水電廠機組轉速信號跳變原因分析及處理措施

胡閬　丁漢生

摘 要：某水電廠機組在增加負荷的過程中，上位機監控系統多次報“機組115%Ne過速”動作并瞬時復歸信號，一旦出現機組“115%Ne過速”并伴隨“主配拒動并延時3秒”的情況，水機保護回路開出，將導致機組非計劃停運，嚴重影響發電機組安全穩定運行。文章從設備結構、安裝工藝、軟件控制等方面進行原因分析，并采取了相應措施，有效解決了影響安全的重大隱患，為其他出現類似問題的水發電廠提供了有效的處理思路。

關鍵詞：水電廠；機組轉速；測速鍵相帶；殘壓測頻

1 概述

某電廠裝設有3臺單機容量為140MW立軸混流式水輪發機電組，總裝機420MW，年利用小時數2943h，多年平均發電量12.36億kW.h。文章所介紹的轉速非正常跳變現象發生在機組轉速測控系統。

2 機組轉速測控系統簡介

電廠機組轉速測控系統共有兩套，一套為調速器系統專用，采用長江三峽能事達電氣股份有限公司MGC4000系列水輪機可編程控制器雙微機雙通道冗余調速器[1]。當機組啟動轉速小于95%Ne（Ne為機組額定轉速）時采用測速鍵相帶測頻。測速鍵相帶測頻信號不受機組殘壓數值高低的限制，始終與機組轉速同步，比電壓互感器殘壓測頻信號具有更高的可靠性，但容易產生周期性旋轉跳動的干擾信號[2]。

所謂的測速鍵相（如圖1所示），是在發電機主軸上沿圓周粘一圈橡膠帶，當接近開關正對矩形孔時接近開關滅燈，而當接近開關正對非矩形孔時接近開關亮燈，從而輸出轉速脈沖信號。與測速鍵相帶相匹配的接近開關，則緊固在固定支架上。

另一套為機組轉速測控系統，采用西安江河公司生產的ZKZ-4型可編程轉速監測裝置。ZKZ-4型可編程轉速監測裝置的頻率輸入為機端PT和測速鍵相帶雙冗余配置，其不僅能輸出模擬量，還能輸出10對開關量和一對蠕動量，其中的4-20mA模擬量信號，直接送至監控系統，而10對開關量和蠕動量，則送至監控系統和勵磁系統參與控制。

3 故障現象

自2013年4月投運以來，電廠機組在0-90MW負荷區間內增負荷過程中監控系統上位機多次報“機組115%Ne過速”動作并瞬時復歸，雖未因監控系統事故停機流程中設置了“機組115%Ne過速+主配拒動并延時3秒”后，導致機組非計劃停運，一旦出現此情況將嚴重影響發電機組的安全穩定運行。

4 機組轉速跳變原因分析

4.1 調速器專用轉速測控系統分析

對于調速器專用轉速測控系統機頻檢測，僅空載和負載狀態下PT才有電壓，此時的機組轉速才是準確的，而在開停機過程中和空轉態時，由于殘壓信號幅值小且波形失真，所測得的轉速并不能真實反映機組的實際轉速。對于測速鍵相帶，其接近開關為圖爾克公司Ni5-G12-AP6X型電感式接近開關，該開關包括四個電氣環節：諧振器、解調器、觸發器和輸出放大器（如圖2）。

當機組轉動時，測速鍵相帶隨大軸一起轉動，與靜止的接近開關在感應面不斷地靠近、分開，使測速探頭內部諧振器發生“停振”和“起振”交替變化，從而把機組轉速的變化線性地轉換成為諧振器頻率的變化，該頻率信號經過整形放大、變換后，以4-20mA模擬信號（相當于0-200%的額定轉速）輸送給微機調速器及機組轉速測控系統并經過處理后即可獲得機組轉速信號，因此測速鍵相帶具有零轉速檢測功能，但在高轉速下，其穩定性卻不如殘壓[3]。對于機組在增加負荷過程中出現的過速信號，調速器專用轉速測控系統采用的是機端PT殘壓測頻，而此時機端PT電壓幅值大且穩定無干擾。因此，對于調速器專用轉速測控系統而言機組轉速穩定而無跳變。

4.2 機組轉速測控系統分析

ZKZ-4型轉速監測裝置其輸入有兩路，分別為機端PT和測速鍵相帶。兩路輸入中測速鍵相帶優先，僅當測速鍵相帶測速出現故障時才切換到機端PT。考慮到機組115%Ne過速告警時，測速探頭運行正常無故障，故此時裝置輸入為測速鍵相帶輸入，而非機端PT殘壓輸入[4]。因此，出現該過速告警的原因即在于鍵相帶測速回路，以下四個方面進行分析。

（1）測速支架。機組轉速測量所用的接近開關固定在測速支架上，測速支架由一根內部中空的長方體支撐和一塊弧形扁鐵構成，長方體支撐垂直焊接在水導油槽蓋板上，其規格為80mm*60mm*82

0mm，再在該支撐上端焊接一塊與測速鍵相帶平行的扁鐵，扁鐵規格為460mm*50mm*3mm，測速探頭即是通過開孔方式固定在該扁鐵上。在機組運行過程中，由于支撐高度過高，對來自底端的振動有放大作用，再加之扁鐵太單薄而細長，剛度不夠，使得測速探頭產生振動，而產生更高頻率的方波信號。因此，鍵相帶測速系統所測得的機組轉速將大于其實際轉速，甚至出現瞬間的突變。

（2）測速探頭間隙。機組測速所用接近開關其有效測量距離為5mm，但在實際使用過程中其有效測量距離僅為3mm左右。即當接近開關正對鋼帶且距離超過4mm時，其指示燈將熄滅，當接近開關正對橡膠帶且距離小于1mm時，指示燈將點亮，這一方面是受限于接近開關本身的制作工藝，另一方面則是因為鋼帶和橡膠帶本身厚度太薄（約為1mm左右），當遠離或過于靠近橡膠帶時，接近開關將監測不到信號或將穿過橡膠帶檢測到其內部的金屬大軸。以上因素都會降低測速鍵相帶的可辨識度。因此，測速探頭的安裝間隙顯得尤為關鍵，探頭間隙過大或過小，都將使得機組轉速測量出現偏差（如表1）。

（3）機組振擺的影響。主軸擺動將使得測速鍵相帶相對探頭發生偏移，從而產生低頻振蕩，該振蕩信號將疊加到機組轉速上，最終使得機組轉速偏高。查詢監控系統報“機組115%Ne過速報警”信號時機組所帶負荷（見表2）。

通過表2可知，以上告警信號出現時機組所帶負荷為55MW～72MW，而機組在42-48m水頭下的振動區域即為40MW～80MW。眾所周知，機組在振動區域內的振擺將增大，正是由于過大振擺產生的低頻振動疊加以后才使所測得的轉速增大。

5 改進措施

（1）降低測速支架高度，將中空的長方體支撐換成實心的支撐，考慮將原來一塊扁鐵上的4個探頭分裝到2塊扁鐵上，從而減小扁鐵的弧長。

（2）增強測速鍵相帶的可辨識度，修復凹陷和凸起部分，可以考慮將測速鍵相帶更換成可辨識度更高的齒盤，還可以考慮更換有效距離更大的接近開關。

（3）減小機組振擺對其的影響，機組振擺是無法避免的，可以將測速支架安裝到振擺更小的部位。比如，由水導油槽蓋板轉移到下導油槽蓋板。

（4）ZKZ-4型轉速監測裝置進行改造，通過改變外部接線增加機組并網信號、裝置內部軟件程序修改實現機組并網前優先處理測速鍵相帶轉速信號，并網運行后ZKZ-4型轉速監測裝置優先處理機端PT信號，并輸出轉速信號，以確保轉速信號的準確、穩定。

6 結束語

文章針對電廠機組在增負荷過程中頻報的“機組115%Ne過速”現象，清晰描述了故障現象，從測速支架、測速探頭間隙、機組振擺及ZKZ-4型轉速監測裝置四個方面詳細分析了其給機組測速所帶來的影響，并轉移測速支架、對機組ZKZ-4型轉速監測裝置進行改造等措施，通過對#1機組整改，目前#1機組運行穩定，達到了預期效果，今后將對其余機組逐臺整改，徹底解決此安全隱患，確保機組安全運行。

參考文獻

[1]長江三峽能事達電氣股份有限公司.MGC4000可編程微機調速器圖冊[Z].2011，3.

[2]周樂.凌津灘水輪機齒盤測頻裝置產生干擾信號的原因分析[J].水電自動化與大壩監測，2010，34（6）：20-21.

[3]魏勝平.水輪機調節[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[4]李祥波，王曉晨，張志華，等.三路冗余智能測速裝置提高水電廠機組發電安全性[J].水電站機電技術，2011，34（4）：30-56.

[5]潘熙和，嚴國強，李昌梅，等.水輪機微機調速器測頻方式與方法的探討[J].水力發電，2009，35（8）：52-55.

[6]GB/T 9652.1-2007.水輪機控制系統技術條件[S].中國標準出版社，2007.

作者簡介：胡閬（1982-），男，湖南益陽人，工程師，主要從事水電廠發電運行管理工作。

丁漢生（1988-），男，河南平頂山，助理工程師，主要從事水電廠設備點檢工作。