水电厂机组转速信号跳变原因分析及处理措施

胡阆　丁汉生

摘 要：某水电厂机组在增加负荷的过程中，上位机监控系统多次报“机组115%Ne过速”动作并瞬时复归信号，一旦出现机组“115%Ne过速”并伴随“主配拒动并延时3秒”的情况，水机保护回路开出，将导致机组非计划停运，严重影响发电机组安全稳定运行。文章从设备结构、安装工艺、软件控制等方面进行原因分析，并采取了相应措施，有效解决了影响安全的重大隐患，为其他出现类似问题的水发电厂提供了有效的处理思路。

关键词：水电厂；机组转速；测速键相带；残压测频

1 概述

某电厂装设有3台单机容量为140MW立轴混流式水轮发机电组，总装机420MW，年利用小时数2943h，多年平均发电量12.36亿kW.h。文章所介绍的转速非正常跳变现象发生在机组转速测控系统。

2 机组转速测控系统简介

电厂机组转速测控系统共有两套，一套为调速器系统专用，采用长江三峡能事达电气股份有限公司MGC4000系列水轮机可编程控制器双微机双通道冗余调速器[1]。当机组启动转速小于95%Ne（Ne为机组额定转速）时采用测速键相带测频。测速键相带测频信号不受机组残压数值高低的限制，始终与机组转速同步，比电压互感器残压测频信号具有更高的可靠性，但容易产生周期性旋转跳动的干扰信号[2]。

所谓的测速键相（如图1所示），是在发电机主轴上沿圆周粘一圈橡胶带，当接近开关正对矩形孔时接近开关灭灯，而当接近开关正对非矩形孔时接近开关亮灯，从而输出转速脉冲信号。与测速键相带相匹配的接近开关，则紧固在固定支架上。

另一套为机组转速测控系统，采用西安江河公司生产的ZKZ-4型可编程转速监测装置。ZKZ-4型可编程转速监测装置的频率输入为机端PT和测速键相带双冗余配置，其不仅能输出模拟量，还能输出10对开关量和一对蠕动量，其中的4-20mA模拟量信号，直接送至监控系统，而10对开关量和蠕动量，则送至监控系统和励磁系统参与控制。

3 故障现象

自2013年4月投运以来，电厂机组在0-90MW负荷区间内增负荷过程中监控系统上位机多次报“机组115%Ne过速”动作并瞬时复归，虽未因监控系统事故停机流程中设置了“机组115%Ne过速+主配拒动并延时3秒”后，导致机组非计划停运，一旦出现此情况将严重影响发电机组的安全稳定运行。

4 机组转速跳变原因分析

4.1 调速器专用转速测控系统分析

对于调速器专用转速测控系统机频检测，仅空载和负载状态下PT才有电压，此时的机组转速才是准确的，而在开停机过程中和空转态时，由于残压信号幅值小且波形失真，所测得的转速并不能真实反映机组的实际转速。对于测速键相带，其接近开关为图尔克公司Ni5-G12-AP6X型电感式接近开关，该开关包括四个电气环节：谐振器、解调器、触发器和输出放大器（如图2）。

当机组转动时，测速键相带随大轴一起转动，与静止的接近开关在感应面不断地靠近、分开，使测速探头内部谐振器发生“停振”和“起振”交替变化，从而把机组转速的变化线性地转换成为谐振器频率的变化，该频率信号经过整形放大、变换后，以4-20mA模拟信号（相当于0-200%的额定转速）输送给微机调速器及机组转速测控系统并经过处理后即可获得机组转速信号，因此测速键相带具有零转速检测功能，但在高转速下，其稳定性却不如残压[3]。对于机组在增加负荷过程中出现的过速信号，调速器专用转速测控系统采用的是机端PT残压测频，而此时机端PT电压幅值大且稳定无干扰。因此，对于调速器专用转速测控系统而言机组转速稳定而无跳变。

4.2 机组转速测控系统分析

ZKZ-4型转速监测装置其输入有两路，分别为机端PT和测速鍵相带。两路输入中测速键相带优先，仅当测速键相带测速出现故障时才切换到机端PT。考虑到机组115%Ne过速告警时，测速探头运行正常无故障，故此时装置输入为测速键相带输入，而非机端PT残压输入[4]。因此，出现该过速告警的原因即在于键相带测速回路，以下四个方面进行分析。

（1）测速支架。机组转速测量所用的接近开关固定在测速支架上，测速支架由一根内部中空的长方体支撑和一块弧形扁铁构成，长方体支撑垂直焊接在水导油槽盖板上，其规格为80mm*60mm*82

0mm，再在该支撑上端焊接一块与测速键相带平行的扁铁，扁铁规格为460mm*50mm*3mm，测速探头即是通过开孔方式固定在该扁铁上。在机组运行过程中，由于支撑高度过高，对来自底端的振动有放大作用，再加之扁铁太单薄而细长，刚度不够，使得测速探头产生振动，而产生更高频率的方波信号。因此，键相带测速系统所测得的机组转速将大于其实际转速，甚至出现瞬间的突变。

（2）测速探头间隙。机组测速所用接近开关其有效测量距离为5mm，但在实际使用过程中其有效测量距离仅为3mm左右。即当接近开关正对钢带且距离超过4mm时，其指示灯将熄灭，当接近开关正对橡胶带且距离小于1mm时，指示灯将点亮，这一方面是受限于接近开关本身的制作工艺，另一方面则是因为钢带和橡胶带本身厚度太薄（约为1mm左右），当远离或过于靠近橡胶带时，接近开关将监测不到信号或将穿过橡胶带检测到其内部的金属大轴。以上因素都会降低测速键相带的可辨识度。因此，测速探头的安装间隙显得尤为关键，探头间隙过大或过小，都将使得机组转速测量出现偏差（如表1）。

（3）机组振摆的影响。主轴摆动将使得测速键相带相对探头发生偏移，从而产生低频振荡，该振荡信号将叠加到机组转速上，最终使得机组转速偏高。查询监控系统报“机组115%Ne过速报警”信号时机组所带负荷（见表2）。

通过表2可知，以上告警信号出现时机组所带负荷为55MW～72MW，而机组在42-48m水头下的振动区域即为40MW～80MW。众所周知，机组在振动区域内的振摆将增大，正是由于过大振摆产生的低频振动叠加以后才使所测得的转速增大。

5 改进措施

（1）降低测速支架高度，将中空的长方体支撑换成实心的支撑，考虑将原来一块扁铁上的4个探头分装到2块扁铁上，从而减小扁铁的弧长。

（2）增强测速键相带的可辨识度，修复凹陷和凸起部分，可以考虑将测速键相带更换成可辨识度更高的齿盘，还可以考虑更换有效距离更大的接近开关。

（3）减小机组振摆对其的影响，机组振摆是无法避免的，可以将测速支架安装到振摆更小的部位。比如，由水导油槽盖板转移到下导油槽盖板。

（4）ZKZ-4型转速监测装置进行改造，通过改变外部接线增加机组并网信号、装置内部软件程序修改实现机组并网前优先处理测速键相带转速信号，并网运行后ZKZ-4型转速监测装置优先处理机端PT信号，并输出转速信号，以确保转速信号的准确、稳定。

6 结束语

文章针对电厂机组在增负荷过程中频报的“机组115%Ne过速”现象，清晰描述了故障现象，从测速支架、测速探头间隙、机组振摆及ZKZ-4型转速监测装置四个方面详细分析了其给机组测速所带来的影响，并转移测速支架、对机组ZKZ-4型转速监测装置进行改造等措施，通过对#1机组整改，目前#1机组运行稳定，达到了预期效果，今后将对其余机组逐台整改，彻底解决此安全隐患，确保机组安全运行。

参考文献

[1]长江三峡能事达电气股份有限公司.MGC4000可编程微机调速器图册[Z].2011，3.

[2]周乐.凌津滩水轮机齿盘测频装置产生干扰信號的原因分析[J].水电自动化与大坝监测，2010，34（6）：20-21.

[3]魏胜平.水轮机调节[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[4]李祥波，王晓晨，张志华，等.三路冗余智能测速装置提高水电厂机组发电安全性[J].水电站机电技术，2011，34（4）：30-56.

[5]潘熙和，严国强，李昌梅，等.水轮机微机调速器测频方式与方法的探讨[J].水力发电，2009，35（8）：52-55.

[6]GB/T 9652.1-2007.水轮机控制系统技术条件[S].中国标准出版社，2007.

作者简介：胡阆（1982-），男，湖南益阳人，工程师，主要从事水电厂发电运行管理工作。

丁汉生（1988-），男，河南平顶山，助理工程师，主要从事水电厂设备点检工作。