飛來峽水電廠1#機(jī)組無法同期并網(wǎng)原因分析

古建文

(廣東粵海飛來峽水力發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511825)

1 機(jī)組概況

飛來峽水利樞紐水電廠為河床式、低水頭電站，裝有4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為140 MW，設(shè)計年發(fā)電量為5.54億kW時，機(jī)組額定功率為35 MW，額定轉(zhuǎn)速為83.33 r/min，額定水頭為8.53 m，運行水頭為3.61～13.83 m，調(diào)速器型號：MIPREG DGC 6000C。

2 事件過程

2022年2月10日，2#、3#、4#機(jī)組滿負(fù)荷運行，1#機(jī)組備用，電廠總出力為105 MW，1#、2#主變正常運行，機(jī)組通過1#主變向電網(wǎng)送電，10 kV廠用電Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段分段運行。

17：00左右，計劃將1#機(jī)組由備用轉(zhuǎn)運行，1#機(jī)組從水輪機(jī)工況(即空載工況)到并網(wǎng)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)顯示勵磁已投入，同期準(zhǔn)備好，且監(jiān)控系統(tǒng)無其他異常報警，但最后一步出口開關(guān)始終無法同期合閘，導(dǎo)致機(jī)組開機(jī)超時停機(jī)，數(shù)次并網(wǎng)失敗。

3 故障現(xiàn)象

查看機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)可知，1#機(jī)組在水輪機(jī)工況時轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100%～100.7%，但投入勵磁后轉(zhuǎn)速降至98.8%～99%左右，頻率在49.28～49.6 Hz波動，導(dǎo)葉開度在12%～12.4%波動，輪葉開度在1.9%～2.1%波動，到現(xiàn)場檢查同期裝置中的頻率和相角條件滿足指示燈未亮。

任何類型的發(fā)電設(shè)備，發(fā)出電能后都要向電網(wǎng)輸送電能，也就是發(fā)電機(jī)需要并網(wǎng)發(fā)電，非同期并列會產(chǎn)生很大的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)重時致使發(fā)電機(jī)損壞燒毀，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定。而并網(wǎng)的同期條件有3個：發(fā)電機(jī)出口開關(guān)兩側(cè)電壓差不應(yīng)超過額定值的±5%，兩側(cè)電壓頻率差不應(yīng)超過額定值的±0.6%，相位差不應(yīng)大于5°。并網(wǎng)以后機(jī)組和電網(wǎng)連成整體，電網(wǎng)各處的頻率都是完全相同的，電網(wǎng)越大，頻率波動幅度就越小，頻率也就相對越穩(wěn)定，而電網(wǎng)頻率只與有功功率是否平衡有關(guān)系，發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率大于用電的有功功率時，電網(wǎng)整體頻率升高，反之亦然[1]。

4 原因分析

水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸相連，而水輪機(jī)為原動機(jī)，即提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的動力源，水電廠中的發(fā)電機(jī)都為同步電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶上負(fù)載(并網(wǎng))以后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，由于電磁感應(yīng)，三相定子繞組中的電流也會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子以同轉(zhuǎn)速、同方向旋轉(zhuǎn)稱為“同步”。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率之間有嚴(yán)格的關(guān)系，即60f=np(f即為電網(wǎng)頻率，n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為轉(zhuǎn)子磁極對數(shù))。為保證并網(wǎng)時機(jī)組頻率達(dá)到50 Hz，與電網(wǎng)頻率保持一致，必須要保證水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的偏差范圍內(nèi)。而水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，則是靠調(diào)速器控制導(dǎo)葉的開度，從而控制進(jìn)入水輪機(jī)的水流量實現(xiàn)。

飛來峽機(jī)組正常開機(jī)并網(wǎng)流程如下：

① 軸承高壓油泵投入，軸承油泵投入，油霧風(fēng)機(jī)投入，碳污清除器投入，冷卻水泵投入，調(diào)速器油泵投入，軸承冷卻水泵投入，冷卻水閥打開，水輪機(jī)大軸密封潤滑水投入；

② 軸承油閥打開；

③ 機(jī)械制動退出；

④ 快關(guān)閥在運行位置；

⑤ 調(diào)速器啟動；

⑥ 勵磁投入，發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)投入；

⑦ 同期裝置投入，等待并網(wǎng)。

步驟⑤調(diào)速器啟動后，機(jī)組導(dǎo)葉開至空載位置，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定值；空載時除了機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持在額定值外，還要投入勵磁系統(tǒng)，維持機(jī)端電壓在額定值；當(dāng)機(jī)組收到并網(wǎng)命令時，調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)根據(jù)測得的系統(tǒng)電壓和頻率，對機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)端電壓進(jìn)行微調(diào)，機(jī)組滿足并網(wǎng)條件時，同期裝置發(fā)出合閘脈沖使發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘[2]。

無論是空載前還是并網(wǎng)后，機(jī)組的轉(zhuǎn)速都由進(jìn)入機(jī)組的流量決定，即由調(diào)速器控制(空載前，增大流量，使轉(zhuǎn)速增加，并網(wǎng)后，控制流量，使轉(zhuǎn)速恒定)；而維持發(fā)電機(jī)的出口端電壓，由勵磁系統(tǒng)來控制。調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)共同完成水輪發(fā)電機(jī)組的控制，兩者各司其職，相互配合，使機(jī)組并網(wǎng)后頻率恒定，電壓恒定。并網(wǎng)后，機(jī)械功率轉(zhuǎn)化成了電磁功率，所以，在增加水流(導(dǎo)葉開度增加)時，體現(xiàn)為功率的增加[3]。

截取1#機(jī)組故障未處理時的1個開、停機(jī)流程相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見表1～表2)。

從表1和表2數(shù)據(jù)可知：1#機(jī)組在水輪機(jī)工況下運行正常，但是投入勵磁后頻率和轉(zhuǎn)速均有下降，且頻率波動較大。

表1 故障未處理時1#機(jī)組水輪機(jī)工況相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 故障未處理時1#機(jī)組水輪機(jī)工況至并網(wǎng)過程相關(guān)數(shù)據(jù)

4.1 首先考慮是否同期回路或裝置出現(xiàn)故障

從機(jī)組合閘二次回路可知，機(jī)組合閘條件有4個:

① 出口地刀斷開(隔離蓋也在正確位置)；

② 三相制動刀閘斷開：

③ 發(fā)電機(jī)出口電壓存在：

④ 同期裝置條件滿足，發(fā)出合閘命令。

檢查前3個條件相應(yīng)的繼電器動作正常、控制回路沒有出現(xiàn)斷線，那么首先考慮是否同期裝置出現(xiàn)故障，端子接線是否松脫。

到現(xiàn)地對同期裝置進(jìn)行復(fù)歸，沒有作用，切換至另1臺同期裝置，檢查緊固端子接線，然后斷開機(jī)組出口刀閘進(jìn)行模擬并網(wǎng)，依舊無法并網(wǎng)。同期裝置發(fā)出合閘命令的接點是通過-K0111繼電器作用于控制回路，而此時-K0111繼電器沒有勵磁(繼電器-K0111沒有故障)，表明確實是同期條件中的頻率和相角不滿足，不是同期裝置故障[4](見圖1)。

圖1 合閘控制回路示意

4.2 考慮是否測頻回路或裝置出現(xiàn)故障

調(diào)速器測頻回路采用齒盤測速和殘壓測速兩種方式。齒盤測速有兩個磁性探頭，對稱分布在大軸上，探頭產(chǎn)生的脈沖信號處理后用以觸發(fā)計算器，經(jīng)計算得出機(jī)組轉(zhuǎn)速。殘壓測速信號取自于發(fā)電機(jī)出口電壓互感器，經(jīng)隔離、限制、濾波、放大，產(chǎn)生與機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖，用以觸發(fā)計算器，經(jīng)計算得出機(jī)組轉(zhuǎn)速，根據(jù)n=60f/p可得出轉(zhuǎn)速。調(diào)速器在轉(zhuǎn)速低于76%時，采用齒盤測速，大于76%時，采用殘壓測速[5]。

排查最容易損壞的殘壓測頻繼電器及相關(guān)隔離變送器，更換部件后重新開機(jī)，依舊無法并網(wǎng)(見圖2)。

圖2 飛來峽電廠調(diào)速器控制原理示意

4.3 考慮是否調(diào)速器參數(shù)有誤或調(diào)速器主板故障

水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將決定發(fā)出的交流電的頻率，為保證這個頻率的穩(wěn)定，必須穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，可采用閉環(huán)控制的方式對原動機(jī)(水輪機(jī))轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即將發(fā)出的交流電的頻率信號采樣，并將其反饋到控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開合角度的控制系統(tǒng)中，控制水輪機(jī)的輸出功率，通過反饋控制原理，可使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定[6]。

調(diào)速器系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)荷的變化，不斷地改變水輪發(fā)電機(jī)組的有功功率輸出，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速(頻率)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常由測量、加法、放大、執(zhí)行和反饋等元件組成。調(diào)速器在機(jī)組單機(jī)運行或空載運行時，作為定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，改變機(jī)組轉(zhuǎn)速；在機(jī)組并網(wǎng)運行時，作為開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，改變機(jī)組有功出力。其轉(zhuǎn)速控制采用P+I+D調(diào)節(jié)規(guī)律，功率(開度)控制采用P+I調(diào)節(jié)規(guī)律，通過人機(jī)界面LCD終端可以進(jìn)行參數(shù)修正、輸入/輸出功能[7](見圖3)。

圖3 水輪機(jī)調(diào)節(jié)方框示意

檢修人員核對調(diào)速器參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)異常，更換調(diào)速器主板，并重新核對參數(shù)無誤后，依舊無法并網(wǎng)。

4.4 考慮是否導(dǎo)葉傳感器4-20 mA電流出現(xiàn)誤差，造成調(diào)速器啟動開度限制

由表3～表4可知：1#機(jī)組之前正常開機(jī)時，并網(wǎng)前的導(dǎo)葉開度均略小于12%，轉(zhuǎn)速均略大于100%，與2月10日并網(wǎng)失敗的相關(guān)數(shù)據(jù)相比，雖然看似正常，但有較小偏差。檢測發(fā)現(xiàn)，投入勵磁后，同期裝置發(fā)出命令增頻，調(diào)速器收到命令，但未能增頻，檢修人員計劃對導(dǎo)葉開度傳感器電流值進(jìn)行檢測。

表3 1#機(jī)組之前3次正常開機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)

表4 2月10日1#機(jī)組3次并網(wǎng)失敗的相關(guān)數(shù)據(jù)

飛來峽電廠的水輪機(jī)導(dǎo)葉位置傳感器主要由恒力彈簧、十圈電位器、信號變換模塊等3部分構(gòu)成。鋼絲繩一端固定在導(dǎo)葉控制環(huán)連臂桿上，另一端纏繞并固定在鋼絲繩活動轉(zhuǎn)盤上，靠恒力彈簧的力量始終拉緊鋼絲繩。

運行中隨著鋼絲繩活動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，十圈電位器電阻值發(fā)生改變，再通過信號變控模塊將十圈電位器的電阻值轉(zhuǎn)換為電流值，將導(dǎo)葉位置傳感器輸出4～20 mA的電流反饋給調(diào)速器，其對應(yīng)的導(dǎo)葉實際開度為100%～0%[8](見圖4)。

圖4 導(dǎo)葉位置傳感器原理示意

檢修人員在1#機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下對電液轉(zhuǎn)換器回路進(jìn)行有針對性的檢查，查看接線端子，同時用萬用表測量其4～20 mA的模擬量采樣通道，發(fā)現(xiàn)該通道的電流值在停機(jī)的情況下只有19.5 mA左右，無法達(dá)到20 mA，且停機(jī)時導(dǎo)葉開度顯示1.8%～2.1%，由此可以猜測可能是由于導(dǎo)葉傳感器4～20 mA電流信號出現(xiàn)偏移，實測電流值偏小，導(dǎo)致機(jī)組空載時調(diào)速器導(dǎo)葉開度值較實際開度值偏大2%，調(diào)速器限位器動作，導(dǎo)葉開度無法繼續(xù)加大，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不能達(dá)到100%，頻率無法增加,相角也不滿足條件(相角由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子繞組的空間角度決定)，而導(dǎo)葉傳感器輸出的4～20 mA的電量沒有超出范圍，因此，調(diào)速器沒有發(fā)出電調(diào)跳閘信號，監(jiān)控系統(tǒng)也沒有出現(xiàn)其他報警信息[9]。

調(diào)速器內(nèi)部有開度限制回路，啟動開度限制了機(jī)組并網(wǎng)前的導(dǎo)葉開度，其值根據(jù)水頭變化和協(xié)聯(lián)關(guān)系在調(diào)速器內(nèi)部有所調(diào)整，在水頭-開度限制協(xié)聯(lián)的曲線上疊加一個偏移量，可以修改所有水頭下的空載導(dǎo)葉啟動開度。啟動開度分2級，第1級開度約為空載開度的2倍，可盡快啟動機(jī)組；第2級開度約為空載開度1.3倍，在轉(zhuǎn)速大于45 Hz 時啟用，以確保較小的過速，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近95%時，機(jī)組進(jìn)入空載調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉接力器關(guān)至空載開度，逐漸使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，自動跟蹤系統(tǒng)頻率，等待同期并網(wǎng)。導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)過程中實際的導(dǎo)葉開度減去限制器讀取的數(shù)值，即獲得導(dǎo)葉開度的修正值，然后放大信號以增強反饋作用，放大后的信號將與轉(zhuǎn)速控制、有功(開度)控制回路產(chǎn)生的信號進(jìn)行比較，較小值將被采用[10]。

當(dāng)啟動開度限制值過小時，可能出現(xiàn)開機(jī)時，機(jī)組不到額定轉(zhuǎn)速，此時，可修改此參數(shù)，增加導(dǎo)葉空載限制的最大值。當(dāng)此值過大時，可能引起機(jī)組開機(jī)時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大的超調(diào)，而此次機(jī)組無法同期并網(wǎng)應(yīng)該是因為導(dǎo)葉反饋值較實際值偏大，達(dá)到了開度限制器動作的數(shù)值，導(dǎo)葉開度不再增大(見圖5)。

圖5 電氣調(diào)速器控制邏輯框示意

5 故障處理

檢修人員對水頭檢測裝置進(jìn)行校對，對輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行診斷，沒有發(fā)現(xiàn)異常，查看并網(wǎng)時調(diào)速器程序中的導(dǎo)葉電氣開度限制最大值為12%左右，導(dǎo)葉實際開度已經(jīng)超過12%，所以開度限制器動作。那么可以判斷是導(dǎo)葉開度反饋偏大，于是對導(dǎo)葉開度傳感器參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，重新調(diào)整了導(dǎo)葉位置傳感器4～20 mA的模擬量與導(dǎo)葉實際開度為100%～0%的對應(yīng)線性關(guān)系，重新開機(jī)，投入勵磁后，導(dǎo)葉開度小于12%，轉(zhuǎn)速100%左右，頻率提升至50 Hz左右，相角也滿足條件，多次模擬并網(wǎng)成功，故障排除。此次故障點較為隱蔽，數(shù)據(jù)誤差很小，歷經(jīng)數(shù)小時、多方面排查得以解決[11]。

6 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)的導(dǎo)葉開度傳感器工作環(huán)境比較潮濕，空氣雜質(zhì)較多，加上長時間運行，容易引起十圈電位器滑動電阻線性不良，進(jìn)而影響導(dǎo)葉傳感器內(nèi)的電子元件性能，使反饋調(diào)速器的導(dǎo)葉開度電信號產(chǎn)生偏移誤差，繼而可能導(dǎo)致開機(jī)失敗、導(dǎo)葉開度不穩(wěn)定甚至機(jī)組跳閘。水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器位置傳感器等輔助設(shè)備的可靠性是確保機(jī)組安全穩(wěn)定運行的重要條件，定期對水輪機(jī)及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢查非常必要，對于部分參與機(jī)組控制的重要外圍信號采集裝置,如機(jī)組導(dǎo)葉、輪葉位置傳感器以及機(jī)組凈水頭測量裝置，都應(yīng)采用冗余，實現(xiàn)多套備用，在故障情況下能實現(xiàn)自動切換。