抽水蓄能機組機械制動控制故障

　　這篇機械工程師論文發表了抽水蓄能機組機械制動控制故障，論文選取3個大型抽水蓄能機組機械制動控制典型故障案例，對其故障原因及防范措施進行分析研究。通過分析故障原因，給出了幾點防范措施和建議，從而提高機械制動控制的安全性和可靠性。

　　關鍵詞:機械工程師論文,抽水蓄能,機械制動,案例分析,防范措施

　　抽水蓄能機組具有雙向旋轉運行、水頭高、轉速高、啟動頻繁等特點，在電網中一般承擔著調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。機組機械制動系統是抽水蓄能機組發電電動機的重要輔助設備，在機組啟動、停機、工況轉換過程中以及機組蠕動監測控制中起到機組制動作用，減少機組的惰性運行時間，以達到保護機組推力軸承瓦和縮短停機時間。國家標準GB/T20834-2014《發電電動機基本技術條件》中規定發電電動機應同時設置機械制動和電氣制動裝置。正常停機一般在轉速下降至50%額定轉速時投入電氣制動，轉速繼續下降至(5%～10%)額定轉速時，再投入機械制動直至停機。機械制動裝置單獨用于緊急停機時，應能在發電電動機轉速下降至(20%～30%)額定轉速時投入直至停機。機械制動系統投/退故障，甚至發生機組高轉速機械制動異常投入、帶機械制動升速等惡性故障，可能造成機組啟/停機失敗、發電電動機粉塵污染、制動器損壞、制動環損壞、機組軸系偏移、機械結構受損等不良后果，嚴重影響機組的安全穩定運行。

　　1制動器位置信號故障導致機組電氣事故停機

　　1.1故障描述

　　2014年11月，某抽水蓄能電站1號機組發電工況啟機過程中，出現“機組轉速>35%額定轉速投入機械制動”故障報警信號，觸發1號機組電氣事故停機，導致機組發電工況啟動失敗。

　　1.2原因分析

　　該電站1號機組機械制動系統配置8個制動風閘，“機械制動投入”狀態信號的判斷邏輯為8個制動風閘任意一個投入，即判斷為“機械制動投入”。機械制動控制程序設計有高轉速機械制動異常投入停機控制邏輯，即機組轉速>35%額定轉速時，若檢測到”機械制動投入”狀態信號，延時1s觸發機組電氣事故停機。根據監控系統事件記錄，啟機過程中高轉速階段出現“機械制動投入”信號并保持1.005s后自動復歸，但因該信號持續超過1s，從而觸發機組電氣事故停機。現地檢查機械制動器位置及其位置開關(位置開關型式為機械微動型位置開關)，發現7號制動風閘投入信號位置開關拐臂滾輪卡在機械驅動連桿上，處于信號接點動作的臨界位置，機組啟動過程中的機械振動，使機械驅動連桿有上下運動的趨勢，導致處于臨界位置的信號接點閉合，送出錯誤的7號制動風閘投入信號，最終導致機組電氣事故停機。

　　1.3防范措施及建議

　　本故障的直接原因是7號制動風閘位置信號開關卡瑟送出錯誤的位置信號，觸發機組高轉速機械制動異常投入停機控制邏輯輸出，最終導致機組電氣事故停機。制動器位置信號是機械制動控制的重要參量，其直接反應制動器的位置狀態，錯誤的制動器位置信號可能引起制動投/退失敗、甚至帶制動升速等后果，位置信號器故障是機械制動發生頻次較高的故障。完善的高轉速機械制動異常投入控制邏輯可最大限度地保護機械制動異常投入時機組的安全。

　　結合本案例，有以下幾點防范措施及建議。1)制動器位置開關宜選用純機械行程壓緊位置信號器，不宜采用微動開關，機組運行時的機械振動宜導致微動開關故障發出錯誤的位置信號，微動開關的機械強度較差易損壞。位置開關的安裝固定應牢固，以防止在振動和制動器動作時導致位置開關移位，送出錯誤的制動器狀態信號。2)制動器位置信號回路應簡單、可靠。不宜單獨設置機械制動信號裝置，制動器位置信號宜直接上送計算機監控系統，在計算機監控系統中進行有關邏輯組態和流程設計。

　　若在發電電動機現地單獨設置機械制動信號裝置，信號裝置的狀態(看門狗、控制電源等)信號應上送計算機監控系統并用于機械制動控制邏輯及流程設計。在計算機監控系統中應能監視每個制動器的位置狀態和機械制動系統投入/退出狀態。3)關于機械制動投入/退出狀態信號。“機械制動投入”狀態信號應取任一制動器投入信號，或者動力管路壓力高于某一定值(由機械制動系統設計值來進行合理整定)。“機械制動退出”狀態信號宜取所有制動器退出位置信號的“與”邏輯，且同時滿足動力管路壓力低于某一定值(由機械制動系統設計值來進行合理整定)。“機械制動投入”和“機械制動退出”信號應為兩個信號量，不應為相互取反。4)關于機組高轉速時機械制動異常投入。

　　在機械制動控制程序中設計控制邏輯，當機組轉速高于設定值時，出現機械制動投入狀態信號或機械制動未退出狀態信號或機械制動投入腔有壓信號，立即發出退機械制動指令并保持退出令，同時閉鎖機械制動投入并發故障報警信號，經短延時后若機械制動機械制動投入或機械制動未退出狀態信號仍然存在，執行停機。關于本控制邏輯有幾點說明:高轉速設定值一般比緊急投機械制動的轉速值高約5%左右為宜，一般為25%額定轉速;設置短延時一般是防止有干擾信號引起誤動，延時值一般取2～3s為宜，不宜過短或過長;停機方式宜為水力機械事故停機。

　　2機組帶機械制動升速

　　2.1故障描述

　　2014年7月，某抽水蓄能電站3號機組發生發電工況帶機械制動啟機事件，機組高轉速機械制動異常投入保護在25%額定轉速時未正常觸發停機，直至機組轉速升至95%額定轉速時，才觸發機組機械事故停機。此次故障造成機械制動8臺制動器磨損、制動環因高溫變形波浪度超標、發電電動機定、轉子內部積塵等不良后果。

　　2.2原因分析

　　分析監控系統歷史事件記錄，發現3號機組發電啟機過程中，由于“機械制動退出”信號在前一日機組停機后就一直保持未再發生過變位，機組發電啟機控制流程中退機械制動那一個步序未實際執行，繼續開導葉升速，造成機組發電工況帶機械制動啟機。現地檢查發現機械制動退出信號裝置故障，“機械制動退出”信號由該裝置的常閉接點輸出，導致監控系統一直收到錯誤的“機械制動退出”信號。該機組控制程序設計有高轉速機械制動異常投入停機控制邏輯，其邏輯為:機組轉速>25%額定轉速時，收到“機械制動投入”狀態信號，直接觸發機組機械事故停機。“機械制動投入”信號由機械制動投入信號裝置送給計算機監控系統。在機械制動投入信號裝置中，“機械制動投入”信號的判斷邏輯為8個制動器同時都在投入位置時才輸出“機械制動投入”信號。機組啟動過程中，有一個制動器的位置信號故障，“機械制動投入”信號邏輯不滿足，導致25%額定轉速時機組未停機，機組繼續升速，當轉速升至95%額定轉速時，可能是由于機組振動因素，之前的故障的制動器位置信號恢復正常，高轉速機械制動異常投入停機條件滿足，觸發機組機械事故停機。

　　2.3防范措施及建議

　　本事故案例中，涉及制動器位置信號、機械制動投/退狀態判斷邏輯、程序控制策略等方面的諸多問題，有以下幾點防范措施及建議。

　　1)制動器位置信號回路應簡單、可靠。不宜單獨設置機械制動信號裝置，制動器位置信號宜直接上送計算機監控系統，在計算機監控系統中進行有關邏輯組態和流程設計。若在發電電動機現地單獨設置機械制動信號裝置，信號裝置的狀態(看門狗、控制電源等)信號應上送計算機監控系統并用于機械制動控制邏輯及流程設計。在計算機監控系統中應能監視每個制動器的位置狀態和機械制動系統投入/退出狀態。

　　2)關于機械制動投入/退出狀態信號。“機械制動投入”狀態信號應取任一制動器投入信號，或者動力管路壓力高于某一定值(由機械制動系統設計值來進行合理整定)。“機械制動退出”狀態信號宜取所有制動器退出位置信號的“與”邏輯，且同時滿足動力管路壓力低于某一定值(由機械制動系統設計值來進行合理整定)。“機械制動投入”和“機械制動退出”信號應為兩個信號量，不應為相互取反。

　　3)對于設計上停機穩態時機械制動保持投入的，“機械制動投入”、“機械制動系統可用”信號應作為機組啟動的初始條件，條件不滿足時閉鎖啟動機組。

　　4)對于設計上停機穩態時機械制動退出的，“機械制動退出”、“制動系統可用”信號應作為機組啟動的初始條件，條件不滿足時閉鎖啟動機組。

　　5)機組啟動過程中，流程執行到退機械制動的相關步時，無論當前機械制動狀態是投入還是退出，均應無條件發機械制動退出令(指令寬度應確保機械制動可靠退出)，命令發出后，必須收到“機械制動退出”信號并經延時后，流程方可繼續執行下一步。

　　6)機械制動動力介質(氣或油)管路上的介質控制電磁閥(機械制動投/退電磁閥)宜采用單線圈單穩態電磁閥并具有過電壓抑制措施，電磁閥勵磁時投入機械制動，電磁閥失磁時退出機械制動。這樣可在控制回路斷線、電源丟失、無退出令等情況下可靠退出機械制動。電磁閥的狀態應上送計算機監控系統，用于監視。

　　3機組高轉速下機械制動異常投入

　　3.1故障描述

　　2008年10月，某抽水蓄能電站3號機組拖動4號機組BTB啟動過程中，3號機組監控系統及調速器上均無轉速信號(實際上機組正在升速)，手動按機械事故停機按鈕，停機過程中，在轉速約為83%額定轉速時，機組機械制動投入。

　　3.2原因分析

　　機械制動用轉速信號來自調速器電調，電調的轉速信號來自轉速采集裝置，轉速采集裝置有兩路輸入源，一路是齒盤信號，一路是PT信號(當時未接入)。BTB拖動時，拖動機電調在導葉開度達5%后，延時8s觸發轉速采集裝置采集轉速，但此時機組實際還未轉動，出現轉速信號采集失敗報警，電調把轉速信號默認為0不再變化，這就是啟機過程中監控系統及調速器上均無轉速信號的原因所在。手動按機械事故停機按鈕后，機組出口斷路器分閘、勵磁退出、導葉關閉、球閥關閉后，由于轉速為0的信號一直存在，機械制動投入條件滿足，在約83%額定轉速時機械制動異常投入。

　　3.3防范措施及建議

　　機組轉速信號是機械制動控制過程中的重要參量，轉速信號的可靠性直接關系機械制動的安全性。由于轉速信號異常導致機組高速誤投機械制動偶有發生，造成惡劣后果，應引起高度重視，關于此類故障有以下幾點防范措施及建議。1)機械制動轉速信號不宜采用單一信號源，宜采用齒盤測速和PT殘壓測速冗余測速信號，防止單一信號丟失或錯誤，導致誤投制動。2)機械制動轉速信號取自轉速測量裝置時，轉速測量裝置信號輸入應有齒盤和PT冗余輸入源，裝置應有自診斷功能，輸入信號異常及裝置異常時應發出故障信號并閉鎖所有轉速信號輸出，防止輸出錯誤的轉速信號，導致誤投機械制動。轉速測量裝置應實時連續采集和處理速度信號，不應設置采集觸發條件。3)機組轉速信號應采用常開接點信號，避免轉速信號回路故障時收到錯誤的轉速信號。不應采用模擬量轉速信號，當傳感器或測量異常時，極易產生轉速為0的錯誤信號。4)機械制動用機組轉速信號宜取自不同的設備或系統，形成冗余的轉速條件校驗。5)機械制動控制程序中使用的轉速信號應鑒別其有效性，當出現轉速測量裝置故障報警、測速傳感器報警及其他相關報警信號時，當前轉速信號應視為無效，不予采用。

　　4結語

　　大型抽水蓄能機組水頭高、轉速高，機械制動系統動作異常輕則造成啟停機失敗，重則發生機組高轉速時誤投制動、機組帶機械制動升速等惡性故障，造成發電電動機粉塵污染、制動器損壞、制動環損壞、機組軸系偏移、機械結構受損等嚴重不良后果。本文選取3個典型故障案例并進行分析，從提高機械制動控制的安全性和可靠性方面給出防范措施及建議，對大型抽水蓄能機組機械制動控制的設計、調試和運維具有一定的參考借鑒意義。

　　作者：劉鵬龍 張紅方 方書博 單位：河南國網寶泉抽水蓄能有限公司

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