1 概述
西藏满拉水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区江孜县境内的年楚河上游,坝址距下游的日喀则市ll3km,距江孜县城28km,是年楚河流域规划的一期工程,水库总库容l.55亿m3,水电站总装机4台,单机5MW,总容量为2万千瓦,年发电量0.61亿千瓦时,是以灌溉、发电为主,兼有防洪、旅游等多种经济效益的水利工程。
西藏满拉水电厂首台机组于1999年底发电,采用的是重庆水轮机厂生产的水轮发电机组及配套调速设备,运行多年后,调速设备出现机构卡涩、调节失灵等多次故障,于2004年底改造成双微机调速器,液压部分更换成比例伺服阀和插装阀组成的集成式调速系统,自2005年初成功改造完成后,运行一直很稳定。但自2010年电厂计算机监控系统改造完成以来,1、2、4号机运行良好,但3号机一直存在开机过程中,计算机监控系统下发开机令后,调速器动作异常,出现切换模件中负责切换逻辑的芯片工作不正常、B套主机模件程序芯片受干扰等异常现象。期间本厂维护人员,通过更换监控和调速之间的连接电缆,更换切换模件和主机模件,系统暂时恢复正常,但运行不到一个月,又出现上述异常情况,造成机组正常开机失败,只能采取手动开机方式,给电厂正常运行带来不便。
由于水轮机调速器是水电系统中重要的频率和有功调节控制设备,承担着机组的启动、停止、工况转换、负荷调整等重要任务,直接关系到机组和电网的安全稳定经济运行。为此,满拉水电厂和南京南瑞集团公司技术人员在现场对3号机调速器进行了全面的检查,通过故障模拟、现场试验对3号机开机异常现象进行了排查,对故障原因进行了分析,并采取了有效的措施。
2 故障排查
考虑到监控系统改造前,调速器工作正常,初步分析可能是监控和调速系统之间的联络信号有串电现象,现场监控到调速器的各种开关指令应为无源空接点,电源由调速器提供,若监控开出带电,则可能造成串电,引起调速内部故障,于是对监控和调速之间的连接电缆、信号进行了检查和处理。
监控和调速之间的连接信号包括开机、停机、增加、减少信号和RS485通讯电缆,首先我们对所用监控过来的开出信号进行了有无源检查,未发现异常电压,RS485通讯在调速方面采用了模块隔离,也未发现异常。为了进一步排除监控系统的影响,最后还是采取了隔离措施,详见图1,调速器电柜内增加4个隔离继电器和一个开关电源,RS485通讯转换模块采用新的电源供电,与监控相关的开关量全部采用继电器隔离后进入电调。采取隔离措施,重新启动机组,进入自动开机流程,调速器能自动将机组正常启动到空载,但多次开机、停机后,又出现调速器CPU模件异常,流程不能正常执行情况,于是将机组停下来,继续检查调速器故障原因。
排除了监控系统和调速器之间的联络信号,我们又对调速器本身机械和电气之间的信号进行了仔细检查和试验,首先机电之间的连接信号没发现异常,然后在机组无水情况下,3组机调速器进行了详细的各种工况下的机电联调和模拟试验,包括导叶变送器定位,导叶液压执行机构动作,模拟机组自动开、停机,机组并网,增减负荷,甩负荷等试验,调速器均动作正常,未发现问题,考虑到监控系统改造前调速器一直运行稳定,且本次改造并没有动过调速器内部,因此可以排除调速系统内部机电问题。
最后还有两个可能的原因,一是电源系统,如电站的电源系统AC220V和DC220V供电出现较大波动,或调速器本身的开关电源出现异常,也可能对调速器造成影响,但因电源系统是公用系统,出问题对其他设备也会造成影响,暂时未考虑供电问题。所以对调速器本身的开关电源进行了排查,检查了其输入电压和输出电压,以及带负载能力,均未发现问题。
最后还有一个可能原因,就是监控系统开出操作的一些信号,如动作电磁阀、继电器、电机等外部设备,有些信号如电源系统和调速器公用,有些电缆也和调速器混在一起,是否对调速设备产生影响,现场技术人员又进一步进行了检查。
(1)通过监控系统操作导叶锁锭电磁阀投退,多次操作,未发现调速器故障;(2)在现地操作空气围带电磁阀投切、制动电磁阀投切,多次操作未发现调速器异常;(3)在现地操作技术供水电磁阀投切,多次操作后,发现调速器出现异常,切换模件指示灯闪烁,不能正常切换。后来检查技术供水电磁阀,发现其线圈功率较大,约60W,且没有加续流二极管,其他电磁阀虽也没有加二极管,但功率较低,约30W,监控机组在启动机组时,一般会执行拔出锁锭、退出制动、投入技术供水等序列操作,在操作到投入技术供水电磁阀并延时退出时,由于未加续流二极管保护电路,会对电源回路和周围线路产生较大干扰,由此串入调速器内部电路,造成内部过压,损坏芯片,造成故障。
3 原因分析
电磁干扰的形成包含必不可少的三个要素,即干扰源、传播耦合通道和敏感设备,其中分析干扰源的成因是解决电磁干扰问题的关键。
查看相关资料,我们知道:切断正在运行的电感线圈可能产生严重的电磁干扰。因为,电感线圈中的电流变化必然产生感应电动势,电流变化率越高,产生的感应电动势越大。这种感应电动势的低频分量将通过某种路径传导到相连电路中,而高频分量将会通过辐射而耦合到相关电路中,成为严重的电磁干扰。因此,必须对探测设备的电磁干扰信号进行抑制,并分析产生电磁干扰的原因,以便采取有针对性的电磁兼容性措施,保证整个设备正常工作电磁干扰的基本传播途径有两条:分别是传导耦合和辐射耦合,由于上述电磁阀均采用DC220V电源,该电源同时给调速器供电,因此在干扰源(电磁阀)和敏感设备(调速器)之间存在电路连接,存在传导辐射;另外,由于电磁阀的接线和调速器的接线没有分开,部分走线混在一个端子排内,干扰源和敏感设备之间还存在辐射耦合。
经过分析,我们确认监控系统在开机前操作技术供水电磁阀、空气围带电磁阀、制动电磁阀投切时,由于上述电磁阀线圈,特别是功率较大的技术供水电磁阀,未按通常要求增加续流二极管保护回路,在电磁阀(感性负载)线圈突然失电时,在线圈两端将产生极大的反电压,电压幅值V=L*didt其中L为线圈感抗,i为线圈电流,可见当线圈电流突然变化时,将产生极高的反电压(电压方向与原来电流方向相反),该电压极高,需要找到释放回路,对于其相关电路连接部分的回路可能造成影响,造成薄弱环节绝缘击穿。同时将产生强大的电源回路干扰信号。
上述电磁阀线圈通断时,若未加保护回路,可能造成220V供电回路异常,同时也可能造成与上述电磁阀操作回路有关的电缆回路上产生很大的信号干扰,主要是干扰电压很高,通过电气回路传输到电调相关回路,造成电调部分绝缘耐压较薄弱部分产生击穿,可能造成芯片损坏。
4 处理措施
分析清楚原因后,我们就可以采取针对性措施,首先是抑制干扰源。我们针对监控系统开出操作的电磁阀线圈信号进行了抗干扰处理。如图2所示,针对监控系统在开机前操作的技术供水电磁阀、空气围带电磁阀、制动电磁阀的投切线圈,按通常要求增加了续流二极管保护回路,二极管采用IN4007,反向电压约为1000V,可以保证当电磁阀突然失电时,产生的反压将通过续流二极管释放,这样就不会产生过压,不会对其他设备产生影响。随后我们对其他可能产生影响的感性负载,如蝶阀开启和关闭操作的两个电磁阀、油压装置自动补气电磁阀的线圈也增加了二极管保护回路,确保整个电站自动化系统的可靠性。
第二种措施就是切断耦合通道,主要方法是将调速器和电磁阀电源系统分开,电缆走线分开,由于DC220V电源属于公用系统暂时无法分开供电,现场主要将两者的电源线及信号线等分开走线,避免干扰信号的影响。
上述整改完成后,我们在无水情况下,针对上述电磁阀进行了多次投切操作,调速器均运行正常。后通过监控系统对调速器进行了自动开机、并网、调整负荷、停机等试验,机组均运行正常。
由此可见,上述电磁阀的投切干扰是造成调速器工作不正常的主要原因,采取二极管蓄流回路后起到了较好的效果。自2010年初处理完毕后,机组开停机操作均正常,目前已稳定运行三年多,上述故障的发现及排除为电站的安全稳定运行及提高自动化水平提供了有力保障。
5 经验总结
为了提高电子设备的电磁兼容能力,必须从开始设计时就要给予它足够的重视。为此,要充分分析电子设备可能存在的电磁骚扰源及性质;电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件。从而,在设计时采取相应对策,这样可以部分消除可能出现的电磁干扰,减轻调试工作的压力。针对具体出现的电磁干扰,从接收电磁干扰的电路和元器件的表现,分析出电磁骚扰源之所在及电磁干扰可能传播的路径,再采取合适的解决办法。从源头抓起,往往是最根本的方法。
对开断电感性负载—电磁阀所产生的电磁干扰可采用如下电磁兼容性措施。
一是采用独立电源供电。由于设备与电磁阀采用同一电源供电,当电磁阀关断时所产生的电磁干扰很容易通过公用电源传导给探测设备。为此,该探测设备应当采用独立电源供电,以防止电磁阀关断时所产生的电磁干扰的传入。
二是采用电磁兼容性措施,如采用电压过零型固态继电器控制电磁阀的开断。或采用全桥整流后的直流给电磁阀供电。
三是对干扰信号采取吸收措施,1、采用压敏电阻2、采用瞬态电压抑制二极管。
瞬态电压抑制二极管对快速变化的电感性干扰信号的吸收作用较好,本次采用的就是这种方法并取得了非常好的效果。
6 结语
随着水电厂“无人值班、少人值班”需求及建设的不断增加,电站自动化水平也日益提高,越来越多的电气控制设备入驻电厂,监控、保护、励磁、调速器等设备作为水轮发电机组的核心控制设备,在日益复杂的电磁环境中受到了严峻的考验。我们必须重视水电站存在的不可忽视的电磁干扰问题,本文通过满拉电厂机组开机过程中存在的调速器电磁干扰问题,追根朔源地分析了电站中电磁干扰源的产生和传播途径,并提出了切实有效的处理方法,采用抑制干扰源,阻断干扰传播通道等方法有效地解决了困扰电站多时的开机异常等问题,为电站的安全可靠运行提供了有力保障,为其他电站的类似干扰故障的分析及处理提供了良好的借鉴和参考。
参考文献
〔1〕王培章,钱祖平,于同彬.电磁兼容技术[M].北京:人民邮电出版社,2011.
〔2〕赵家升,杨显清,杨德强.电磁兼容原理与技术[M].北京:电子工业出版社,2012.
〔3〕钱凤,周攀,车佳磊,张雷.电磁干扰对水轮机调速器的影响及应对措施[J].水电自动化与大坝监测,2013,(4).
