单导叶接力器的位置传感器控制逻辑分析

张旭，薛方方

(河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡453636)

宝泉抽水蓄能电站为总容量1200 MW日调节纯抽水蓄能电站，共4 台由某公司设计制造的单机容量300 MW、立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机组。

1 设备工作状态分析

1.1 导叶接力器位置传感器工作原理

电站水泵水轮机的导水机构由20 个活动导叶组成，其操作机构对应20 个小型导叶接力器，未设置导叶控制环和剪断销装置。为了避免导叶出现非同步现象，每个导叶接力器设置2 个位置传感器，主用传感器161MM 和备用传感器162MM，互为冗余。在某个导叶出现卡塞或未成功开启时，由对应的接力器位置传感器发送位置反馈信号，调速器判断导叶的实际反馈位置与设定值的差别，进而停机。

导叶位置传感器安装在接力器的顶部，属于拉绳式磁感应位置传感器，通过内部波导管磁场与外部磁感应式拉杆之间相互感应并输出信号，采用1条防干扰电缆直接向调速器导叶控制卡件输送4～20 mA 模拟量位置信号。位置传感器磁感应活动杆正常活动范围是0～222 mm，对应导叶开度为0～100%。

1)如果主用传感器161MM 出现大的波动或误差，输出电流信号低于4 mA 或高于20 mA，或变成灰色无效，同时备用传感器162MM 工作正常，则调速器电气控制柜进行报警，显示主用传感器161MM 无效，调速器系统则自动采用备用传感器162MM 信号，继续保持机组负荷与频率的调节，防止机组负荷出现波动。

2)如果2 个传感器161MM/162MM 之间的信号出现差别较大，超过调速器逻辑设定值5%，则调速器系统出现二类小故障报警，但仍采用主用传感器161MM 信号作为调节信号;当主用传感器161MM 的反馈信号与输出设定值差别超过设定值15%，经过故障检测延时后则调速器系统报一类大故障，导致机组机械停机。

跳机逻辑如图1 所示。图中的Y 轴导叶开度为反馈信号(0～100%)，伺服阀控制信号在0～1之间逐渐变换，故障与跳机信号在0 与1 互相切换，X 轴为时间变化。

图1 导叶接力器位置传感器信号突变跳机曲线(示意图)

1.2 机组跳机实例分析

宝泉抽水蓄能电站#4 机组在抽水工况稳定运行，监控画面出现调速器系统一类故障报警，直接执行机械停机流程。经检查，#11 导叶接力器主用位置传感器161MM 外部磁性感应活动杆脱落，调速器控制柜显示tracking error(trip)主故障，从而导致跳机。

#4 机组出现大故障跳机后，导叶全部处于关闭状态。此时#11 导叶接力器的2 个位置传感器161MM 和162MM 信号均应显示4 mA，但主用传感器161MM 停机后仍显示为17 mA，此信号在机组抽水时与调速器设定值出现较大差别，直接导致机组停机。

根据导叶接力器位置传感器逻辑原理，主用传感器161MM 输出信号低于4 mA 或高于20 mA，或无效时，调速器系统自动切换至备用162MM 信号。但如果主用传感器161MM 出现大的波动或误差，输出电流信号仍在4～20 mA 之间，调速器系统则判断主用传感器161MM 仍正常工作，采用主用传感器信号;此次#4 机跳机事故发生时，#11 导叶接力器主用传感器161MM 外部磁感应活动杆脱落，输出信号仍保持在4～20 mA 之间，调速器系统并未进行主、备位置传感器161MM 和162MM 之间的信号自动切换，从而导致机械停机。

此次跳机事故暴露了导叶接力器位置传感器的逻辑设置存在一定的缺陷，需进一步完善其控制逻辑。

2 改进方案

根据上述跳机实例分析和研究结果，对导叶接力器位置传感器的冗余配置逻辑进行了完善。

1)主用位置传感器161MM 接头松动，造成信号丢失或电流小于4 mA，发出报警信号，并自动切换至备用位置传感器162MM;如主用传感器161MM 工作正常，备用传感器162MM 出现信号丢失或电流小于4 mA，只发出报警。

2)主用位置传感器161MM 信号小幅度突变，则如图2 所示，发出主用传感器报警信号的同时，自动切换至备用位置传感器162MM 信号;如主用传感器161MM 工作正常，备用传感器162MM 小幅度突变，仅发出导叶位置不一致报警信号。

图2 主用位置传感器小幅突变曲线(示意图)

3)主用位置传感器161MM 出现大幅度缓慢波动，则经过故障探测延时后(设置为导叶操作时间的10%左右)，发出主用传感器故障报警，同时切至备用位置传感器162MM;如主用传感器161MM 工作正常，备用传感器162MM 出现大幅度缓慢波动，只发出传感器不同步报警。如图3 所示。

图3 主用位置传感器大幅突变曲线(示意图)

4)主用位置传感器161MM 和备用传感器162MM 均出现大幅度缓慢波动，经过延时后，根据参数设置，将会出现导叶传感器反馈信号和输出设定信号不一致过大，导致机械停机。

3 改进后效果验证

在机组检修期间，根据改进方案将调速器的导叶控制卡件内部程序升级，并进行了导叶开启、关闭试验。

1)在正常静水条件下，手动开启、关闭导叶，导叶接力器主用、备用位置传感器161MM 和162MM 的模拟量反馈信号正常，比较稳定。

2)机组运行时，人工模拟导叶接力器主用位置传感器161MM 发生断线故障，主用传感器161MM 的模拟量输出信号消失，调速器控制系统自动切至备用传感器162MM 信号，机组运行稳定。同时，在主用位置传感器161MM 正常时，人工模拟备用传感器162MM 输出信号消失，调速器仅进行小故障报警，机组运行未受影响。

3)人工干预导叶接力器主用位置传感器161MM，其输出反馈信号瞬间抖动后复归，测试位置传感器的信号切换。机组运行时，调速器在主用161MM、备用传感器162MM 信号之间切换正常，仅输出小故障报警，之后报警复归。

4)人工干预导叶接力器位置传感器外部磁感应式活动拉杆，使得导叶在开启、关闭过程中，主用位置传感器161MM 的输出电流信号保持不变，主用、备用位置传感器之间的自动切换功能正常，机组运行稳定。

经过升级改造，导叶接力器的位置传感器161MM 和162MM 的冗余配置发挥了作用，满足现场设备的运行要求，在主用或备用传感器发生故障、突变时，能够相互自动切换，保证机组的运行稳定。

4 结束语

在设备检查过程中，发现导叶接力器位置传感器的电气控制元件密封性能较差，防水、防油污性能较低，未能完全满足导叶接力器的工作现场环境要求。在以后机组检修过程中，需进一步加强此传感器周围的油污、水污清理，同时做好相关产品的升级换代。

该电站水泵水轮机的单导叶接力器操作机构，未设置导叶控制环及剪断销装置，其每个导叶接力器的位置传感器工作不正常均能引起导叶出现不同步信号，以致机组误报警，甚至误跳机。机组抽水工况的跳机事故，暴露了单导叶接力器的位置传感器逻辑设置存在一定缺陷，通过对其控制逻辑的修改和完善，保证了导叶位置信号同步性，降低机组跳机的风险。

〔1〕彭煜民，袁丰江. 抽水蓄能机组单导叶控制不同步故障分析与处理〔J〕． 水力发电，2011(9):61-64.

〔2〕GB/T18482—2001 可逆式抽水蓄能机组起动试验规程〔S〕．北京:中国标准出版社，2002.