1 概述
西藏滿拉水利樞紐工程位于西藏自治區日喀則地區江孜縣境內的年楚河上游,壩址距下游的日喀則市ll3km,距江孜縣城28km,是年楚河流域規劃的一期工程,水庫總庫容l.55億m3,水電站總裝機4臺,單機5MW,總容量為2萬千瓦,年發電量0.61億千瓦時,是以灌溉、發電為主,兼有防洪、旅游等多種經濟效益的水利工程。
西藏滿拉水電廠首臺機組于1999年底發電,采用的是重慶水輪機廠生產的水輪發電機組及配套調速設備,運行多年后,調速設備出現機構卡澀、調節失靈等多次故障,于2004年底改造成雙微機調速器,液壓部分更換成比例伺服閥和插裝閥組成的集成式調速系統,自2005年初成功改造完成后,運行一直很穩定。但自2010年電廠計算機監控系統改造完成以來,1、2、4號機運行良好,但3號機一直存在開機過程中,計算機監控系統下發開機令后,調速器動作異常,出現切換模件中負責切換邏輯的芯片工作不正常、B套主機模件程序芯片受干擾等異?，F象。期間本廠維護人員,通過更換監控和調速之間的連接電纜,更換切換模件和主機模件,系統暫時恢復正常,但運行不到一個月,又出現上述異常情況,造成機組正常開機失敗,只能采取手動開機方式,給電廠正常運行帶來不便。
由于水輪機調速器是水電系統中重要的頻率和有功調節控制設備,承擔著機組的啟動、停止、工況轉換、負荷調整等重要任務,直接關系到機組和電網的安全穩定經濟運行。為此,滿拉水電廠和南京南瑞集團公司技術人員在現場對3號機調速器進行了全面的檢查,通過故障模擬、現場試驗對3號機開機異?，F象進行了排查,對故障原因進行了分析,并采取了有效的措施。
2 故障排查
考慮到監控系統改造前,調速器工作正常,初步分析可能是監控和調速系統之間的聯絡信號有串電現象,現場監控到調速器的各種開關指令應為無源空接點,電源由調速器提供,若監控開出帶電,則可能造成串電,引起調速內部故障,于是對監控和調速之間的連接電纜、信號進行了檢查和處理。
監控和調速之間的連接信號包括開機、停機、增加、減少信號和RS485通訊電纜,首先我們對所用監控過來的開出信號進行了有無源檢查,未發現異常電壓,RS485通訊在調速方面采用了模塊隔離,也未發現異常。為了進一步排除監控系統的影響,最后還是采取了隔離措施,詳見圖1,調速器電柜內增加4個隔離繼電器和一個開關電源,RS485通訊轉換模塊采用新的電源供電,與監控相關的開關量全部采用繼電器隔離后進入電調。采取隔離措施,重新啟動機組,進入自動開機流程,調速器能自動將機組正常啟動到空載,但多次開機、停機后,又出現調速器CPU模件異常,流程不能正常執行情況,于是將機組停下來,繼續檢查調速器故障原因。
排除了監控系統和調速器之間的聯絡信號,我們又對調速器本身機械和電氣之間的信號進行了仔細檢查和試驗,首先機電之間的連接信號沒發現異常,然后在機組無水情況下,3組機調速器進行了詳細的各種工況下的機電聯調和模擬試驗,包括導葉變送器定位,導葉液壓執行機構動作,模擬機組自動開、停機,機組并網,增減負荷,甩負荷等試驗,調速器均動作正常,未發現問題,考慮到監控系統改造前調速器一直運行穩定,且本次改造并沒有動過調速器內部,因此可以排除調速系統內部機電問題。
最后還有兩個可能的原因,一是電源系統,如電站的電源系統AC220V和DC220V供電出現較大波動,或調速器本身的開關電源出現異常,也可能對調速器造成影響,但因電源系統是公用系統,出問題對其他設備也會造成影響,暫時未考慮供電問題。所以對調速器本身的開關電源進行了排查,檢查了其輸入電壓和輸出電壓,以及帶負載能力,均未發現問題。
最后還有一個可能原因,就是監控系統開出操作的一些信號,如動作電磁閥、繼電器、電機等外部設備,有些信號如電源系統和調速器公用,有些電纜也和調速器混在一起,是否對調速設備產生影響,現場技術人員又進一步進行了檢查。
\\(1\\)通過監控系統操作導葉鎖錠電磁閥投退,多次操作,未發現調速器故障;\\(2\\)在現地操作空氣圍帶電磁閥投切、制動電磁閥投切,多次操作未發現調速器異常;\\(3\\)在現地操作技術供水電磁閥投切,多次操作后,發現調速器出現異常,切換模件指示燈閃爍,不能正常切換。后來檢查技術供水電磁閥,發現其線圈功率較大,約60W,且沒有加續流二極管,其他電磁閥雖也沒有加二極管,但功率較低,約30W,監控機組在啟動機組時,一般會執行拔出鎖錠、退出制動、投入技術供水等序列操作,在操作到投入技術供水電磁閥并延時退出時,由于未加續流二極管保護電路,會對電源回路和周圍線路產生較大干擾,由此串入調速器內部電路,造成內部過壓,損壞芯片,造成故障。
3 原因分析
電磁干擾的形成包含必不可少的三個要素,即干擾源、傳播耦合通道和敏感設備,其中分析干擾源的成因是解決電磁干擾問題的關鍵。
查看相關資料,我們知道:切斷正在運行的電感線圈可能產生嚴重的電磁干擾。因為,電感線圈中的電流變化必然產生感應電動勢,電流變化率越高,產生的感應電動勢越大。這種感應電動勢的低頻分量將通過某種路徑傳導到相連電路中,而高頻分量將會通過輻射而耦合到相關電路中,成為嚴重的電磁干擾。因此,必須對探測設備的電磁干擾信號進行抑制,并分析產生電磁干擾的原因,以便采取有針對性的電磁兼容性措施,保證整個設備正常工作電磁干擾的基本傳播途徑有兩條:分別是傳導耦合和輻射耦合,由于上述電磁閥均采用DC220V電源,該電源同時給調速器供電,因此在干擾源\\(電磁閥\\)和敏感設備\\(調速器\\)之間存在電路連接,存在傳導輻射;另外,由于電磁閥的接線和調速器的接線沒有分開,部分走線混在一個端子排內,干擾源和敏感設備之間還存在輻射耦合。
經過分析,我們確認監控系統在開機前操作技術供水電磁閥、空氣圍帶電磁閥、制動電磁閥投切時,由于上述電磁閥線圈,特別是功率較大的技術供水電磁閥,未按通常要求增加續流二極管保護回路,在電磁閥\\(感性負載\\)線圈突然失電時,在線圈兩端將產生極大的反電壓,電壓幅值V=L*didt其中L為線圈感抗,i為線圈電流,可見當線圈電流突然變化時,將產生極高的反電壓\\(電壓方向與原來電流方向相反\\),該電壓極高,需要找到釋放回路,對于其相關電路連接部分的回路可能造成影響,造成薄弱環節絕緣擊穿。同時將產生強大的電源回路干擾信號。
上述電磁閥線圈通斷時,若未加保護回路,可能造成220V供電回路異常,同時也可能造成與上述電磁閥操作回路有關的電纜回路上產生很大的信號干擾,主要是干擾電壓很高,通過電氣回路傳輸到電調相關回路,造成電調部分絕緣耐壓較薄弱部分產生擊穿,可能造成芯片損壞。
4 處理措施
分析清楚原因后,我們就可以采取針對性措施,首先是抑制干擾源。我們針對監控系統開出操作的電磁閥線圈信號進行了抗干擾處理。如圖2所示,針對監控系統在開機前操作的技術供水電磁閥、空氣圍帶電磁閥、制動電磁閥的投切線圈,按通常要求增加了續流二極管保護回路,二極管采用IN4007,反向電壓約為1000V,可以保證當電磁閥突然失電時,產生的反壓將通過續流二極管釋放,這樣就不會產生過壓,不會對其他設備產生影響。隨后我們對其他可能產生影響的感性負載,如蝶閥開啟和關閉操作的兩個電磁閥、油壓裝置自動補氣電磁閥的線圈也增加了二極管保護回路,確保整個電站自動化系統的可靠性。
第二種措施就是切斷耦合通道,主要方法是將調速器和電磁閥電源系統分開,電纜走線分開,由于DC220V電源屬于公用系統暫時無法分開供電,現場主要將兩者的電源線及信號線等分開走線,避免干擾信號的影響。
上述整改完成后,我們在無水情況下,針對上述電磁閥進行了多次投切操作,調速器均運行正常。后通過監控系統對調速器進行了自動開機、并網、調整負荷、停機等試驗,機組均運行正常。
由此可見,上述電磁閥的投切干擾是造成調速器工作不正常的主要原因,采取二極管蓄流回路后起到了較好的效果。自2010年初處理完畢后,機組開停機操作均正常,目前已穩定運行三年多,上述故障的發現及排除為電站的安全穩定運行及提高自動化水平提供了有力保障。
5 經驗總結
為了提高電子設備的電磁兼容能力,必須從開始設計時就要給予它足夠的重視。為此,要充分分析電子設備可能存在的電磁騷擾源及性質;電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件。從而,在設計時采取相應對策,這樣可以部分消除可能出現的電磁干擾,減輕調試工作的壓力。針對具體出現的電磁干擾,從接收電磁干擾的電路和元器件的表現,分析出電磁騷擾源之所在及電磁干擾可能傳播的路徑,再采取合適的解決辦法。從源頭抓起,往往是最根本的方法。
對開斷電感性負載—電磁閥所產生的電磁干擾可采用如下電磁兼容性措施。
一是采用獨立電源供電。由于設備與電磁閥采用同一電源供電,當電磁閥關斷時所產生的電磁干擾很容易通過公用電源傳導給探測設備。為此,該探測設備應當采用獨立電源供電,以防止電磁閥關斷時所產生的電磁干擾的傳入。
二是采用電磁兼容性措施,如采用電壓過零型固態繼電器控制電磁閥的開斷?；虿捎萌珮蛘骱蟮闹绷鹘o電磁閥供電。
三是對干擾信號采取吸收措施,1、采用壓敏電阻2、采用瞬態電壓抑制二極管。
瞬態電壓抑制二極管對快速變化的電感性干擾信號的吸收作用較好,本次采用的就是這種方法并取得了非常好的效果。
6 結語
隨著水電廠“無人值班、少人值班”需求及建設的不斷增加,電站自動化水平也日益提高,越來越多的電氣控制設備入駐電廠,監控、保護、勵磁、調速器等設備作為水輪發電機組的核心控制設備,在日益復雜的電磁環境中受到了嚴峻的考驗。我們必須重視水電站存在的不可忽視的電磁干擾問題,本文通過滿拉電廠機組開機過程中存在的調速器電磁干擾問題,追根朔源地分析了電站中電磁干擾源的產生和傳播途徑,并提出了切實有效的處理方法,采用抑制干擾源,阻斷干擾傳播通道等方法有效地解決了困擾電站多時的開機異常等問題,為電站的安全可靠運行提供了有力保障,為其他電站的類似干擾故障的分析及處理提供了良好的借鑒和參考。
參考文獻
〔1〕王培章,錢祖平,于同彬.電磁兼容技術[M].北京:人民郵電出版社,2011.
〔2〕趙家升,楊顯清,楊德強.電磁兼容原理與技術[M].北京:電子工業出版社,2012.
〔3〕錢鳳,周攀,車佳磊,張雷.電磁干擾對水輪機調速器的影響及應對措施[J].水電自動化與大壩監測,2013,\\(4\\).
