抽水蓄能机组机械制动控制故障

　　这篇机械工程师论文发表了抽水蓄能机组机械制动控制故障，论文选取3个大型抽水蓄能机组机械制动控制典型故障案例，对其故障原因及防范措施进行分析研究。通过分析故障原因，给出了几点防范措施和建议，从而提高机械制动控制的安全性和可靠性。

　　关键词:机械工程师论文,抽水蓄能,机械制动,案例分析,防范措施

　　抽水蓄能机组具有双向旋转运行、水头高、转速高、启动频繁等特点，在电网中一般承担着调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。机组机械制动系统是抽水蓄能机组发电电动机的重要辅助设备，在机组启动、停机、工况转换过程中以及机组蠕动监测控制中起到机组制动作用，减少机组的惰性运行时间，以达到保护机组推力轴承瓦和缩短停机时间。国家标准GB/T20834-2014《发电电动机基本技术条件》中规定发电电动机应同时设置机械制动和电气制动装置。正常停机一般在转速下降至50%额定转速时投入电气制动，转速继续下降至(5%～10%)额定转速时，再投入机械制动直至停机。机械制动装置单独用于紧急停机时，应能在发电电动机转速下降至(20%～30%)额定转速时投入直至停机。机械制动系统投/退故障，甚至发生机组高转速机械制动异常投入、带机械制动升速等恶性故障，可能造成机组启/停机失败、发电电动机粉尘污染、制动器损坏、制动环损坏、机组轴系偏移、机械结构受损等不良后果，严重影响机组的安全稳定运行。

　　1制动器位置信号故障导致机组电气事故停机

　　1.1故障描述

　　2014年11月，某抽水蓄能电站1号机组发电工况启机过程中，出现“机组转速>35%额定转速投入机械制动”故障报警信号，触发1号机组电气事故停机，导致机组发电工况启动失败。

　　1.2原因分析

　　该电站1号机组机械制动系统配置8个制动风闸，“机械制动投入”状态信号的判断逻辑为8个制动风闸任意一个投入，即判断为“机械制动投入”。机械制动控制程序设计有高转速机械制动异常投入停机控制逻辑，即机组转速>35%额定转速时，若检测到”机械制动投入”状态信号，延时1s触发机组电气事故停机。根据监控系统事件记录，启机过程中高转速阶段出现“机械制动投入”信号并保持1.005s后自动复归，但因该信号持续超过1s，从而触发机组电气事故停机。现地检查机械制动器位置及其位置开关(位置开关型式为机械微动型位置开关)，发现7号制动风闸投入信号位置开关拐臂滚轮卡在机械驱动连杆上，处于信号接点动作的临界位置，机组启动过程中的机械振动，使机械驱动连杆有上下运动的趋势，导致处于临界位置的信号接点闭合，送出错误的7号制动风闸投入信号，最终导致机组电气事故停机。

　　1.3防范措施及建议

　　本故障的直接原因是7号制动风闸位置信号开关卡瑟送出错误的位置信号，触发机组高转速机械制动异常投入停机控制逻辑输出，最终导致机组电气事故停机。制动器位置信号是机械制动控制的重要参量，其直接反应制动器的位置状态，错误的制动器位置信号可能引起制动投/退失败、甚至带制动升速等后果，位置信号器故障是机械制动发生频次较高的故障。完善的高转速机械制动异常投入控制逻辑可最大限度地保护机械制动异常投入时机组的安全。

　　结合本案例，有以下几点防范措施及建议。1)制动器位置开关宜选用纯机械行程压紧位置信号器，不宜采用微动开关，机组运行时的机械振动宜导致微动开关故障发出错误的位置信号，微动开关的机械强度较差易损坏。位置开关的安装固定应牢固，以防止在振动和制动器动作时导致位置开关移位，送出错误的制动器状态信号。2)制动器位置信号回路应简单、可靠。不宜单独设置机械制动信号装置，制动器位置信号宜直接上送计算机监控系统，在计算机监控系统中进行有关逻辑组态和流程设计。

　　若在发电电动机现地单独设置机械制动信号装置，信号装置的状态(看门狗、控制电源等)信号应上送计算机监控系统并用于机械制动控制逻辑及流程设计。在计算机监控系统中应能监视每个制动器的位置状态和机械制动系统投入/退出状态。3)关于机械制动投入/退出状态信号。“机械制动投入”状态信号应取任一制动器投入信号，或者动力管路压力高于某一定值(由机械制动系统设计值来进行合理整定)。“机械制动退出”状态信号宜取所有制动器退出位置信号的“与”逻辑，且同时满足动力管路压力低于某一定值(由机械制动系统设计值来进行合理整定)。“机械制动投入”和“机械制动退出”信号应为两个信号量，不应为相互取反。4)关于机组高转速时机械制动异常投入。

　　在机械制动控制程序中设计控制逻辑，当机组转速高于设定值时，出现机械制动投入状态信号或机械制动未退出状态信号或机械制动投入腔有压信号，立即发出退机械制动指令并保持退出令，同时闭锁机械制动投入并发故障报警信号，经短延时后若机械制动机械制动投入或机械制动未退出状态信号仍然存在，执行停机。关于本控制逻辑有几点说明:高转速设定值一般比紧急投机械制动的转速值高约5%左右为宜，一般为25%额定转速;设置短延时一般是防止有干扰信号引起误动，延时值一般取2～3s为宜，不宜过短或过长;停机方式宜为水力机械事故停机。

　　2机组带机械制动升速

　　2.1故障描述

　　2014年7月，某抽水蓄能电站3号机组发生发电工况带机械制动启机事件，机组高转速机械制动异常投入保护在25%额定转速时未正常触发停机，直至机组转速升至95%额定转速时，才触发机组机械事故停机。此次故障造成机械制动8台制动器磨损、制动环因高温变形波浪度超标、发电电动机定、转子内部积尘等不良后果。

　　2.2原因分析

　　分析监控系统历史事件记录，发现3号机组发电启机过程中，由于“机械制动退出”信号在前一日机组停机后就一直保持未再发生过变位，机组发电启机控制流程中退机械制动那一个步序未实际执行，继续开导叶升速，造成机组发电工况带机械制动启机。现地检查发现机械制动退出信号装置故障，“机械制动退出”信号由该装置的常闭接点输出，导致监控系统一直收到错误的“机械制动退出”信号。该机组控制程序设计有高转速机械制动异常投入停机控制逻辑，其逻辑为:机组转速>25%额定转速时，收到“机械制动投入”状态信号，直接触发机组机械事故停机。“机械制动投入”信号由机械制动投入信号装置送给计算机监控系统。在机械制动投入信号装置中，“机械制动投入”信号的判断逻辑为8个制动器同时都在投入位置时才输出“机械制动投入”信号。机组启动过程中，有一个制动器的位置信号故障，“机械制动投入”信号逻辑不满足，导致25%额定转速时机组未停机，机组继续升速，当转速升至95%额定转速时，可能是由于机组振动因素，之前的故障的制动器位置信号恢复正常，高转速机械制动异常投入停机条件满足，触发机组机械事故停机。

　　2.3防范措施及建议

　　本事故案例中，涉及制动器位置信号、机械制动投/退状态判断逻辑、程序控制策略等方面的诸多问题，有以下几点防范措施及建议。

　　1)制动器位置信号回路应简单、可靠。不宜单独设置机械制动信号装置，制动器位置信号宜直接上送计算机监控系统，在计算机监控系统中进行有关逻辑组态和流程设计。若在发电电动机现地单独设置机械制动信号装置，信号装置的状态(看门狗、控制电源等)信号应上送计算机监控系统并用于机械制动控制逻辑及流程设计。在计算机监控系统中应能监视每个制动器的位置状态和机械制动系统投入/退出状态。

　　2)关于机械制动投入/退出状态信号。“机械制动投入”状态信号应取任一制动器投入信号，或者动力管路压力高于某一定值(由机械制动系统设计值来进行合理整定)。“机械制动退出”状态信号宜取所有制动器退出位置信号的“与”逻辑，且同时满足动力管路压力低于某一定值(由机械制动系统设计值来进行合理整定)。“机械制动投入”和“机械制动退出”信号应为两个信号量，不应为相互取反。

　　3)对于设计上停机稳态时机械制动保持投入的，“机械制动投入”、“机械制动系统可用”信号应作为机组启动的初始条件，条件不满足时闭锁启动机组。

　　4)对于设计上停机稳态时机械制动退出的，“机械制动退出”、“制动系统可用”信号应作为机组启动的初始条件，条件不满足时闭锁启动机组。

　　5)机组启动过程中，流程执行到退机械制动的相关步时，无论当前机械制动状态是投入还是退出，均应无条件发机械制动退出令(指令宽度应确保机械制动可靠退出)，命令发出后，必须收到“机械制动退出”信号并经延时后，流程方可继续执行下一步。

　　6)机械制动动力介质(气或油)管路上的介质控制电磁阀(机械制动投/退电磁阀)宜采用单线圈单稳态电磁阀并具有过电压抑制措施，电磁阀励磁时投入机械制动，电磁阀失磁时退出机械制动。这样可在控制回路断线、电源丢失、无退出令等情况下可靠退出机械制动。电磁阀的状态应上送计算机监控系统，用于监视。

　　3机组高转速下机械制动异常投入

　　3.1故障描述

　　2008年10月，某抽水蓄能电站3号机组拖动4号机组BTB启动过程中，3号机组监控系统及调速器上均无转速信号(实际上机组正在升速)，手动按机械事故停机按钮，停机过程中，在转速约为83%额定转速时，机组机械制动投入。

　　3.2原因分析

　　机械制动用转速信号来自调速器电调，电调的转速信号来自转速采集装置，转速采集装置有两路输入源，一路是齿盘信号，一路是PT信号(当时未接入)。BTB拖动时，拖动机电调在导叶开度达5%后，延时8s触发转速采集装置采集转速，但此时机组实际还未转动，出现转速信号采集失败报警，电调把转速信号默认为0不再变化，这就是启机过程中监控系统及调速器上均无转速信号的原因所在。手动按机械事故停机按钮后，机组出口断路器分闸、励磁退出、导叶关闭、球阀关闭后，由于转速为0的信号一直存在，机械制动投入条件满足，在约83%额定转速时机械制动异常投入。

　　3.3防范措施及建议

　　机组转速信号是机械制动控制过程中的重要参量，转速信号的可靠性直接关系机械制动的安全性。由于转速信号异常导致机组高速误投机械制动偶有发生，造成恶劣后果，应引起高度重视，关于此类故障有以下几点防范措施及建议。1)机械制动转速信号不宜采用单一信号源，宜采用齿盘测速和PT残压测速冗余测速信号，防止单一信号丢失或错误，导致误投制动。2)机械制动转速信号取自转速测量装置时，转速测量装置信号输入应有齿盘和PT冗余输入源，装置应有自诊断功能，输入信号异常及装置异常时应发出故障信号并闭锁所有转速信号输出，防止输出错误的转速信号，导致误投机械制动。转速测量装置应实时连续采集和处理速度信号，不应设置采集触发条件。3)机组转速信号应采用常开接点信号，避免转速信号回路故障时收到错误的转速信号。不应采用模拟量转速信号，当传感器或测量异常时，极易产生转速为0的错误信号。4)机械制动用机组转速信号宜取自不同的设备或系统，形成冗余的转速条件校验。5)机械制动控制程序中使用的转速信号应鉴别其有效性，当出现转速测量装置故障报警、测速传感器报警及其他相关报警信号时，当前转速信号应视为无效，不予采用。

　　4结语

　　大型抽水蓄能机组水头高、转速高，机械制动系统动作异常轻则造成启停机失败，重则发生机组高转速时误投制动、机组带机械制动升速等恶性故障，造成发电电动机粉尘污染、制动器损坏、制动环损坏、机组轴系偏移、机械结构受损等严重不良后果。本文选取3个典型故障案例并进行分析，从提高机械制动控制的安全性和可靠性方面给出防范措施及建议，对大型抽水蓄能机组机械制动控制的设计、调试和运维具有一定的参考借鉴意义。

　　作者：刘鹏龙 张红方 方书博 单位：河南国网宝泉抽水蓄能有限公司

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