【摘要】调速器是水轮发电机组自动控制、调节系统的核心部件之一，其性能、工况直接关系水电站输出的电能质量和供电可靠性。介绍小型水电站调速器的主要调整试验及日常维护内容；常见故障的类别、现象和原因；分析查找故障的基本方法。

【关键词】小型水电站调速器调试试验故障判别

1概述

水轮机调速器是水轮机调节系统的核心，也是小型水电站总体自动化系统的关键部件之一。调速器对水轮机的控制，是自动控制原理在水轮发电机组控制上的具体应用，它除了具有一般自动控制装置的特征外，还有以下特点。

1）操作力大。水轮发电机组是重型机械设备，尺寸大、重量重，水轮机运行时通过的水流量大，因而控制进水门需要很大的操作力。通常用油压操作，往往具有两级或更多的液压放大机构。

2）影响因素多，动作过程复杂。调速器所控制的是由水流、水轮发电机和电能用户所组成的能量转换及利用体系。引水管中的水体惯性较大，调速器控制过程中形成的水锤产生反调效应。使水轮机调速器系统稳定困难，控制复杂化。调节过程中各部分工作情况的变化，都会影响调节过程。因而水轮机调节是一个受多种因素影响的复杂过程。

3）调速器具有多种功能。除了在负载变化时自动调节水轮机流量外，调速器还应当实现开机、停机、调整频率、控制机组出力等操作，在事故情况下应能执行紧急停机，以保证机组的安全。

为了保证水轮发电机组安全、可靠运行，改善电能品质，水轮机调速器还应满足以下基本要求：

动作及时。在负载发生变化后，调速器应能很快反应，及时动作，并在尽可能短的时间内使机组重新稳定。

动作准确。调速器对导叶开度的控制应当准确。要与负载变化的要求一致。

过程平稳。调节过程中机组转速等工作参数发生波动是必然的，但是，波动的次数要少，幅度要小。

下面介绍在小型水电站中使用的中、小型调速器（调速器接力器工作容量，中型为1500～3000kg•m，小型为300～l000kg•m）的调整试验、维护和常见故障现象、原因及判别。

2调速器的调整试验与维护

调速器在组装和大、小修之后，必须经过一系列调整、试验和检查，才能保证今后正常，安全地运行。

2.l调速器调试的基本内容

2.1.1静态试验(充水前试验)

当调速器组装完毕，通过充油及电气部分的线路检查无异常后，就可做调速器静态特性试验。调速器的静特性，是指在稳定平衡状态下，调速器转速n（或频率f）和接力器行程y之间的关系，即y=f（n）。通过对调速器静特性的测定，确定调速器的转速死区i_x，校验永态转差系数b_p值，借以综合鉴别调速器的制造、安装或大修质量。试验条件：b_p=6％，开环增益为整定值，切除人工死区，微分系数K_d为最小值，积分系数为K_i为最大值，比例系数K_p为中间值。频率给定为额定值。

试验方法。用稳定的频率信号源输入额定频率信号，以开度给定将导叶接力器调整到50％行程附近。然后升高或降低频率使接力器全关或全开，调整频率信号值，使之按1个方向逐次升高或降低，在导叶接力器每次变化稳定后，记录该次信号频率值及相应的接力器行程值，分别绘制频率升高和降低的调速器静态特性曲线。2条曲线间的最大区间即转速死区i_x，i_x=△f/f_n。静态特性曲线斜率的负数即永态转差系数b_p。国标（GB/T9652•21997)规定中型调速器i_x＜0.08％，小型调速器i_x＜0.10％。

2.1.2动态试验(充水后试验)

为了检查调速器的质量，保证机组在突变负荷时能满足调节保证计算的要求和所规定的动态指标，掌握机组在过渡过程中的状态和各调节参数变化的范围以及参数变化时对机组过渡过程规律的影响，从而找出最佳参数，提高机组运行的稳定性及可靠性，检查机组设计及检修质量，保证机组安全运行等。

1）单机空载稳定性观测

①手动空载摆动值测试。检查机组各部分均已具备启动条件后，手动操作调速器使导叶慢慢开启至空载开度附近。当机组转速升至80％后，慢慢调整导叶开度使机组频率稳定在50Hz附近；停止操作导叶接力器，待稳定一段时间后用频率计测量机组频率，并记录连续3min机组频率摆动值的最大值f_max和最小值f_min则频率摆动范围为△f=f_max-f_min。如以相对量表示，则为△x=2（f_max-f_min）％。此时的频率波动，一般均系水力不平衡或机组本身问题所致，与调速器无关。

②自动空载摆动测试。将调速器切为自动运行，测量机组转速摆动值。测试方法与手动运行时测试方法基本相同，只不过需进行参数的选优工作。最优参数应是空载扰动试验的优化参数。

国标（CB/T9625.1-1997）中规定对于中小型调速器若水轮发电机组转速相对值不大于±0.3％，则自动空载摆动值不得大于±0.25％。否则只需小于手动空载摆动值就算达标。

2）空载扰动试验

机组需在各种工况下运行，欲使水轮机调节系统获得良好的性能，必须合理选择系统中的有关参数。空载扰动试验方法如下：通过突变频率给定值来进行频率扰动试验。扰动量一般为±（8-10％）f_n，扰动试验需记录频率扰动的超调量和过渡过程时间、调节次数等有关数据。通过若干组有关数据的比较，就可确定系统的最佳参数。国标对该试验无考核要求。

3）甩负荷试验

通过甩负荷试验可进一步考验机组在已选定的调速器空载参数下调节过程的速动性和稳定性，更主要是检验调保计算参数，保证机组安全。甩负荷试验一般分4次：甩25％、50％、75％、100％额定负荷，由小到大顺序进行。甩25％额定负荷，主要是检查接力器的不动时间是否符合要求，同时也检查转速上升率和蜗壳水压上升率以及调节时间，分析下次所甩负荷增长后可能的变化趋势，从而进一步验证所选定的调节参数是否为最佳。甩50％和75％额定负荷的目的主要是分析其变化趋势。最后甩100％额定负荷时，机组转速上升率、蜗壳水压上升率、尾水管真空度、关机时间和过渡过程调节时间等均应满足调节保证计算值和国标要求。国标（GB/T9652.1-997）规定甩25％额定负荷时，接力器不动时间T_q≤0.2s，甩100％额定负荷时，超过3％额定转速的波峰次数不超过2次，稳定时间不大于40s。

2.2调速器日常维护的主要内容

1）监视油位、油温和油压，保证调速器及油压装置正常运行。

2）调速器及油压装置用油适时处理、更换。

3）及时清洗滤油器。

4）注意各运行零件的润滑。

5）定期检查紧固件及电气插件，防止松脱现象。

6）调速器正常运行中不允许改变调节参数，定期检查各工作电源电压及信号源电压。

7）防止灰尘、飞虫等进入。

3调速器的常见故障和原因分析、判别

3.1调速器故障及分类

为了便于分析和处理，常将调速器系统的故障按引起原因归为两大类。一类是由调速器引起，也称为内因引起的故障；另一类是由被控制系统引起的，也称为外因引起的故障。

3.2分析故障的基本方法

3.2.1全面掌握故障现象

例如，接力器不稳定。为了查出其主要原因并及时排除，首先要全面掌握故障的现象。如接力器是否呈周期性摆动，摆动的频率如何？幅值多大？又如接力器的摆动与机组转速，出力等工作参数有无联系？是怎样的关系？摆动的变化趋势如何？等等。

3.2.2分析与调试相结合

故障的分析处理不能孤立、静止地进行，应当在调整、试验的过程中结合进行，在试验当中找出引起故障的主要问题。

3.2.3遵循合理的程序

1）先外因，后内因。外部原因引起的故障往往伴随一些其他现象，而且外因引起的故障单从调速器着手是很难解决的，因此首先分析和排除外因是很重要的。

2）先空载，后负载。

3）先静态，后动态。

3.3常见的外因及故障现象

3.3.1过水压力系统水压不稳定

水轮机过水压力系统包括压力管道、蜗壳、尾水管等，一旦发生水压波动，势必影响机组的运行，表现为接力器开度及机组出力呈周期性摆动。这样的摆动频率较低，但幅值可能较大。发生摆动时可观察到蜗壳压力及尾水管真空明显的周期性摆动。为了判明水压波动是否是引起不稳定的主要原因，可将机组切换成手动运行，手动状态下仍发生摆动，则是水压波动造成的不稳定运行的特征。

3.3.2水轮机运行不稳定

例如，反击型水轮机发生严重气蚀时，转轮四周水力不平衡；以及导叶或轮叶发生涡列时，水轮机自身工作不稳定，调节系统也就不可能稳定运行。但是水轮机原因引起的不稳定现象，往往随机组的工作参数变化，如低水头、低负荷时发生，或者在某个出力附近发生；水力不平衡引起的摆动，则随出力的增加而加剧。为此，可在不同工况下检查接力器的摆动情况来加以分析。

3.3.3发电机运行不正常

发电机若运行不正常，如三相负载不平衡，励磁装置工作不稳定，也会造成机组运行不稳定，这种不稳定现象常随负载增加而加重。在开机过程中，如果达到额定转速，不励磁时接力器能稳定，一旦励磁，升电压就不稳定，则明显是发电机及励磁装置方面的问题。

3.3.4信号源引起的故障

目前有不少小型水电站用与发电机同轴的永磁机作调速器频率信号源。如果永磁机与发电机轴的同心度不符合要求，实质不同心，会使永磁机电压、频率周期性变化。由永磁机故障引起的摆动，往往幅值不大但频率较高。另外，采用发电机PT作频率信号源的电站，有时会出现PT本身质量问题或信号线没用屏蔽线，或者屏蔽层没接地等，也会引起调整系统的不稳定。这些故障表现为：空载时接力器大幅度波动且没有规律，并网时负荷波动。排除这些故障的方法是将调速器切为手动，观察机组是否波动即可。

3.4常见的内因及故障现象

3.4.1运行不稳定

1）参数选配不当，如微分系数、比例系数过大都会引起空载的不稳定。

2）机械性卡阻，如伺服电机卡阻、引导阀活塞不活，或杠杆间的连接销钉松动，存在过大的运动间隙等。

3）主配压阀及接力器漏油。主配压阀或接力器漏油往往是不对称的，致使接力器在没有信号作用的情况下向开或向关的方向缓慢移动，移过一定距离时引起反馈机构动作，接力器又较快地移回原位置。因此，由漏油引起的摆动往往是不等速的，也可能是不等幅的周期性摆动。

4）测频部分故障。测频信号受到干扰．测频插件松动等引起不稳定。

5）功放部分放大倍数过大等因素引起不稳定。

6）油路临时堵塞或者油路中存在空气。

3.4.2调速器操作控制不灵

1）机组增减功率缓慢。并列运行的机组，转速调整机构动作之后，接力器滞后一段时间才开大或关小，而且移动缓慢，不能及时动作。原因一般是由于放大倍数过小，主配压阀遮程过大，控制机构有间隙或传动杆存在缺陷等。

2）溜负荷。机组在稳定运行中接力器自行关小（或开大），造成出力缓慢变化，这种现象多数是由于引导阀或主配阀漏油或某侧油路阻力变化，导叶开启或关闭时间相差过多等原因。

3）机组间拉锯。并列运行的机组间负载分配关系不稳定。主要是因为机组分工不明确，体现在永态转差系数b_p相差过小；以及机组间灵敏度相差过大，表现为参数组合不同，形成2台机组速动性相差较多，在调速器转速死区较大时就容易出现拉锯现象。

4）调速器失控。机组在运行中接力器突开或突关，也可能突然大幅度摆动，或者停在某位置不再动作。这些突然发生的失控现象可能由于下列原因引起：①机频信号中断；②反馈信号中断；③主配卡死；④油压下降；⑤电液转换机构失灵；等等。

4结束语

近些年来，有不少小型水电站的水轮机调速器进行了更新改造，老型号的机械或电气液压调速器，逐步被微机或可编程控制调速器所取代。信阳市鲇鱼山水库电站的4台水轮发电机组原使用CT-40型调速器，前几年陆续更新改造为DJT-K系列电动集成式全可编程调速器（武汉长控所生产）。经过安装、调试、运行和维护、检修，证明可编程调速器结构简单、性能先进、操作方便，运行故障率小，维护、检修工作量明显减少，提高了水电站供电的安全可靠性和经济效益。