抽水蓄能電站機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)部分故障分析及應(yīng)對(duì)措施

曹 揚(yáng)，王 榮，彭 輝，吳建標(biāo)

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇省南京市 211102；2.江蘇國(guó)信溧陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇省溧陽(yáng)市 213300）

1 概述

抽水蓄能電站由于啟動(dòng)快、運(yùn)行靈活，擔(dān)負(fù)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)。機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是抽水蓄能機(jī)組重要輔助設(shè)備，在機(jī)組的啟、停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換過(guò)程及機(jī)組蠕動(dòng)檢測(cè)中起到重要作用[1]。抽水蓄能機(jī)組停機(jī)方式一般采用電氣與機(jī)械制動(dòng)方式相結(jié)合。機(jī)組停機(jī)一般分為如下情況：

（1）正常情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，投入電制動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，投入機(jī)械制動(dòng)[2]。

（2）因緊急停機(jī)按鈕或觸發(fā)電氣事故停機(jī)、機(jī)械事故停機(jī)源導(dǎo)致電制動(dòng)閉鎖，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速下降至20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，直接投入機(jī)械制動(dòng)。

機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)異常投退，甚至發(fā)生高速加閘，輕則導(dǎo)致閘瓦燒毀，重則導(dǎo)致制動(dòng)器損壞，更有甚者會(huì)導(dǎo)致機(jī)組軸心偏移，加大機(jī)組振擺，損壞機(jī)組相關(guān)部件及電氣二次元件，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的金屬粉末影響發(fā)電電動(dòng)機(jī)的絕緣性能。本文根據(jù)某抽水蓄能電站發(fā)生過(guò)的故障進(jìn)行總結(jié)，著重對(duì)機(jī)械制動(dòng)反饋信號(hào)丟失及高速加閘2個(gè)典型故障進(jìn)行闡述分析，從提高抽水蓄能機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行方面給出防范措施及建議，對(duì)大型抽水蓄能機(jī)組機(jī)械制動(dòng)控制的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)維有一定參考借鑒意義。

2 抽水蓄能電站機(jī)組機(jī)械制動(dòng)控制

2.1 機(jī)械制動(dòng)原理

一般大型抽水蓄能電站每臺(tái)機(jī)組設(shè)置8套機(jī)械制動(dòng)器裝置，如圖1所示。機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)由下機(jī)架的8套風(fēng)閘和裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上的制動(dòng)環(huán)及相關(guān)管路組成，利用風(fēng)閘與制動(dòng)環(huán)之間的摩擦力達(dá)到制動(dòng)停車的效果，制動(dòng)風(fēng)閘用氣取自低壓氣系統(tǒng)，氣體壓力為5～8bar，其投入與撤出可通過(guò)電磁閥手動(dòng)操作與自動(dòng)操作，也可直接通過(guò)操作氣管路閥門進(jìn)行風(fēng)閘的投入與撤出。每臺(tái)機(jī)械制動(dòng)器均配置1個(gè)制動(dòng)位置、1個(gè)退出位置接觸式行程開(kāi)關(guān)，每個(gè)行程開(kāi)關(guān)均取常開(kāi)節(jié)點(diǎn)。這8個(gè)制動(dòng)位置常開(kāi)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)作為機(jī)械制動(dòng)投入位置反饋信號(hào)，8個(gè)復(fù)歸位置常開(kāi)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)作為機(jī)械制動(dòng)退出位置反饋信號(hào)。當(dāng)機(jī)械制動(dòng)投入操作時(shí)，任何一個(gè)制動(dòng)器的投入位置行程開(kāi)關(guān)無(wú)動(dòng)作，系統(tǒng)則判定制動(dòng)器投入失敗，反之，任何一個(gè)制動(dòng)器的退出位置行程開(kāi)關(guān)無(wú)動(dòng)作，系統(tǒng)則判定制動(dòng)器退出失敗[3]。

圖1 機(jī)械制動(dòng)布置圖Figure 1 mechanical braking layout

2.2 機(jī)械制動(dòng)投退

2.2.1 自動(dòng)投退機(jī)械制動(dòng)

以該抽水蓄能電站為例，機(jī)組在正常停機(jī)或事故停機(jī)，投電氣制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速，機(jī)械制動(dòng)自動(dòng)投入；不投電氣制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速小于20%額定轉(zhuǎn)速，機(jī)械制動(dòng)自動(dòng)投入，直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為零。電氣制動(dòng)采用電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)與勵(lì)磁系統(tǒng)配合進(jìn)行制動(dòng)，如圖2所示。

圖2 機(jī)組正常/機(jī)械事故/電氣事故停機(jī) 機(jī)械制動(dòng)流程圖Figure 2 Mechanical brake flow chart of normal/mechanical/electrical accident shutdown of unit

表1 某抽水蓄能電站停機(jī)電制動(dòng)投入表Table 1 Shut-down brake input table for a pumped storage power station

機(jī)組在停機(jī)備用時(shí)，若有蠕動(dòng)信號(hào)，機(jī)械制動(dòng)將會(huì)自動(dòng)投入，電氣制動(dòng)采用電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)與勵(lì)磁系統(tǒng)配合進(jìn)行制動(dòng)[4]。

2.2.2 手動(dòng)投機(jī)械制動(dòng)

（1）檢查機(jī)組出口斷路器已分開(kāi)、機(jī)組導(dǎo)葉、球閥已全關(guān)、機(jī)械制動(dòng)柜氣源氣壓指示正常、機(jī)組轉(zhuǎn)速為零或降至允許投機(jī)械制動(dòng)得轉(zhuǎn)速。

（2）按機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)器上腔排氣按鈕，再按制動(dòng)器下腔充氣按鈕。

（3）檢查機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)閘投入氣壓指示正確，制動(dòng)器投入信號(hào)燈點(diǎn)亮。

2.2.3 手動(dòng)退機(jī)械制動(dòng)

（1）檢查機(jī)械制動(dòng)柜氣源氣壓指示正常，機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)器投入信號(hào)燈點(diǎn)亮，機(jī)械剎車在投入狀態(tài)。

（2）按機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)器下腔排氣、上腔充氣按鈕；檢查機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)閘釋放氣壓指示正確，制動(dòng)閘投入氣壓降為零，制動(dòng)器釋放信號(hào)燈點(diǎn)亮。

（3）按機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)器上腔排氣按鈕；檢查機(jī)械制動(dòng)柜制動(dòng)閘釋放氣壓降為零。

3 機(jī)組機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)典型故障分析

3.1 機(jī)械制動(dòng)反饋信號(hào)丟失故障

3.1.1 故障介紹

該抽水蓄能電站單機(jī)容量為250MW的混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，平均每年每臺(tái)機(jī)組啟停次數(shù)高達(dá)800多次，機(jī)組機(jī)械制動(dòng)反饋信號(hào)丟失這類故障在電站機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，一直有發(fā)生。2017年5月，機(jī)組啟動(dòng)前，發(fā)現(xiàn)機(jī)組預(yù)啟動(dòng)條件不滿足，經(jīng)檢查，機(jī)組機(jī)械制動(dòng)反饋信號(hào)未收到。信號(hào)的丟失，影響機(jī)組的正常啟停，不能及時(shí)滿足電網(wǎng)調(diào)度要求，從電站的長(zhǎng)期安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度出發(fā)，該問(wèn)題必須重視。

3.1.2 故障分析

機(jī)械制動(dòng)退出位置反饋信號(hào)丟失，一般有機(jī)械和電氣兩個(gè)方面的原因。

機(jī)械方面：檢查機(jī)械制動(dòng)器的氣源壓力是否正常，檢查氣源管路有無(wú)泄漏情況；檢查制動(dòng)器本體，是否發(fā)現(xiàn)異常情況；上述故障在機(jī)組停機(jī)時(shí)，現(xiàn)地手動(dòng)投退機(jī)械制動(dòng)器，投入制動(dòng)器時(shí)，反饋信號(hào)正常，退出制動(dòng)器時(shí)，未能收到制動(dòng)器退出位置反饋信號(hào)，操作制動(dòng)器上腔排氣，此時(shí)制動(dòng)器屬于上、下腔均不帶壓狀態(tài)，上、下腔壓力顯示均為0。現(xiàn)地檢查制動(dòng)器位置，發(fā)現(xiàn)個(gè)別制動(dòng)器在頂起位置，并未下落[5]。

此類故障發(fā)生在電站機(jī)組檢修后，機(jī)組首次啟動(dòng)檢查時(shí)。如果制動(dòng)器氣缸下腔壓力無(wú)，在制動(dòng)器上腔不帶壓的情況下，制動(dòng)器也會(huì)根據(jù)自重進(jìn)行下落退出。經(jīng)過(guò)判斷可能機(jī)組檢修期間，制動(dòng)器高壓油頂轉(zhuǎn)子時(shí)，在退出時(shí)，壓力油并未排盡且串有壓縮空氣，機(jī)械制動(dòng)器油缸與氣缸之間的密封有問(wèn)題[6]。

機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)供氣控制管路圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)供氣控制管路圖Figure 3 Air supply control pipeline diagram of mechanical braking system

電氣方面：機(jī)械制動(dòng)的電磁閥動(dòng)作是否正常；機(jī)械制動(dòng)是否按照廠家設(shè)計(jì)順序控制流程，手/自動(dòng)執(zhí)行邏輯是否正常。

3.1.3 暴露問(wèn)題

該問(wèn)題一般會(huì)發(fā)生在機(jī)組檢修過(guò)后或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行頂轉(zhuǎn)子操作。此類故障暴露出機(jī)械制動(dòng)的氣缸與油缸之間的密封可能存在問(wèn)題。

3.1.4 預(yù)防措施

對(duì)制動(dòng)器高壓油頂轉(zhuǎn)子油管路手動(dòng)閥打開(kāi)，進(jìn)行泄壓，機(jī)械制動(dòng)器則可以正常退出，且反饋信號(hào)有效。為了維持機(jī)組正常運(yùn)行，定期對(duì)機(jī)組的高壓油頂轉(zhuǎn)子油管路常閉閥門進(jìn)行打開(kāi)泄壓，該故障會(huì)得到很好的解決，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間觀察，機(jī)械制動(dòng)器工作正常。

3.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)丟失導(dǎo)致高速加閘

3.2.1 故障介紹

該抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為300r/min，在發(fā)電工況下自動(dòng)停機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至140r/min左右時(shí)自動(dòng)投入機(jī)械制動(dòng)，主廠房發(fā)電機(jī)層的集電環(huán)室發(fā)出濃烈的燒焦氣味。待機(jī)組停機(jī)至穩(wěn)態(tài)后，對(duì)4號(hào)機(jī)組進(jìn)行隔離檢查，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器閘皮部位磨損較為嚴(yán)重，造成發(fā)電機(jī)機(jī)坑內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子表面粉塵吸附較多。

3.2.2 故障分析

機(jī)組測(cè)速裝置包括2路齒盤測(cè)速探頭和電氣PT殘壓測(cè)速兩個(gè)部分。測(cè)速裝置配置冗余邏輯，10%額定轉(zhuǎn)速下以齒盤測(cè)速為主用，10%額定轉(zhuǎn)速以上以PT測(cè)速為主用。

造成此次高速加閘的主要原因是，機(jī)組在檢查水導(dǎo)油盆之后，對(duì)齒盤測(cè)速探頭進(jìn)行回裝，未對(duì)測(cè)速探頭進(jìn)行位置調(diào)整，導(dǎo)致探頭與齒盤的間隙超出正常測(cè)量范圍之外，但是測(cè)速裝置因通道正常，并未報(bào)警。機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速降至50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)候，自動(dòng)投入電制動(dòng)，PT殘壓測(cè)速信號(hào)丟失，轉(zhuǎn)速裝置默認(rèn)機(jī)組轉(zhuǎn)速為零，小于5%額定轉(zhuǎn)速繼電器節(jié)點(diǎn)閉合，滿足機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)順控流程，自動(dòng)投入機(jī)械制動(dòng)，導(dǎo)致高速加閘[7]。

3.2.3 暴露問(wèn)題

測(cè)速裝置中齒盤測(cè)速2路和PT殘壓測(cè)速之間未做冗余，轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)誤差偏差過(guò)大沒(méi)有觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，僅靠采樣通道斷線進(jìn)行報(bào)警，即便采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確也沒(méi)有反饋報(bào)警信號(hào)。

3.2.4 預(yù)防措施

針對(duì)此類事件，對(duì)轉(zhuǎn)速裝置程序邏輯進(jìn)行部分冗余修改，新增邏輯判斷條件：在額定轉(zhuǎn)速下，“2路齒盤測(cè)速探頭”與“PT殘壓測(cè)速”誤差均超過(guò)5%額定轉(zhuǎn)速則開(kāi)出“轉(zhuǎn)速裝置故障信號(hào)報(bào)警”。此時(shí)需要運(yùn)行人員確認(rèn)故障報(bào)警信號(hào)有效，在機(jī)組停機(jī)之前應(yīng)盡快手動(dòng)關(guān)閉機(jī)械制動(dòng)器的供氣閥門，防止機(jī)械制動(dòng)器誤投入，待確認(rèn)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至5%額定轉(zhuǎn)速后方可打開(kāi)機(jī)械制動(dòng)器供氣閥門，防止高速加閘[8]。

按照上述邏輯條件更改之后，機(jī)組啟動(dòng)且未到額定轉(zhuǎn)速下停機(jī)，再出現(xiàn)2路齒盤測(cè)速信號(hào)同時(shí)丟失，邏輯判斷條件的保護(hù)是無(wú)效的，因而要求檢修人員定期對(duì)齒盤測(cè)速探頭進(jìn)行檢查，確保機(jī)組測(cè)速裝置的運(yùn)行可靠性。

4 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的合理化建議

由于機(jī)組機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)故障，影響機(jī)組啟動(dòng)成功率，為確保機(jī)組安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)合設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[9]，提出以下建議：

（1）關(guān)于機(jī)械制動(dòng)器部位的投入/退出位置開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，建議每個(gè)制動(dòng)器設(shè)計(jì)兩個(gè)位置開(kāi)關(guān)，投入/退出位置開(kāi)關(guān)均取常開(kāi)節(jié)點(diǎn)。

（2）機(jī)械制動(dòng)器退出位置信號(hào)反饋，必須要求是所有制動(dòng)器退出位置開(kāi)關(guān)信號(hào)串聯(lián)輸出，制動(dòng)器投入位置信號(hào)反饋，取制動(dòng)器所有投入位置開(kāi)關(guān)串聯(lián)、任一投入位置開(kāi)關(guān)均可[10]。

（3）機(jī)械制動(dòng)器供氣管路控制電磁閥建議使用單繞組電磁閥，雙繞組電磁閥閥芯若串腔容易導(dǎo)致誤投制動(dòng)。

（4）機(jī)組小修或者停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，檢修人員應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)速裝置進(jìn)行校核，檢查繼電器動(dòng)作可靠性，避免誤投制動(dòng)。

（5）機(jī)組大修需及時(shí)檢查制動(dòng)器閘皮磨損情況，拆卸制動(dòng)器，檢查氣缸的密封情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能機(jī)組水頭高，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性將直接影響機(jī)組啟動(dòng)成功率及設(shè)備安全，本文選取了2個(gè)典型故障案例并進(jìn)行了分析并給出了防范措施及建議。電站運(yùn)行人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況加強(qiáng)巡視，做好事故預(yù)想，防止高速加閘。檢修人員要定期檢查設(shè)備及輔助電氣元件，將缺陷的發(fā)生率減少到最低，共同保證機(jī)組的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。