)象。

分析其原因,認為是調速器壓油裝置設備未接地引起,調速器油泵電機啟動、機組負荷變化,電網波動或者周圍環(huán)境因素等產生的電磁源或電磁信號不是直接引到大地,而是經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,該電磁或電流信號反過來影響了電纜中的信號,使信號發(fā)生突變疊加,擾亂了調速器的平衡,使調速器發(fā)生調整,調速器電氣柜收到的信號與測到的電網信號發(fā)生差異,同樣要進行調整,如此反復調整使調速器產生抽動,直到干擾信號源衰減完成抽動才停止。要想消除干擾,就要完善設備的接地工作,保障廠房接地可靠,重新引設備接地線并焊接可靠,消除電纜屏蔽層的干擾源,保障設備可靠運行。

4結語

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