Tis Abay II电站调速器概述及故障处理

赖 建 辉

（中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100120）

1 引言

该水电站，位于非洲尼罗河源头之一的青尼罗河（BLUE NILE）上，电站装有两台立轴混流式水轮发电机组，单机容量为 36MW，属渠道引水式电站，额定水头51.4m。全部机电设备是由中国提供的，也是中国的机电产品第一次出口到埃塞尔比亚。由于水资源比较丰富，出力稳定，属于该国电网中的主力电站之一。

2 调速器系统介绍

2.1 概述

本电站采用的是KZT-100型可编程调速器，电液转换部分采用了环喷式电液转换器。其电气部分采用高性能可编程控制器——法国Modicon TSX37作为硬件主体，装置可靠性高，平均无故障时间 MTBF≥15000h。内含先进的 PLC测频，采用日本松下的MINAS A系列400W交流伺服电机作为位置环控制方式和全数字交流伺服驱动技术，实现了微机调速器的全数字式控制。可靠性和调节品质已完全能够满足电厂无人值班、少人职守的要求。

2.2 主要参数和技术性能

2.2.1 主要参数

（1）导水叶接力器全开、全关时间

全关时间 3～20s

全开时间 3～20s

（2）空载和负载时调整时间参数

比例系数K ：0.5～20

积分系数K ：0.05～10

微分系数K ：0～5

永态转差系数bp：0～10%

2.2.2 技术性能

调速器技术性能符合国家“水轮机调速器及油压装置技术条件”GB/T9652.1-1997的要求，主要性能指标如下：

转速死区i＜0.04%

桨叶随动系统不准确度i＜1.0%

导叶静态特性曲线非线性度＜3%

甩10%～15%负荷时，导叶接力器不动时间tq＜0.2s

机组自动空载频率摆动值 Δf＜±0.15%（相当于≤±0.15Hz）

备用电源切换、手自动切换时导水叶开度变化＜±1%

机组带稳定负荷运行时，导叶波动＜±1%

调速器抗油污能力：滤油精度＜100μm

机组频率信号电压正常工作范围：0.2～130V，正常测频范围：5～100Hz

电网频率信号电压正常工作范围：0.2～130V，正常测频范围：45～55Hz

2.3 调速器的主要特点

（1）调速器采用了块式直连型机械液压系统，主配为加工件，机械液压部分用全液压集成块结构，技术先进，可靠性高。

（2）由交流伺服电机和滚珠螺旋副组成的电-机转换环节，具有不用油、断电自保持、免维护、可靠性极高等特点。

（3）采用了可编程控制器作为硬件主体，使整机平均无故障运行时间提高到MTBT≥15000h。

（4）调速器具有多种运行模式，如频率调节、开度调节、水位控制和功率调节等，能适应不同运行工况的要求。

（5）同时设有机械开度限制和电气开度限制，操作灵活，运行可靠。

（6）频率（转速）的测量由 PLC实现，外围电路简单，提高了整机的抗干扰能力及可靠性。

（7）频率调节模式采用PID调节规律，开度和功率调节模式采用PI调节规律。

（8）具有与上位机的通信接口(RS-232C)，便于实现电站计算机控制。

2.4 微机调节器的调节特性

（1）频率偏差环节

频率死区特性，见图1。频率死区单边值E，显然，当E=0时，△f=△f′。

图1 频率死区特性

其中，FJ为与机组频率fJ成比例的数字信号；FW为与电网频率fW成比例的频率给定数字信号；FG为与机组频率和电网频率同一比例关系的频率给定数字信号；

（2）PID调节特性，见图2。

记录PID特性时，微机调节器输出换算成相对值，y：0～100%。

（3）微机调节器的静特性，见图3。

① 在停机等待状态时，接到开机令调速器即将导叶开启至第一开机开度yKJ1(图中b点)

② 机组频率＞45Hz，调速器即将导叶关闭至第二开机开度yKJ2(图中d点)并投入PID，转入空载工况。

图2 PID特性

图3 调速器静特性

图4 开机特性

图5 停机特性

（5）停机特性，见图5。

① 接到停机令后，导叶即由当时开度以第一停机速度将导叶关闭。

② 当导叶关闭至30%开度时，再以第二停机速度将导叶关闭至全关位置，同时转入“停”。

2.5 运行状态转换

调速器运行状态的转换见图6。

图6 调速器运行状态转换

2.6 电气操作介绍

2.6.1 上电检查

狂欢文化来自狂欢节这一民俗仪式。它本是以酒神崇拜为核心的民间节庆和游艺形式。自媒体时代所带来的新的传播手段和模式，以及由此带来的后现代的生存思维与生活方式，在一定程度上呈现出了巴赫金笔下具有颠覆性的“第二世界”。新兴媒体的传播特性也正与“狂欢”要求的要素相互契合。

合上交流、直流电源开关，上电后，如果机频＜45Hz，且导叶开度＜6%，则调速器进入停机等待状态，导叶关到零。

如果机频≥45Hz，且导叶开度≥6%，油开关未投，则调速器进入空载状态，有电网频率信号则机组频率跟踪电网频率，无电网频率信号则机组频率跟踪给定频率。

如果机频≥45Hz，且导叶开度≥6%，油开关合，则调速器进入负载状态，调速器进入开度调节模式。

2.6.2 停机备用

当机组处于停机备用工况时，微机调节器应合上交直流电源，并处于自动工况，机械液压系统应接通额定压力油。

2.6.3 开机

调速器在停机备用状态，频率调节模式。当接到开机令时，机组进入开机过程。

另外：

（1）调速器与机组进入空载时，有网频信号的情况下，机频自动跟踪网频，具有精度高，PID调节精确，不接收外部手动操作，可使机组快速、平稳地同期并网，这也是该调速器的最大优点之一。

（2）如果特殊情况下，没有网频输入，调速器自动解除网频跟踪，并转而跟踪内部频率给定，频率给定值可以修改。

（3）在自动开机过程中，如果机频因故障消失，调速器将自动发出机频故障显示并报警。第二段开机25s后如机频还不能恢复则自动停机。

2.6.4 并网

当机组油开关合上后，调速器处于负载状态，进入开度调节模式。

并网后，当“参数修改”画面中选择了模式手动时，调节模式可以在频率模式、开度模式、功率模式之间通过机组状态进行切换。

注意：空载状态下只能是频率模式。

另外：

（1）并网后如调度中心要求机组担任调频任务，则调速器必须处于频率调节模式。

（2）如果调度中心要求机组担任额定负荷调节，则调速器可处于功率调节或开度调节模式下运行。

（3）并网后油开关信号必须接触可靠。

三种调节模式间的转换关系见图7。

图7 三种调节模式间的转换关系

2.6.5 停机

当调速器接到停机令后，导叶在电气两段关闭方式下关至零，调速器回到停机等待状态。

2.7 一般故障处理

（1）机频故障

原因：信号线断开，隔离变压器损坏。

现象：机组频率显示无数值，指示机频故障，调速器维持原位不动。

处理步骤：

①首先将调速器切到机械手动运行（如有可能应停机）。

②信号消失或断线：根据原理图，从测频模块到PT逐步查找故障点。

③排除故障后，调速器一切正常才可以切到自动运行。

（2）网频故障

原因：信号线断开，隔离变压器损坏。

现象：指示网频故障，调速器维持原位不动。

处理步骤同机频率故障。

（3）功率反馈故障

原因：反馈线断；在功率模式下，增减负荷过快；开限未打开；功率变送器损坏。

现象：指示功率反馈故障；调速器从“功率模式”自动切换到“开度模式”，发报警信号。

处理步骤：

①检查功率变送器与信号线。

②若是增减过快，可减慢增减负荷速度，或者与厂家联系，修改相应程序。

（4）导叶反馈故障原因：

①位移传感器反馈断线或损坏

②反馈电位器反馈断线或损坏

③“开度模式”增减开度给定过快

④开限没有打开

现象：指示导叶反馈故障；发报警信号。

处理：根据不同的故障原因，可采取：

1)打开电气开限。

2)减慢开度给定速度，或与厂家联系，修改相应程序。

3)若位移传感器故障，修复或更新后应调整零点与满度 。零点与满度的调整方法将在后面介绍。

4)若反馈电位器故障，应换掉电位器，并重新安装与调整。

（5）导叶突然全开

现象：指示导叶反馈故障，导叶开度表无指示，平衡表指向最大。

处理：检查外接线端子看导叶反馈输入是否有反馈电压：如果没有反馈电压，则说明反馈断线，应检查导叶反馈装置中的插头是否松动，W1和W2是否开路或损坏。

2.8 导叶反馈的零点调整和满度调整

在运行过程中因检修的需要或者意外事故，如发现导叶反馈零点和满度输出不对，应在退出运行后关闭进水阀，对导叶反馈装置重新进行零点调整和满度调整。导叶反馈电位器接线图如图8。

（1）零点调整

用机械手动将导叶全关，松开紧固螺钉，调节W1（1kΩ圆形电位器）中心轴，测量a与b间的电压，使该电压值为0.5V，然后锁紧紧固螺钉，注意不要完全调为0V，否则自动运行时接力器不能压紧行程。

（2）满度调整

用机械手动将导叶全开，调节W2（750Ω矩形电位器），测量a与b间的电压，使该电压值为9.8～10V之间，注意不要超过 10V，否则自动时接力器不能开到全开位置。

注意：以上步骤均应在无水条件下进行。

图8

3 特殊故障出现与处理

机组运行近两年后，1号机组突然出现故障，紧急甩负荷停机。运行人员按检查程序检查机组后没有发现其他问题，决定重新开机，多次开机不成功，出现的状况是发开机令后，机组转速达到 25%左右后就停机。因为当地正处于干旱缺水的季节，只有 TIS ABAY II 电站的青尼罗河水源充足，其他电站由于缺水无法满负荷发电，给本已供电紧张的电网雪上加霜。

调速器电气部分的平均无故障时间应该大于15000h，调速器与机组进入空载时，有网频信号的情况下，机频自动跟踪网频，具有精度高，PID调节精确，不接受外部手动操作，可使机组快速、平稳的同期并网，如果特殊情况下，没有网频输入（比如电网没电），调速器自动解除网频跟踪，并转入内部频率给定调节；在自动开机过程中，如果机频因故障消失，调速器将自动发出机频故障显示并报警，第二段开机25s后如机频还不能恢复则自动停机。

到现场后，1号机调速器已经断电。为了查清原因，我们调用了发生故障时的故障报告记录，并认真听取了运行人员的介绍，由于本电站采用了计算机实时监控系统（SCADA），故障报告保存完好，帮助了我们查找事故原因。

据运行人员介绍，事故发生后，再度开机时，调速器工作失常，具体表现为：发自动开机令后，机组辅助设备系统运转正常，然后发命令给调速器，导叶打开，转速上升，电调柜上指针式转速表有指示，且逐步上升到50Hz左右，此时调速器数字显示屏上仍然无任何显示（此信号来自发电机出口母线的电压互感器上，正常情况下，当转速达到约 18Hz时开始有显示），当导叶开度达到20%左右时，导叶自动向关闭方向动作，直至全关，机组停机，发回到中控室的报警信号是“调速器故障”。我们判断为调速器的测频回路发生了故障。现场调速器上电检查发现，调速器已经死机，因为在停机状态下，检查PLC外部接线没有问题，合上调速器的直流和交流双路电源，调速器面板上用于表示调速器正常工作的指示灯不亮，说明调速器死机了。采用笔记本电脑和PLC连接重新给调速器内部上传程序的方法，解决了此问题，重新合上电源，调速器本身运行正常。

后来查找到了调速器死机的原因：电厂运行人员在检查测频回路时，将100V网频信号(来自网频电压互感器TV3)输入到机频回路时，没有将接在机频回路端子上的原有两根线断开，导致100V交流电反送到另一台机频电压互感器(TV2)二次侧线圈，产生了大电流，烧断了TV3二次侧熔断器的同时，在调速器背后的接线端子上产生了电火花，导致了PLC的死机。

PLC正常后，用信号发生器输出一个50Hz、100V的信号直接接到调速器柜的机频和网频端子上，此时调速器柜面板上的数字显示值交替显示50Hz，表明调速器的测频回路已经没有问题。拆除信号发生器，恢复原来接线，然后更换了TV3二次侧的熔断保险。用纯手动方式开机，将转速维持在50Hz左右，此时，测得 TV2二次侧和调速器机频输入端子上的电压为0.165V。

根据上述现象判断，发电机出口电压互感器二次侧电压过低（低于0.3V）是导致电调柜测频回路不能投入工作的主要原因。在正常起机的情况下，当导叶开度到达 19%左右时，转速上升，转速达到约 18Hz时，机端电压互感器TV2二次侧电压即达到0.3V以上（调速器测频回路信号电压的范围是：0.3～130V之间），调速器测频回路开始投入工作，面板上开始有数据显示，当机组频率大于45Hz时，投入PID控制，导叶开度被自动关至 17%左右，机组的转速开始跟踪网频。开机令下达之后，开机程序开始计时，如果在35s钟内测频回路仍不能投入正常工作，即机组频率仍达不到45Hz，调速器就会自动关机，发“调速器故障”信号。

处理方法：机组纯手动启动，并使机组的转速维持在额定转速，手动加励磁使发电机出口电压达到额定值，此时机组运行正常。运行十几分钟后，手动停机。将操作手柄转到自动起机状态，发起机命令，机组正常起机，并网发电。

事故结论：1号机组在正常满负荷运行中，励磁电流回路开关（Field Breaker）突然跳开，导致转子失磁，定子电压下降，无功功率进相，强烈的电枢反映导致转子电压及电流极性转换，变为负值。电气保护立即动作，跳开发电机断路器，机组紧急停机。转子电压电流的反极性，大大降低了转子的剩磁，导致再度开机时，发电机定子残压过低，在TV2二次侧的电压不足0.3V，以致调速器柜无法测到机组频率而停机。而用纯手动开机，然后在励磁柜手动起励就解决这个问题。

至于在正常运行中励磁回路开关为什么会突然跳开，分析原因有两条：一是继电保护动作的结果，二是人为的作用，在 SCADA故障记录中没有任何继电保护导致跳磁场开关的记录，应判断人为误操作所致。

4 结束语

运行实践证明，KZT-100型可编程调速器是目前功能完备，抗油污能力强，可靠性高的、适用于中小型水轮发电机组的微机调速器。

Tis Abay II电站调速器自投运以来运行良好，虽然出现过故障，但经我方人员及时处理，为埃塞俄比亚的电力供应作出了巨大贡献。