水轮机调速器负荷异常上升原因分析及处理措施

水轮机调速器负荷异常上升原因分析及处理措施
作者：黄剑波
来源：《广东科技》 2014年第18期
黄剑波
（广西水利电力建设集团有限公司麻石水力发电厂，广西融水 545300）
摘要：水轮机调速器是调节控制器和液压随动系统的总称，是水轮发电机组的重要组成部分。

通过分析麻石水力发电厂水轮机调速器负荷异常上升的原因，并根据实际情况制定了调整导叶开限、频率超差增加延时判断条件等针对性策略，经实验证明是合理有效的。

关键词：调速器；负荷异常上升；原因；措施
0 前言
水轮机调速器的基本元件主要包括敏感、放大、执行和稳定，其工作原理如图1所示。

水轮机调速器的功能主要有：能自动调节水轮发电机组的转速，使其保持在额定转速允许偏差内运转，以满足电网对频率质量的要求；能使水轮发电机组自动或手动快速启动，适应电网负荷的增减，正常停机或紧急停机的需要；当水轮发电机组在电力系统中并列运行时，调速器能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经济运行；能满足转桨式、冲击式水轮机双重协联调节的需要。

在特殊情况下，调速器负荷会出现异常上升现象，因此分析其产生的原因并及时采取针对性的措施具有重要意义。

1 麻石水利发电厂水轮机调速器概况
麻石水利发电厂位于我国水流充沛的珠江流域柳江河段，共有3台机组，容量各为36MW，总装机容量为108MW，于1972年12月份全部投产发电，是当时广西桂北地区建成投产的最大水电厂。

麻石水利发电厂的水轮机调速器主要包括机械部分和控制系统，刚开始采用的是东方电机厂的产品，但是在投入运行后发现调速器的控制系统藏着很多安全隐患，许多问题难以解决，甚至有一些功能根本不适应电网发展的需求。

在1998年，麻石水利发电厂决定更新设备，改用武汉事达公司生产的由两套一模一样的数字式结构组成的WT-SPLC-STARS新型产品，水轮机调速器的工作效率明显增强，但也仍然存在一些问题，直到2003年，麻石水利发电厂完成了对所有设备的更新换代。

目前，麻石水利发电厂水轮机调速器的控制系统采用的型号分别是：1号机调速器型号为DFWST-100-2.5MPa；2号机调速器型号为DFWST-100-2.5MPa；3号机调速器型号为：BWST-100-2.5-XT。

每一套调速器头都包括测速探头、模块为140CPU 434 12A的PLC、导叶位置传感器、功率变送器以及相关的I/O板件；机械部分则主要包括油压装置、直缸接力器、TD100型三级伺服阀以及过速限制装置等。

水轮机调速器的作用是确保水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种自动化操作，是水电站重要的基础控制设备。

频率跟踪是水轮机调速器的主要功能，一般的反馈模式是功率反馈和开度反馈，能够实现调速器的自动和手动控制模式，并且在运行模式下可以不受干扰的自动转换，另外，调速器的导叶具有自动调节功能，能够根据水头自动整定空载开度、停开机等一系列功能。

麻石水力发电厂的调速器会根据频率的波动而自动调节反馈模式，在机组并网运行时，其频率波动一旦超出±0.5Hz的范围，调速器就会自动转换成“孤网运行”的方式或者“功率反馈”模式；如果机组不并网，调速器则只能在“开度反馈”模式下运行；在故障发生时，调速器也会自动转换成“开度反馈”模式。

测频信号是调速器运行的重要指标，麻石水力发电厂的水轮机调速器和转速继电器的测频信号都源于残压和齿盘，在正常运行的条件下，调速器的测频信号以残压测频为主，齿盘测频则加以辅助；转速继电器的信号也一样。

2 事故过程及处理方法
2.1 水轮机调速器负荷异常上升事件概述
2012年6月20日06：10，麻石水利发电厂控制系统发出“GIS 1、2号电力故障记录装置启动，1~3号3台机组故障记录器触发”的报警。

06：11，整个水电站总有功90MW，控制系统又发出“三号机实行开度反馈模式，其有功功率达到上限值，并且有功调节出现了故障，退出有功联控模式后其有功功率达到最大上限值”的信号，为了阻止这一情况继续发展，水电站操作人员赶紧上压三号机的导叶开限。

06：18，投入“三号机的功率反馈模式”，同时将三号机投入到AGC中运行。

在电网的作用下，发现三号机组的负荷突然上升，操作人员立即把导叶开限压降68%后，相应的有功也有所下降。

2.2 实地考察及数据分析
通过专家实地研究并综合分析相关数据发现：
（1）在电网作用下发生冲击时，调速器的测量功率会产生波动情况，这是因为三号机终端的电压和电流出现了波动，并且除了三号机组以外的机组都不同程度的出现了相同的现象。

（2）在电网作用下发生冲击时，大部分机组的频率都没有突变现象，但是三号机组调速器中测量采样的最低机组频率值和最低残压测频值却都有所变化。

（3）三号机组调速器的导叶开度具有不定性，在外部功给是最大值时，会随着控制输出量的变大而增加，一直达到开度限制值才停止，因此会导致机组出力异常升高。

而其他机组的有功输出与有功给定值却保持基本一致［1］。

（4）通过手动降低导叶开限能够有效控制机组的出力情况。

2.3 调速器的反馈方式具有逻辑性
分析这一事件的记录资料可以看出，调速器的反馈模式在很短时间内出现了两次从功率反
馈到开度反馈的转变，并且监控也会随着调速器的转换而自动转换。

在将机组并网后发现，调速器从功率反馈模式转换成开度反馈模式一般是在特定情况下进行，即功率变送器出现故障、频率超过0.5Hz或者是手动选择开度反馈模式。

对于功率变送器
出现故障的情况，PLC的程序设定了功率变送器的采集数值越过上限和下限，但控制在3s以上时，调速器和监控系统会报出故障信号，但实际上在检查时没有发现故障信号，因此可以排除
这一情况；对于手动选择开度反馈模式这一情况，在事发时并没有专业人员操作；对于频率超
过0.5Hz的情况，三号机的调速器残压频率突变符合超差0.5Hz的情况，使得调速器自动转换
成开度反馈模式。

2.4 水轮机调速器负荷异常上升的原因
在这一事件中，当时水电站的水头是18.12m，外部功给28.21MW，利用协联曲线计算后得
出的开度给定值是79.76%，这个数据大大超过了功率反馈模式下的实际开度值8.13%，并且导
叶开限值是79.34%，在转换成开度模式后调速器的导叶开度会突然上升，因此而造成了三号机
组的负荷异常上升［2］。

结合以上各个现象分析，三号机组调速器负荷异常上升的原因可以概括为：
（1）频率的变化引起调速器反馈模式的改变。

即在电网作用产生相互冲击时，三号机调速器的残压测频元件受到影响而导致频率发生突变，使其频率差超过了0.5Hz，最终引起调速器
的反馈模式从功率反馈转换成开度反馈。

（2）在调速器转换成开度反馈模式后，它的功率给定值必须符合此种状况下协联曲线模型中的与之相对应的开度给定值，而麻石水利发电厂中的三号机组调速器中功率给定值却大于转
换前的实际开度值，才会引起负荷异常上升。

2.5 处理措施
通过对调速器的分析，发现导致负荷异常上升现象的主要原因有两种：①由于电网冲击，
出现雷电干扰情况，导致电网线路跳闸，在几种影响因素的共同作用下，电网冲击影响越来越大，且不可避免，也无法消除；②机组功率协联曲线模型数据出现错误，或雕塑齐全水头开度，在加上数据模型中的数据为实验得出的数据，缺乏可靠性，而水轮机导叶、水头及出力开度呈
非线性复杂关系，数据模型不准确，导致功率协联曲线模型操作性差，校核开度难度高。

针对
这一事件，专业人员根据已有的经验及其对实际情况的总结分析，制定了切实可行的措施：
（1）努力健全调速器在运行时的切换逻辑，保证在机组频率差超出0.5Hz一段时间后再将功率反馈转换成开度反馈模式。

这种增加延时判断条件的方式，可以有效防止电网冲击对调速
器测频的干扰，提高调速器的稳定性和可靠性。

（2）进行实施监督，经常调整调速器的导叶开限。

在水头高的情况下，及时调整导叶开限，最好达到大于机组额定功率的导叶开度值，防止调速器产生负荷异常上升，避免机组超出力运
行状态。

（3）对残压测频板件和通道的质量进行严格把关，确保其具有强抗干扰性，避免受到干扰或者干扰率小，另外，还要经常更新测频板件，以适应调速器的运行需求。

3 结束语
通过对调速器负荷上升事件的综合分析，将三点针对性的措施运用到麻石水利发电厂的水轮机调速器中，发现水轮机调速器并没有再出现负荷异常上升事件。

这一实例证明，要想真正处理好水轮机调速器负荷异常上升的状况，必须深入事故实际进行分析研究，采取针对性的措施，才能有效便捷的避免电网冲击对水轮机调速器的影响，确保水轮机调速器的正常运行。

参考文献：
［1］唐杰阳，李甜甜，毛成钢，张晓辉. 水轮机调速器负荷异常上升原因分析及处理［J］. 四川电力技术，2013，2（1）：83~84.
［2］吴建荣，王秀梅. 二滩水电站5号机组负荷波动原因分析及处理［J］. 四川电力技术，2012，8（1）：36~37.
作者简介：黄剑波（1978~），男，助理工程师，本科，从事水电运行维护检修等方面的研究。