飞来峡水电厂1#机组无法同期并网原因分析

古建文

(广东粤海飞来峡水力发电有限公司，广东 清远 511825)

1 机组概况

飞来峡水利枢纽水电厂为河床式、低水头电站，装有4台灯泡贯流式水轮发电机组，装机容量为140 MW，设计年发电量为5.54亿kW时，机组额定功率为35 MW，额定转速为83.33 r/min，额定水头为8.53 m，运行水头为3.61～13.83 m，调速器型号：MIPREG DGC 6000C。

2 事件过程

2022年2月10日，2#、3#、4#机组满负荷运行，1#机组备用，电厂总出力为105 MW，1#、2#主变正常运行，机组通过1#主变向电网送电，10 kV厂用电Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段分段运行。

17：00左右，计划将1#机组由备用转运行，1#机组从水轮机工况(即空载工况)到并网过程中，监控系统显示励磁已投入，同期准备好，且监控系统无其他异常报警，但最后一步出口开关始终无法同期合闸，导致机组开机超时停机，数次并网失败。

3 故障现象

查看机组监控系统数据可知，1#机组在水轮机工况时转速可以达到100%～100.7%，但投入励磁后转速降至98.8%～99%左右，频率在49.28～49.6 Hz波动，导叶开度在12%～12.4%波动，轮叶开度在1.9%～2.1%波动，到现场检查同期装置中的频率和相角条件满足指示灯未亮。

任何类型的发电设备，发出电能后都要向电网输送电能，也就是发电机需要并网发电，非同期并列会产生很大的冲击电流和冲击转矩，严重时致使发电机损坏烧毁，甚至破坏电力系统稳定。而并网的同期条件有3个：发电机出口开关两侧电压差不应超过额定值的±5%，两侧电压频率差不应超过额定值的±0.6%，相位差不应大于5°。并网以后机组和电网连成整体，电网各处的频率都是完全相同的，电网越大，频率波动幅度就越小，频率也就相对越稳定，而电网频率只与有功功率是否平衡有关系，发电机组发出的有功功率大于用电的有功功率时，电网整体频率升高，反之亦然[1]。

4 原因分析

水轮机与发电机转子同轴相连，而水轮机为原动机，即提供发电机转子转动的动力源，水电厂中的发电机都为同步电机，当发电机带上负载(并网)以后，发电机转子绕组会产生旋转磁场，由于电磁感应，三相定子绕组中的电流也会产生一个旋转磁场，该磁场与转子以同转速、同方向旋转称为“同步”。同步电机的转速与频率之间有严格的关系，即60f=np(f即为电网频率，n为发电机转子转速，p为转子磁极对数)。为保证并网时机组频率达到50 Hz，与电网频率保持一致，必须要保证水轮机的转速在额定转速的偏差范围内。而水轮机的转速控制，则是靠调速器控制导叶的开度，从而控制进入水轮机的水流量实现。

飞来峡机组正常开机并网流程如下：

① 轴承高压油泵投入，轴承油泵投入，油雾风机投入，碳污清除器投入，冷却水泵投入，调速器油泵投入，轴承冷却水泵投入，冷却水阀打开，水轮机大轴密封润滑水投入；

② 轴承油阀打开；

③ 机械制动退出；

④ 快关阀在运行位置；

⑤ 调速器启动；

⑥ 励磁投入，发电机风机投入；

⑦ 同期装置投入，等待并网。

步骤⑤调速器启动后，机组导叶开至空载位置，维持机组转速在额定值；空载时除了机组的转速维持在额定值外，还要投入励磁系统，维持机端电压在额定值；当机组收到并网命令时，调速器和励磁系统根据测得的系统电压和频率，对机组转速和机端电压进行微调，机组满足并网条件时，同期装置发出合闸脉冲使发电机出口开关合闸[2]。

无论是空载前还是并网后，机组的转速都由进入机组的流量决定，即由调速器控制(空载前，增大流量，使转速增加，并网后，控制流量，使转速恒定)；而维持发电机的出口端电压，由励磁系统来控制。调速系统和励磁系统共同完成水轮发电机组的控制，两者各司其职，相互配合，使机组并网后频率恒定，电压恒定。并网后，机械功率转化成了电磁功率，所以，在增加水流(导叶开度增加)时，体现为功率的增加[3]。

截取1#机组故障未处理时的1个开、停机流程相关数据进行分析(见表1～表2)。

从表1和表2数据可知：1#机组在水轮机工况下运行正常，但是投入励磁后频率和转速均有下降，且频率波动较大。

表1 故障未处理时1#机组水轮机工况相关数据

表2 故障未处理时1#机组水轮机工况至并网过程相关数据

4.1 首先考虑是否同期回路或装置出现故障

从机组合闸二次回路可知，机组合闸条件有4个:

① 出口地刀断开(隔离盖也在正确位置)；

② 三相制动刀闸断开：

③ 发电机出口电压存在：

④ 同期装置条件满足，发出合闸命令。

检查前3个条件相应的继电器动作正常、控制回路没有出现断线，那么首先考虑是否同期装置出现故障，端子接线是否松脱。

到现地对同期装置进行复归，没有作用，切换至另1台同期装置，检查紧固端子接线，然后断开机组出口刀闸进行模拟并网，依旧无法并网。同期装置发出合闸命令的接点是通过-K0111继电器作用于控制回路，而此时-K0111继电器没有励磁(继电器-K0111没有故障)，表明确实是同期条件中的频率和相角不满足，不是同期装置故障[4](见图1)。

图1 合闸控制回路示意

4.2 考虑是否测频回路或装置出现故障

调速器测频回路采用齿盘测速和残压测速两种方式。齿盘测速有两个磁性探头，对称分布在大轴上，探头产生的脉冲信号处理后用以触发计算器，经计算得出机组转速。残压测速信号取自于发电机出口电压互感器，经隔离、限制、滤波、放大，产生与机组转速成正比的方波脉冲，用以触发计算器，经计算得出机组转速，根据n=60f/p可得出转速。调速器在转速低于76%时，采用齿盘测速，大于76%时，采用残压测速[5]。

排查最容易损坏的残压测频继电器及相关隔离变送器，更换部件后重新开机，依旧无法并网(见图2)。

图2 飞来峡电厂调速器控制原理示意

4.3 考虑是否调速器参数有误或调速器主板故障

水轮发电机的转速将决定发出的交流电的频率，为保证这个频率的稳定，必须稳定转子的转速。为了稳定转速，可采用闭环控制的方式对原动机(水轮机)转速进行控制，即将发出的交流电的频率信号采样，并将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中，控制水轮机的输出功率，通过反馈控制原理，可使发电机的转速稳定[6]。

调速器系统是根据负荷的变化，不断地改变水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组转速(频率)在规定的范围内，通常由测量、加法、放大、执行和反馈等元件组成。调速器在机组单机运行或空载运行时，作为定值调节系统工作，改变机组转速；在机组并网运行时，作为开环调节系统工作，改变机组有功出力。其转速控制采用P+I+D调节规律，功率(开度)控制采用P+I调节规律，通过人机界面LCD终端可以进行参数修正、输入/输出功能[7](见图3)。

图3 水轮机调节方框示意

检修人员核对调速器参数，未发现异常，更换调速器主板，并重新核对参数无误后，依旧无法并网。

4.4 考虑是否导叶传感器4-20 mA电流出现误差，造成调速器启动开度限制

由表3～表4可知：1#机组之前正常开机时，并网前的导叶开度均略小于12%，转速均略大于100%，与2月10日并网失败的相关数据相比，虽然看似正常，但有较小偏差。检测发现，投入励磁后，同期装置发出命令增频，调速器收到命令，但未能增频，检修人员计划对导叶开度传感器电流值进行检测。

表3 1#机组之前3次正常开机相关数据

表4 2月10日1#机组3次并网失败的相关数据

飞来峡电厂的水轮机导叶位置传感器主要由恒力弹簧、十圈电位器、信号变换模块等3部分构成。钢丝绳一端固定在导叶控制环连臂杆上，另一端缠绕并固定在钢丝绳活动转盘上，靠恒力弹簧的力量始终拉紧钢丝绳。

运行中随着钢丝绳活动转盘转动，十圈电位器电阻值发生改变，再通过信号变控模块将十圈电位器的电阻值转换为电流值，将导叶位置传感器输出4～20 mA的电流反馈给调速器，其对应的导叶实际开度为100%～0%[8](见图4)。

图4 导叶位置传感器原理示意

检修人员在1#机组停机状态下对电液转换器回路进行有针对性的检查，查看接线端子，同时用万用表测量其4～20 mA的模拟量采样通道，发现该通道的电流值在停机的情况下只有19.5 mA左右，无法达到20 mA，且停机时导叶开度显示1.8%～2.1%，由此可以猜测可能是由于导叶传感器4～20 mA电流信号出现偏移，实测电流值偏小，导致机组空载时调速器导叶开度值较实际开度值偏大2%，调速器限位器动作，导叶开度无法继续加大，进而导致转速不能达到100%，频率无法增加,相角也不满足条件(相角由发电机转速和定子绕组的空间角度决定)，而导叶传感器输出的4～20 mA的电量没有超出范围，因此，调速器没有发出电调跳闸信号，监控系统也没有出现其他报警信息[9]。

调速器内部有开度限制回路，启动开度限制了机组并网前的导叶开度，其值根据水头变化和协联关系在调速器内部有所调整，在水头-开度限制协联的曲线上叠加一个偏移量，可以修改所有水头下的空载导叶启动开度。启动开度分2级，第1级开度约为空载开度的2倍，可尽快启动机组；第2级开度约为空载开度1.3倍，在转速大于45 Hz 时启用，以确保较小的过速，当转速接近95%时，机组进入空载调节，导叶接力器关至空载开度，逐渐使转速稳定，自动跟踪系统频率，等待同期并网。导叶开度调节过程中实际的导叶开度减去限制器读取的数值，即获得导叶开度的修正值，然后放大信号以增强反馈作用，放大后的信号将与转速控制、有功(开度)控制回路产生的信号进行比较，较小值将被采用[10]。

当启动开度限制值过小时，可能出现开机时，机组不到额定转速，此时，可修改此参数，增加导叶空载限制的最大值。当此值过大时，可能引起机组开机时，转速出现大的超调，而此次机组无法同期并网应该是因为导叶反馈值较实际值偏大，达到了开度限制器动作的数值，导叶开度不再增大(见图5)。

图5 电气调速器控制逻辑框示意

5 故障处理

检修人员对水头检测装置进行校对，对轮叶协联关系进行诊断，没有发现异常，查看并网时调速器程序中的导叶电气开度限制最大值为12%左右，导叶实际开度已经超过12%，所以开度限制器动作。那么可以判断是导叶开度反馈偏大，于是对导叶开度传感器参数进行校准，重新调整了导叶位置传感器4～20 mA的模拟量与导叶实际开度为100%～0%的对应线性关系，重新开机，投入励磁后，导叶开度小于12%，转速100%左右，频率提升至50 Hz左右，相角也满足条件，多次模拟并网成功，故障排除。此次故障点较为隐蔽，数据误差很小，历经数小时、多方面排查得以解决[11]。

6 结语

水轮发电机的导叶开度传感器工作环境比较潮湿，空气杂质较多，加上长时间运行，容易引起十圈电位器滑动电阻线性不良，进而影响导叶传感器内的电子元件性能，使反馈调速器的导叶开度电信号产生偏移误差，继而可能导致开机失败、导叶开度不稳定甚至机组跳闸。水轮机导叶接力器位置传感器等辅助设备的可靠性是确保机组安全稳定运行的重要条件，定期对水轮机及相关辅助设备进行维护检查非常必要，对于部分参与机组控制的重要外围信号采集装置,如机组导叶、轮叶位置传感器以及机组净水头测量装置，都应采用冗余，实现多套备用，在故障情况下能实现自动切换。