小岩头水电站调速器非周期性抽动原因分析及处理

1电站概况

小岩头水电站位于金沙江一级支流牛栏江中下游河段,地处云贵两省三县交汇之地,左岸为云南省会泽县,右岸分属云南省鲁甸县、贵州省威宁县。牛栏江水力资源丰富,小岩头水电站是牛栏江水电开发规划的第四级电站,坝址以上控制流域面积达11440km2。以发电为主,水电站总装机容量130Mw,安装有3台单机容量为43.33Mw的立轴式水轮发电机组,额定水头69m,单机额定流量70.61m3/s,多年平均发电量5.39亿kwh,年利用小时数4017h。电站采用220kV单母线接线形式,一回220kV线路与贵州电网相连。水电站多年平均气温12℃,最高气温32.9℃,极端最低气温-11.5℃,最低水温5℃,多年平均相对湿度77%。

厂房发电机层高程为1206.415m,导水叶中心线高程为1196.00m,转轮直径2.9m,额定转速214.3r/min,采用可编程双微机双通道冗余的调速器系统。

2机组运行状态

小岩头水电站机组在投产试验阶段,按照投产规程规范要求及电网对并网电站试验要求,对机组调速器系统进行了扰动试验、机组静特性试验、机组调速器建模、机组一次调频试验、机组甩负荷试验、机组稳定性试验等与机组和电网稳定有关的第三方试验单位的试验,试验结果完全满足水轮发电机组的国家规范及行业标准要求,机组运行一切正常,运行过程中未发现问题。机组手动开机、自动开机功能正常,增/减负荷调整正常,事故停机、紧急事故停机等机组调节正常,机组转速升高值、机组水锤水压上升值等正常。因机组并网运行,在运行过程中有负荷变化调整、一次调频动作调整等,机组导叶开度会随时调整,调速器非周期性抽动问题一直被掩盖。

然而,机组调速器压油装置的油泵启动频繁且无规律,一直认为是系统频率变化引起的调速器一次调频动作调整所致。运行人员在巡视过程中一次偶然发现,机组平衡表摆动,主配压阀有油流声:接力器发生无规律往复运动:机组发出的有功功率突增、突减。在调取机组监控系统信息和查看调速器信息后发现,调速器动作前无操作动作指令,反复调取多次数据,动作情况相同,确定为调速器抽动问题。

3原因分析及处理

小岩头水电站机组调速器电气柜布置在发电机层(地板高程1206.415m),在机组下游侧,柜内两套PCC模块作为机组调速硬件主体,为保证其可靠性,构成A、B双机冗余切换配置系统。通过两套PCC采集模块采集信号,两套CPU同时各自处理采集的信号,一套处于主控模式,另一套处于热备用模式,当其中一套发生故障或需要检修时,通过智能切换继电器使另一套立即自动投入运行,无扰动切换,维持工况保持不变。通过PCC调节计算得到的控制电压信号经控制电缆输出到电液随动系统,控制接力器执行。

机组调速器压油装置(图1）布置在水轮机层(地板高程1196.6m),在机组上游侧,油泵、压力油储油罐、回油箱、调速器主配压阀、调速器电液随动系统控制柜等设备组合在压油装置上,连成一个整体,电液随动系统控制接收到动作信号后发出执行信号,操控接力器开关,从而开启或关闭导水叶,导水叶反馈信号发送到电气柜PCC元件,调节计算得到的控制电压信号再次输出到电液随动系统,控制接力器执行动作,直到动作信号、反馈信号、功率、频率等信号相互平衡后停止执行。

图1压油装置图

对于调速器抽动问题,分析主要原因有:电源电压不稳:电气硬件故障:反馈元件性能差或接触不良:调节器受到严重干扰:油质劣化造成阀芯卡阻、节流口堵塞等。基于此,公司组织开展了有针对性的调速器检修工作,如对主配压阀进行解体检查、清扫工作:更换电液随动系统控制元件板件:更换导叶反馈传感器:更换电液转换元件反馈传感器:检查调速器控制电源:更换电气测频模块,甚至更换主配压阀等。同时,进行了机组调速器静特性试验及动态检测(阶段性）,试验结果相同,未发现有价值信息。调速器是相对较成熟的设备,特别是在可编程微机调速系统方面更可靠,设计满足规范要求,系统的电气装置能承受来自电源、信号源和控制端口的干扰以及周围环境的辐射电磁干扰,同时设备本身的电磁干扰也减少到最低程度,因此不致于自己干扰自己,但多次试验均未发现导致出现问题的原因,很让人费解。

现场调速器电气柜布置在发电机层,与机组保护、机组监控、机组励磁等靠在一起,同样是电气可编程设备,只有调速器受到影响。机械柜布置在水轮机层,中间间隔发电机定子线圈,调速器电气柜到机械柜的控制及信号电缆沿桥架（桥架接地可靠完整）敷设在机坑周围,电磁场可能对电缆有干扰,该干扰可能导致调速器抽动。对电缆屏蔽层接地再次检查,按照电缆屏蔽层接地方式,电缆屏蔽层有一端接地和两端接地,检查确认电缆屏蔽层为两端接地且接地完好。

按照规范要求,水电站投产时对厂区接地网的接地电阻进行了检测,接地电阻（0.45Ω）满足相关接地规范要求（要求≤0.5Ω）。为防止运行一段时间后接地网的接地线断裂,接地效果达不到接地要求,运行5年后,再次进行电站主接地网的接地电阻测量,接地电阻（0.3897Ω）仍然满足接地规范要求。

按照设备接地设计要求,小岩头水电站调速器机械柜设有可靠的接地,只是因土建施工或者室内装修,明接地的接地点无法看到。但是因为调速器机械柜通过油压管路与水机里衬、调速器接力器等设备有螺栓可靠连接,就认为既有接地扁铁连接,又有管路连接,调速器压油装置接地良好,不会有接地不良缺陷问题。水轮机层接地网布置局部示意图如图2所示。

在对调速器进行静特性试验时,在调速器机械柜旁采用对讲机通话时,检测到调速器有机频信号干扰反馈。对讲机通话时监测到的干扰信号波形图如图3所示,且离柜体越近干扰信号越强,说明机械柜抗干扰能力差,但运行中出现抽动时,并没有出现有人使用手机的情况,不存在外来干扰源。为防止运行中发生调速器抽动问题,安全起见,电站禁止在调速器机械柜2m内使用对讲机或手机。

在开展年度技术监督工作时,按照技术监督工作的要求开展厂内接地导通性试验检测（即设备间的接地电阻）,发现3台机组调速器压油装置与厂房内其他设备的接地电阻值较大,远远超过（5mm×50mm扁钢）相同长度材料的阻值。

采用一根50mm2的铜导线将调速器压油装置与其他接地扁钢连接后,再来做先前发现的对讲机通话时的干扰检测,发现干扰源消失。压油装置接地后,使用对讲机时频率干扰信号波形图如图4所示。拆开临时接地线时,干扰信号再次出现,接上接地线,干扰信号消失。接上接地线后,无论使用对讲机还是手机,干扰信号均不存在。此时在调速器机械柜内（电液随动控制系统）使用对讲机或手机,干扰信号减少一半以上。可见抗干扰能力差的原因是设备接地不良,干扰信号直接作用于随动控制系统元件而得不到释放。对调速器压油装置重新引接地后,至今运行良好,未发生抽动现象。

分析其原因,认为是调速器压油装置设备未接地引起,调速器油泵电机启动、机组负荷变化,电网波动或者周围环境因素等产生的电磁源或电磁信号不是直接引到大地,而是经过电缆屏蔽层形成回路后再释放到大地。在电缆屏蔽层释放的过程中,该电磁或电流信号反过来影响了电缆中的信号,使信号发生突变叠加,扰乱了调速器的平衡,使调速器发生调整,调速器电气柜收到的信号与测到的电网信号发生差异,同样要进行调整,如此反复调整使调速器产生抽动,直到干扰信号源衰减完成抽动才停止。要想消除干扰,就要完善设备的接地工作,保障厂房接地可靠,重新引设备接地线并焊接可靠,消除电缆屏蔽层的干扰源,保障设备可靠运行。

4结语

小岩头水电站调速器因施工缺陷导致出现抽动问题,经过几年的查找、试验、检修后,发现并消除了困扰电站安全运行的隐患,目前机组运行状况良好,大大提高了机组的自动化运行水平和水电站的工作效率。