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(jiān)控系統(tǒng)多次報“機組115%Ne過速”動作并瞬時復(fù)歸信號，一旦出現(xiàn)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(dǎo)致機組非計劃停運，嚴重影響發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行。文章從設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝工藝、軟件控制等方面進行原因分析，并采取了相應(yīng)措施，有效解決了影響安全的重大隱患，為其他出現(xiàn)類似問題的水發(fā)電廠提供了有效的處理思路。

關(guān)鍵詞：水電廠；機組轉(zhuǎn)速；測速鍵相帶；殘壓測頻

1 概述

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

2 機組轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)簡介

電廠機組轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)共有兩套，一套為調(diào)速器系統(tǒng)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(diào)速器[1]。當機組啟動轉(zhuǎn)速小于95%Ne（Ne為機組額定轉(zhuǎn)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(shù)值高低的限制，始終與機組轉(zhuǎn)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(chǎn)生周期性旋轉(zhuǎn)跳動的干擾信號[2]。

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

另一套為機組轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，采用西安江河公司生產(chǎn)的ZKZ-4型可編程轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置。ZKZ-4型可編程轉(zhuǎn)速監(jiān)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(guān)量和一對蠕動量，其中的4-20mA模擬量信號，直接送至監(jiān)控系統(tǒng)，而10對開關(guān)量和蠕動量，則送至監(jiān)控系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)參與控制。

3 故障現(xiàn)象

自2013年4月投運以來，電廠機組在0-90MW負荷區(qū)間內(nèi)增負荷過程中監(jiān)控系統(tǒng)上位機多次報“機組115%Ne過速”動作并瞬時復(fù)歸，雖未因監(jiān)控系統(tǒng)事故停機流程中設(shè)置了“機組115%Ne過速+主配拒動并延時3秒”后，導(dǎo)致機組非計劃停運，一旦出現(xiàn)此情況將嚴重影響發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

4 機組轉(zhuǎn)速跳變原因分析

4.1 調(diào)速器專用轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)分析

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

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

4.2 機組轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)分析

ZKZ-4型轉(zhuǎn)速監(jiān)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(yōu)先，僅當測速鍵相帶測速出現(xiàn)故障時才切換到機端PT?？紤]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(xiàn)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(zhuǎn)速測量所用的接近開關(guān)固定在測速支架上，測速支架由一根內(nèi)部中空的長方體支撐和一塊弧形扁鐵構(gòu)成，長方體支撐垂直焊接在水導(dǎo)油槽蓋板上，其規(guī)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(guī)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(chǎn)生振動，而產(chǎn)生更高頻率的方波信號。因此，鍵相帶測速系統(tǒng)所測得的機組轉(zhuǎn)速將大于其實際轉(zhuǎn)速，甚至出現(xiàn)瞬間的突變。

（2）測速探頭間隙。機組測速所用接近開關(guān)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(guān)正對鋼帶且距離超過4mm時，其指示燈將熄滅，當接近開關(guān)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(guān)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?。s為1mm左右），當遠離或過于靠近橡膠帶時，接近開關(guān)將監(jiān)測不到信號或?qū)⒋┻^橡膠帶檢測到其內(nèi)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(guān)鍵，探頭間隙過大或過小，都將使得機組轉(zhuǎn)速測量出現(xiàn)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(fā)生偏移，從而產(chǎn)生低頻振蕩，該振蕩信號將疊加到機組轉(zhuǎn)速上，最終使得機組轉(zhuǎn)速偏高。查詢監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)時機組所帶負荷為55MW～72MW，而機組在42-48m水頭下的振動區(qū)域即為40MW～80MW。眾所周知，機組在振動區(qū)域內(nèi)的振擺將增大，正是由于過大振擺產(chǎn)生的低頻振動疊加以后才使所測得的轉(zhuǎn)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(fù)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(guān)。

（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(dǎo)油槽蓋板轉(zhuǎn)移到下導(dǎo)油槽蓋板。

（4）ZKZ-4型轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置進行改造，通過改變外部接線增加機組并網(wǎng)信號、裝置內(nèi)部軟件程序修改實現(xiàn)機組并網(wǎng)前優(yōu)先處理測速鍵相帶轉(zhuǎn)速信號，并網(wǎng)運行后ZKZ-4型轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置優(yōu)先處理機端PT信號，并輸出轉(zhuǎn)速信號，以確保轉(zhuǎn)速信號的準確、穩(wěn)定。

6 結(jié)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(xiàn)象，清晰描述了故障現(xiàn)象，從測速支架、測速探頭間隙、機組振擺及ZKZ-4型轉(zhuǎn)速監(jiān)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(zhuǎn)移測速支架、對機組ZKZ-4型轉(zhuǎn)速監(jiān)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(wěn)定，達到了預(yù)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(diào)速器圖冊[Z].2011，3.

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

[3]魏勝平.水輪機調(diào)節(jié)[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(fā)電安全性[J].水電站機電技術(shù)，2011，34（4）：30-56.

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

[6]GB/T 9652.1-2007.水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)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(fā)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(shè)備點檢工作。