發電機組非正常超溫報警故障分析及解決方案

賴 華，劉 輝，周 平

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.上海電機學院電氣學院，上海 201306）

0 引言

排氣溫度是燃氣渦輪發電機組重要的監控保護參數之一。發電機組控制系統溫度調節功能模塊的作用是對發電機組的超溫進行報警并保護停車。某發電機組控制站內的溫度信號調理模塊用于限制發電機組的排氣溫度，并對排氣溫度實施超溫保護。在結構上，溫度調節功能模塊的信號由安裝在發動機上的一組熱電偶、控制系統內的溫度標準器和頻率功率調節系統內的微控制器組成。信號從被安裝在排氣管內的兩排并聯連接的熱電偶進入布置在控制站殼體內的信號調理模塊標準器。每組熱電偶由4 個串、并聯連接的T-28 型熱電偶、用合金HK-CA 制成的熱電級組成。信號被標準器轉換并被輸入微控制器，溫度標準器輸出的信號是否正確、真實，關系到進入微處理器的信號是否正確。

1 非正常超溫原因分析

1.1 現象描述

在裝機運行的發電機組上，4 支合金HK-CA 組成熱電級的雙絲熱電偶經串、并聯后的信號進入信號調理模塊，實現對機組的溫度調節控制及超溫報警保護。

發電機組的工作環境為高濕高鹽，環境濕度一般大于90%，且熱電偶運行一段時間后表面會沉積一層結晶鹽。根據熱電偶的產品特性，單絲熱電偶的阻值為毫歐級，發電機組溫度信號調理模塊的溫度測量回路由8 支熱電偶絲組成。如熱電偶結晶鹽后不做清潔處理，會導致熱電偶絕緣電阻嚴重下降（絕緣電阻由數兆歐下降到幾百歐或幾十歐）。

目前，裝機使用的熱電偶及溫度保護控制電路，在機組起動或運行過程中經常出現非正常超溫報警停機（溫度保護控制與溫度監視使用的是不同的傳感器，且其信號調理電路也不一樣），即保護控制器顯示發電機組超溫，并保護停車，實際的監視溫度值未達到保護停車閥值。尤其在潮濕環境下更是頻繁發生（但機組排氣溫度的監視顯示值卻未達到報警停機的限制值）。故障發生后，現場采用的排除方法為等待燃機轉子降為零值，并在輔機艙控制站內部通過按壓“復位”按鈕消除故障，待燃機控制發出“準備好”指令后準備再次啟動。而再次啟動非正常超溫報警故障并保護停機仍存在很大的概率，此時處理措施多為人工打開燃機保護蓋板，現場經常采用取出4 支熱電偶，把偶絲工作端用工業酒精浸泡15～30 min 后取出，待酒精揮發完全或用明火點燃燒盡殘余酒精，經過上述處理措施復裝后，再次啟動有較高的成功概率，該故障處理方法嚴重影響了機組運行的安全性。

1.2 熱電偶工作原理

熱電偶是敏感元件，由兩種不同的導體（鎳鈷A—鎳鋁B）連接在一起構成一個閉合回路，當連接點1 與2 的溫度不同時，由于熱電效應，回路中會產生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢EAB。連接點1 置于被測的測溫介質中，稱為工作端1；連接點2 要求在某一恒定溫度下，稱為自由端2（圖1）。

圖1 熱電偶構成

實驗證明，當導體材料選定后，熱電偶的熱電動勢僅與接點1、2 溫度有關，當接點1、2 的溫度分別為t1、t2時，回路總的熱電動勢為：

由于導體材料已經選定，其自由端溫度t2恒定，eAB（t2）為常數，故式（1）中回路總的熱電動勢僅為工作溫度t1的單值函數[1]。通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點1 的實際溫度。

1.3 電路分析

導致非正常超溫報警的溫度控制電路中的信號調理模塊電路（圖2），信號調理模塊電路的熱電偶溫度信號采用合金HK-C A 制成，熱電極感受排氣溫度，通過隔離放大電路將毫伏電壓信號放大100 倍，變換成0～5 V 的電壓信號供給采集器，根據《中國航空材料手冊》[2]可知，該合金材料的熱電偶，在300 ℃以下的熱電勢為0，而機組啟動及運行過程中的排氣溫度高于300 ℃，采用該合金材料做熱電偶的熱電極在300 ℃以下可不需要進行冷端補償，可簡化電路設計。

圖2 信號調理模塊電路

在信號調理模塊電路中，設計的機組排氣溫度在300 ℃以下時的測溫電路輸出偏置值為1.2 V。圖2 中，5 V 電壓經R2、R3 分壓，使輸入端有12 mV 電壓輸入，放大100 倍后變成1.2 V，R4 為外來的干擾信號電阻，R1 為斷耦的檢測信號電阻。

電路中設計有斷耦報警電路，當發生斷耦故障時，分壓的12 mV 電壓不能加到輸入端，則輸入端正負極由電阻R1 連接，電壓為0 mV，放大后輸出的電壓為0 V，控制器采集后判斷為斷耦故障并報警。

1.4 誤報警原因分析

在發電機組原控制器中，造成非正常超溫報警的原因有兩個：

（1）絕緣電阻下降導致溫度值采集的初始狀態產生較大偏移。在控制器的信號調理模塊中，當熱電偶因潮濕天氣原因使得偶絲與殼體間的絕緣電阻下降時，由于圖2 中輸入地③與殼體②做了短路連接，相當于在偶絲與殼體（地）之間接入一個電阻。偏置電路等效電路如圖3 所示。

圖3 偏置電路等效電路

未開機時，R4 的阻值正常情況下為無窮大，對電路不產生影響，但在嚴重鹽霧潮濕的情況下（如熱電偶浸濕）測得僅為幾百歐姆，以200 Ω計算為例，根據等效電路可得：R2=0.48 Ω，R3=220 Ω，U=5 V，假設R4=200 Ω，則：

計算出R2 上的分壓約23 mV，放大100 倍后輸出為2.3 V，已嚴重偏離正常值1.2 V，此時控制器采集計算后的溫度值為440 ℃，致使會出現一按啟動按鈕，燃機控制系統報超溫停車故障，可見對初始溫度值的采集產生了較大偏移。

假設R4=1000 Ω，則U2≈13 mV，放大100 倍后輸出為1.3 V，略微偏離正常值1.2 V，因此，只要R4 的值大于1000 Ω，對溫度值采集的影響可以忽略。

（2）圖2 中有3 種電路的地存在，分別為信號輸入地③（共電源地、殼體地）、放大電路地①、信號輸出地②（與控制器采集輸入共地），在處理小信號時，各類地之間需相互隔離才能避免由于運行過程中各種地電位電勢差對信號引起的干擾，但在圖2 的電路設計中，信號輸入地與輸出地之間沒有隔離，易受干擾。試驗測得，在極端潮濕情況下，初始輸出從1.2 V 漂移至1.4 V，溫度漂移約30 ℃，致使會出現在燃機轉子正常加速至點火轉速時，燃油剛被點著時刻報超溫停車故障，并控制系統反饋給中央控制室的故障信息為“超溫停車”。

以上兩種因素導致排氣溫度的測量值與實際值誤差很大，在熱電偶未清洗（有鹽結晶沉積）情況下造成的溫度測量值與實際值的誤差甚至可達數百攝氏度，故造成機組非正常超溫報警停機。

2 電路改進設計方案

通過對控制器中原信號調理模塊模塊的分析與試驗，針對影響控制器中測溫采集值漂移的兩個原因提出改進設計，改進后的電路如圖4 所示，改進電路從兩個方面進行。

圖4 改進后的信號調理模塊電路

（1）增加DC-DC 隔離模塊。增加DC-DC 模塊后，R3 與輸入地連接，而R4 與機殼（或電源地）連接，R4 不再影響R3 上的分壓，潮濕情況下也不會對初始電壓偏置產生影響（由于不是同一個地，R4 的大小對于R3、4的大小不影響初始的電壓偏置，只與R2、R3 有關，），解決了因絕緣電阻下降導致溫度值采集的初始狀態產生的偏移。

（2）將地②與地③之間的連接線斷開。改進后的電路使3 個地之間完全隔離互不干擾，大大減小了各個地電位差對測量結果的干擾。

改進后，在極端環境情況下，不會造成由于溫度信號受到干擾而出現的非正常超溫報警、停車。

3 結論

通過對由于信號干擾和使用環境等導致的溫度信號非正常超溫報警的故障分析，得出在處理小信號時，各類地之間需相互隔離才能避免由于運行過程中各種地電位電勢差對信號的干擾。試驗和使用驗證，該故障處理方法切實可行，實際熱電偶溫度信號對溫度控制電路中采集的溫度反饋值已不受外界環境及干擾的影響，提高了產品的性能及可靠性。