核電廠汽輪機軸系振動測量系統抗雷擊干擾性能提升研究

薛勝峰，鄭祥東，譚旭東，肖群雄

(陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941)

陽江核電廠采用上海電氣1 100 MW級核電半速汽輪機，額定轉速1 500 r/min。汽輪機振動監測及保護系統采用VM600系統，對轉子相對振動及軸承箱絕對振動進行監視，并對軸承箱絕對振動設置汽輪機跳閘保護邏輯。

在機組日常運行過程中發現陽江核電廠汽輪機振動監測及保護系統在雷暴天氣下出現測量通道故障信號觸發現象，對機組安全穩定運行帶來較大隱患。本文通過雷電干擾機理及VM600系統測量原理入手進行理論分析并制定對應技術改進措施。

2017年10月1日上午9:18:08，陽江核電廠3號機組汽輪機軸系所有絕對振動信號在實時測量值未改變情況下出現通道故障報警。所有出現通道故障的信號10 s后恢復正常。由于在汽輪機保護選取絕對振動信號高及通道故障參與跳機保護邏輯運算，所以類似故障將對汽輪機安全穩定運行產生較嚴重影響。

1 工作原理介紹

陽江核電廠汽輪機采用單軸，三缸結構，半速設計，凝汽式百萬千瓦汽輪機組，并設計外部除濕再熱裝置。整個汽輪機由一個高壓缸和兩個低壓缸組成，各汽缸和發電機采用串聯布置。汽輪機主軸采用對接方式，從高壓缸到勵磁機共設置九級軸瓦進行支撐。每一級軸瓦均設計兩個絕對振動探頭及兩個相對振動探頭對汽輪機主軸振動進行監測。

1.1 汽輪機軸承振動探測原理

陽江核電廠使用的汽輪機絕對振動(瓦振)探頭為壓電式振動加速度傳感器。安裝在汽機本體上的探頭在汽機的作用下獲得一個加速度，進而形成一個力F(F=M×a)作用在壓電晶體上。壓電晶體在一定方向上受力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”。在振動時，由于慣性，壓電晶體會在某一方向上受到慣性力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷，通過測量兩個表面上的電壓，就能實現對振動的測量。如圖1所示。絕對振動信號經壓電式傳感器送前置放大器放大后送VM600系統MPC4卡件處理。卡件處理后輸出4～20 mA模擬量信號及通道OK判斷開關量信號至T2000系統參與汽輪機保護邏輯運算。

1.2 MPC4信號處理卡的通道故障判斷

現場過程信號通過硬接線送入信號處理卡，卡件將過程信號分為直流分量與交流分量兩部分。其中直流分量(OK值)作為通道故障判斷的一個依據，信號的OK值為7～17 mA。OK值超出設定范圍后經卡件內部繼電器觸發通道故障報警NOT OK輸出至汽輪機控制平臺T2000系統的FUM卡。NOT OK觸發后保持10 s，該機制為卡件內固化設計。

交流分量作為振動信號的輸出，經運算轉化為4～20 mA信號送往FUM卡。4～20 mA信號作為通道判斷的另一個依據。當出現出現測量回路斷路或卡件故障等異常，信號超出4～20 mA范圍時，觸發模擬量通道故障。圖2中以瓦振信號的OK值判斷為例說明信號處理卡對信號通道故障的判斷原理。

圖2 瓦振信號的OK值判斷示意圖

1.3 振動信號的保護跳機邏輯

汽輪機振動信號的保護邏輯均在汽輪機控制平臺T2000系統中實現。其中轉子相對振動信號(軸振)沒有單獨的跳機保護邏輯，僅設置一個手動打閘參考值。軸承絕對振動信號的跳機保護邏輯包括兩個部分(見圖3)。

圖3 振動信號跳機保護邏輯

(1)任意一路瓦振真實振動高(>10.5 mm/s)且另一路存在真實振動高或通道故障情況下延時1 s跳機；

(2)兩路瓦振同時出現通道故障，且同瓦位置處軸振真實高(汽輪機側為大于400 mm，發電機側為大于160 mm)觸發汽輪發電機跳機。

2 雷擊對測量控制系統影響分析

2.1 雷擊放電原理

根據現有研究表明，云層內同時存在冰晶和水粒兩種形態的水分子，由于兩種水分子比重不一，在云層中形成氣流，由于云層內部不停的運動與摩擦，使得冰晶帶正電，水粒子帶負電并逐漸分離，形成一部分帶正電雷云和一部分帶負電雷云。由于冰晶比重小于水粒子，所以靠近地面雷云多帶負電，由于雷云負電荷的靜電感應，在附近地面積聚正電荷，使得雷云與地面之間形成強大電場。當某處積聚電荷密度達到一定臨界值，達到對地放電條件。在雷云對地放電過程中將對區域內導體產生強大干擾作用[1]。

當空間中出現帶負電荷積雨云，在積雨云下部空間內金屬導體由于靜電感應作用將產生與雷云下端電荷異號正電荷。由于相對放電過程，積雨云電荷累積過程較漫長，因此受影響區域內金屬導體表面可以有充分時間累積大量正電荷。正電荷累積過程中原為中性金屬導體表面產生相應負電荷被排斥并向反方向或兩側移動，經接地系統流入大地，由于該過程速度較慢，形成電流較小，對控制系統不構成影響。

雷云放電前，在金屬導體表面累積電荷停留其表面，不會自由移動，稱為束縛電荷，對控制系統不構成威脅。當雷云中電荷不斷積累，云層與地之間電場強度不斷增強，當某處電場強度超過空氣可承受擊穿強度時(根據已有研究表明，電場強度一般達到2 500～3 000 kV/m)，就形成云地間放電。

雷云對地放電后，帶電雷云所帶電荷迅速被中和，而金屬導體表面感應電荷將迅速通過接地路徑進行泄放。靜電感應示意圖如圖4所示。

圖4 雷擊靜電感應示意圖

假設干擾源與受感應導體間距離為b，受感應導體的離地高度為h(如圖4所示)，由于干擾源與受感應導體間的等效分布電容CS以及受感應對地電容CL分別反比于b和h，則可用式(1)表示受感應導體產生電動勢。

Un=IRh/b

(1)

2.2 雷擊對汽輪機振動測量系統影響分析

2017年10月1日上午9:18:08，雷擊探測系統探測到陽江核電廠廠區范圍內雷電情況，故障發生時間前后5 min內，故障點5 km區域內雷電情況，如圖5所示。

圖5 雷擊監測實際數據

陽江核電廠3號機組汽輪機廠房經緯度為經度：112.2634，緯度：21.703，在2017年10月1日上午9:18:07.889。MX廠房南方589 m處探測到一次地閃，接閃電流約38.2 kA，與故障時間幾乎完全重合，且距離較近，可以基本確定造成本次故障的直接原因為雷暴影響。VM600振動探測系統由瓦振探頭，前置放大器，信號處理板卡組成。其中瓦振探頭及前置放大器布置于汽輪機廠房16 m平臺，信號處理卡件布置于電氣廠房。

瓦振探頭由螺栓固定于汽輪機軸承箱，探頭本體為金屬材質，探頭本體通過連接汽輪機實現接地。前置放大器至至機柜處理卡件段屏蔽接線與前置放大器斷開，系統參考電位由就地側提供，前置放大器本體安裝于絕緣板，與安裝端子箱絕緣。前置放大器至機柜側信號電纜屏蔽接線由振動測量機柜卡件sheild端接入大地。信號回路如圖6所示。

圖6 瓦振信號回路

對于信號測量回路由于采取了較完備屏蔽及接地措施，可以做到較優秀防干擾效果。信號處理機柜位于全屏蔽廠房內，具備優異電磁屏蔽效果。

振動測量回路中信號處理機柜及信號傳輸回路均實施多項抗電磁干擾措施，具備優良抗電磁干擾能力。

汽輪機本體布置于MX廠房16 m平臺，汽輪發電機組全長約55 m，經汽輪機安裝基礎及凝汽器管線接入大地。可以將汽輪機本體等效為一個長55 m，離地高度16 m長條形導體結構。MX廠房非全封閉結構，廠房6 m、16 m、28 m平臺存在連續貫穿廠房開窗。當汽輪機本體產生感應電勢情況下，由于測量系統通過就地探頭提供等電位，將導致系統參考電位升高。對信號測量產生影響。

陽江核電廠廠址附近山地地質條件為黏土質砂地結構[1]，根據文獻表1。

表1 不同土壤種類電阻率范圍

當發生雷擊，取黏土質砂地地帶接地電阻率下限，由上文式(1)Un=IRh/b可知，當接閃點距離3號機組MX廠房589 m，接閃電流38.2 kA可計算得

Un=38 200×150×16/589=15.565 kV

(2)

即當雷擊發生時，將在汽輪機本體產生最大約15 kV感應電勢。

由前文可知現場過程信號通過硬接線送入信號處理卡，卡件將過程信號分為直流分量與交流分量兩部分。其中直流分量(OK值)作為通道故障判斷的一個依據，電流信號的OK值為7～17 mA。即振動測量交流信號疊加于12 mA直流偏置信號之上，根據GME卡件設置，當直流分量超出7～17 mA范圍，將觸發通道NOT OK信號。

經試驗驗證隨著瓦振探頭接地電位變化，回路內的偏置電流也隨之發生變化，變化幅度約瓦振探頭對地電勢改變1 V，回路偏置電流改變約0.01 mA，證明雷暴天氣時，瓦振接地點的電位發生變化，影響回路內的偏置電流超出通道故障閾值判斷范圍，從而導致NOT OK信號觸發。

即假設雷擊發生過程中，當汽輪機本體產生1～15 kV范圍感應電壓，對回路偏置電流約產生10～150 mA影響，疊加正常偏置電流12 mA，將超過通道OK判斷范圍7～17 mA范圍。

當偏置電流超過判斷范圍，將導致絕對振動(瓦振)通道故障信號觸發，如圖3所示，當疊加同軸瓦位置軸承振動高信號觸發，將直接觸發汽輪機保護跳閘信號。

3 處理方案

3.1 改變探頭安裝方式及回路參考電位

當就地振動測量探頭采用接地安裝，將導致強干擾情況下信號不可用。根據理論分析，可對就地探頭采用絕緣安裝，相應修改信號回路設計。由于振動測量機柜位于LX廠房，廠房本體為封閉結構，具備良好電磁屏蔽功能，信號回路參考電位由機柜統一提供。

修改設計后就地振動探頭使用定制絕緣墊進行隔離，保證探頭對汽輪機本體絕緣。并將前置放大器COM端與振動測量卡件shield端及負端連接，由卡件提供前置放大器參考電位。

定制絕緣墊選用聚醚醚酮PEEK材質，其外形尺寸如圖7所示。PEEK材質具有與合金材料媲美的對交變應力的優良耐疲勞性，同時PEEK具有很強絕緣性。能夠同時滿足振動探頭絕緣性能要求及安裝強度。

圖7 振動探頭絕緣墊

3.2 增強汽輪機廠房電磁屏蔽能力

陽江核電廠廠址地處粵西沿海，平均出現雷暴日為82.3 d，其中最高為125 d。遠高于多雷區40 d/y標準。同時根據《陽江核電站雷電風險評估報告》結論，陽江核電廠建筑物群雷擊風險值R=27.3高于容許值RT=10-5，需要對核電廠建筑物群進行防雷防護。

陽江核電廠汽輪機廠房采用鋼結構金屬外殼結構建筑，本體具備較好屏蔽性，汽輪機廠房屋頂裝設了接閃器(避雷針和避雷帶)，按照設計要求，能有效地保護汽輪機廠房免遭直擊雷，但在平臺采用大面積開窗結構，成為廠房整體屏蔽薄弱點。

根據《電子信息系統機房設計規范》GB 50174—2008的5.2.3 主機房和輔助區內磁場干擾環境場強不應大于800 A/m的要求[4]，為提高室內設備的抗雷電輻射磁場影響的能力需增加屏蔽措施，如窗戶加金屬網格屏蔽網。

金屬網格屏蔽原理可理解為：如果雷電電磁脈沖產生一次場A，則A會使得金屬表面產生感應電流，繼而產生二次場B，一次場A與二次場B疊加形成合成場，二者抵消達到磁場強度減弱效果。

根據《建筑物防雷設計規范》(GB 50057—2010)規定，不同雷電防護等級所對應的最大雷電流峰值如表2所示。

表2 不同雷電防護等級對應電流峰值

假設建筑物內容許干擾磁場強度為Ha。當采用金屬網格實施屏蔽后，雷擊發生時廠房內部干擾磁場強度由H0下降至Ha，則根據式3可以求得金屬屏蔽網的屏蔽系數SF(單位dB)：

SF=20lg(H0/Ha)

(3)

根據已有研究，可以按照表3求得金屬屏蔽網格寬度W。一般情況下，首次雷擊強度最大，故一般按照表中25 kHz所列公式進行計算。

表3 網格屏蔽的寬度計算公式

經計算，在選取1 mm半徑鍍鋅不銹鋼金屬網作為屏蔽材料過程中，網格寬度不應大于0.4 m。經評估，電廠決定采取網格寬度0.1 m金屬網格制作屏蔽網，經屏蔽后圖例見圖8所示。

圖8 加裝金屬屏蔽前后對比

對各窗戶加裝金屬屏蔽網使用銅導線接入各接地排。

3.3 優化汽輪機振動保護邏輯

根據電廠汽輪機保護邏輯初始設計，汽輪機振動信號的保護邏輯均在汽輪機控制平臺T2000系統中實現。其中轉子相對振動信號(軸振)沒有單獨的跳機保護邏輯，僅設置一個手動打閘參考值。軸承絕對振動信號的跳機保護邏輯包括兩個部分，如圖9所示。

a.任意一路瓦振真實振動高(>10.5 mm/s)且另一路存在真實振動高或通道故障情況下延時1 s跳機；

b.兩路瓦振同時出現通道故障，且同瓦位置處軸振真實高(GME為大于400 mm，GRH為大于160 mm)觸發汽輪發電機跳機。

圖9 振動信號跳機保護邏輯

其中絕對振動(瓦振)信號在邏輯回路中判斷分兩部分實現：

a.其中振動系統VM600對前端信號偏置進行判斷，當偏置超出OK值范圍，輸出開關量信號XM71，其中XM71=1，通道OK；XM71=0，通道NOT OK。

b.振動測量值經VM600振動卡件處理后輸出4～20 mA信號至T2000系統進行邏輯運算，當模擬量信號<3.5 mA或>20.5 mA范圍，通道超量程信號XM23變位，其中XM23=0，通道未超量程；XM23=1，通道超量程。

XM71與XM23信號任一為0，則觸發通道故障信號XM20，進入跳機邏輯運算(見圖10)。

圖10 通道故障信號處理邏輯

通道故障判斷邏輯中XM71信號判斷由VM600振動處理卡件實現，為卡件特有特性，無法改變，同時在信號觸發后將有10 s保持時間。

經上文分析，在信號就地探頭，前置放大器，信號回路出現強干擾情況下，XM71信號存在較高誤觸發風險，且該信號自身存在10 s保持時間。將大大增加汽輪機振動保護跳機信號誤觸發風險。

汽輪機實際振動值由探頭輸出交流部分體現，如發生故障或斷線等情況，將由T2000系統XM23信號進行判斷，可有效識別并判斷信號通道故障。剔除該信號參與跳機保護邏輯。優化后通道故障信號處理邏輯如圖11所示。

圖11 取消振動處理卡件通道故障信號示意圖

4 結論

經上文一系列整改措施，陽江核電廠汽輪機振動測量系統經受“山竹”“天鴿”等多次強臺風及強雷暴天氣未發生異常。系統抗雷擊性能提升明顯，相關措施可推廣至同類型機組借鑒應用。