核电厂汽轮机轴系振动测量系统抗雷击干扰性能提升研究

薛胜峰，郑祥东，谭旭东，肖群雄

(阳江核电有限公司，广东 阳江 529941)

阳江核电厂采用上海电气1 100 MW级核电半速汽轮机，额定转速1 500 r/min。汽轮机振动监测及保护系统采用VM600系统，对转子相对振动及轴承箱绝对振动进行监视，并对轴承箱绝对振动设置汽轮机跳闸保护逻辑。

在机组日常运行过程中发现阳江核电厂汽轮机振动监测及保护系统在雷暴天气下出现测量通道故障信号触发现象，对机组安全稳定运行带来较大隐患。本文通过雷电干扰机理及VM600系统测量原理入手进行理论分析并制定对应技术改进措施。

2017年10月1日上午9:18:08，阳江核电厂3号机组汽轮机轴系所有绝对振动信号在实时测量值未改变情况下出现通道故障报警。所有出现通道故障的信号10 s后恢复正常。由于在汽轮机保护选取绝对振动信号高及通道故障参与跳机保护逻辑运算，所以类似故障将对汽轮机安全稳定运行产生较严重影响。

1 工作原理介绍

阳江核电厂汽轮机采用单轴，三缸结构，半速设计，凝汽式百万千瓦汽轮机组，并设计外部除湿再热装置。整个汽轮机由一个高压缸和两个低压缸组成，各汽缸和发电机采用串联布置。汽轮机主轴采用对接方式，从高压缸到励磁机共设置九级轴瓦进行支撑。每一级轴瓦均设计两个绝对振动探头及两个相对振动探头对汽轮机主轴振动进行监测。

1.1 汽轮机轴承振动探测原理

阳江核电厂使用的汽轮机绝对振动(瓦振)探头为压电式振动加速度传感器。安装在汽机本体上的探头在汽机的作用下获得一个加速度，进而形成一个力F(F=M×a)作用在压电晶体上。压电晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。在振动时，由于惯性，压电晶体会在某一方向上受到惯性力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，通过测量两个表面上的电压，就能实现对振动的测量。如图1所示。绝对振动信号经压电式传感器送前置放大器放大后送VM600系统MPC4卡件处理。卡件处理后输出4～20 mA模拟量信号及通道OK判断开关量信号至T2000系统参与汽轮机保护逻辑运算。

1.2 MPC4信号处理卡的通道故障判断

现场过程信号通过硬接线送入信号处理卡，卡件将过程信号分为直流分量与交流分量两部分。其中直流分量(OK值)作为通道故障判断的一个依据，信号的OK值为7～17 mA。OK值超出设定范围后经卡件内部继电器触发通道故障报警NOT OK输出至汽轮机控制平台T2000系统的FUM卡。NOT OK触发后保持10 s，该机制为卡件内固化设计。

交流分量作为振动信号的输出，经运算转化为4～20 mA信号送往FUM卡。4～20 mA信号作为通道判断的另一个依据。当出现出现测量回路断路或卡件故障等异常，信号超出4～20 mA范围时，触发模拟量通道故障。图2中以瓦振信号的OK值判断为例说明信号处理卡对信号通道故障的判断原理。

图2 瓦振信号的OK值判断示意图

1.3 振动信号的保护跳机逻辑

汽轮机振动信号的保护逻辑均在汽轮机控制平台T2000系统中实现。其中转子相对振动信号(轴振)没有单独的跳机保护逻辑，仅设置一个手动打闸参考值。轴承绝对振动信号的跳机保护逻辑包括两个部分(见图3)。

图3 振动信号跳机保护逻辑

(1)任意一路瓦振真实振动高(>10.5 mm/s)且另一路存在真实振动高或通道故障情况下延时1 s跳机；

(2)两路瓦振同时出现通道故障，且同瓦位置处轴振真实高(汽轮机侧为大于400 mm，发电机侧为大于160 mm)触发汽轮发电机跳机。

2 雷击对测量控制系统影响分析

2.1 雷击放电原理

根据现有研究表明，云层内同时存在冰晶和水粒两种形态的水分子，由于两种水分子比重不一，在云层中形成气流，由于云层内部不停的运动与摩擦，使得冰晶带正电，水粒子带负电并逐渐分离，形成一部分带正电雷云和一部分带负电雷云。由于冰晶比重小于水粒子，所以靠近地面雷云多带负电，由于雷云负电荷的静电感应，在附近地面积聚正电荷，使得雷云与地面之间形成强大电场。当某处积聚电荷密度达到一定临界值，达到对地放电条件。在雷云对地放电过程中将对区域内导体产生强大干扰作用[1]。

当空间中出现带负电荷积雨云，在积雨云下部空间内金属导体由于静电感应作用将产生与雷云下端电荷异号正电荷。由于相对放电过程，积雨云电荷累积过程较漫长，因此受影响区域内金属导体表面可以有充分时间累积大量正电荷。正电荷累积过程中原为中性金属导体表面产生相应负电荷被排斥并向反方向或两侧移动，经接地系统流入大地，由于该过程速度较慢，形成电流较小，对控制系统不构成影响。

雷云放电前，在金属导体表面累积电荷停留其表面，不会自由移动，称为束缚电荷，对控制系统不构成威胁。当雷云中电荷不断积累，云层与地之间电场强度不断增强，当某处电场强度超过空气可承受击穿强度时(根据已有研究表明，电场强度一般达到2 500～3 000 kV/m)，就形成云地间放电。

雷云对地放电后，带电雷云所带电荷迅速被中和，而金属导体表面感应电荷将迅速通过接地路径进行泄放。静电感应示意图如图4所示。

图4 雷击静电感应示意图

假设干扰源与受感应导体间距离为b，受感应导体的离地高度为h(如图4所示)，由于干扰源与受感应导体间的等效分布电容CS以及受感应对地电容CL分别反比于b和h，则可用式(1)表示受感应导体产生电动势。

Un=IRh/b

(1)

2.2 雷击对汽轮机振动测量系统影响分析

2017年10月1日上午9:18:08，雷击探测系统探测到阳江核电厂厂区范围内雷电情况，故障发生时间前后5 min内，故障点5 km区域内雷电情况，如图5所示。

图5 雷击监测实际数据

阳江核电厂3号机组汽轮机厂房经纬度为经度：112.2634，纬度：21.703，在2017年10月1日上午9:18:07.889。MX厂房南方589 m处探测到一次地闪，接闪电流约38.2 kA，与故障时间几乎完全重合，且距离较近，可以基本确定造成本次故障的直接原因为雷暴影响。VM600振动探测系统由瓦振探头，前置放大器，信号处理板卡组成。其中瓦振探头及前置放大器布置于汽轮机厂房16 m平台，信号处理卡件布置于电气厂房。

瓦振探头由螺栓固定于汽轮机轴承箱，探头本体为金属材质，探头本体通过连接汽轮机实现接地。前置放大器至至机柜处理卡件段屏蔽接线与前置放大器断开，系统参考电位由就地侧提供，前置放大器本体安装于绝缘板，与安装端子箱绝缘。前置放大器至机柜侧信号电缆屏蔽接线由振动测量机柜卡件sheild端接入大地。信号回路如图6所示。

图6 瓦振信号回路

对于信号测量回路由于采取了较完备屏蔽及接地措施，可以做到较优秀防干扰效果。信号处理机柜位于全屏蔽厂房内，具备优异电磁屏蔽效果。

振动测量回路中信号处理机柜及信号传输回路均实施多项抗电磁干扰措施，具备优良抗电磁干扰能力。

汽轮机本体布置于MX厂房16 m平台，汽轮发电机组全长约55 m，经汽轮机安装基础及凝汽器管线接入大地。可以将汽轮机本体等效为一个长55 m，离地高度16 m长条形导体结构。MX厂房非全封闭结构，厂房6 m、16 m、28 m平台存在连续贯穿厂房开窗。当汽轮机本体产生感应电势情况下，由于测量系统通过就地探头提供等电位，将导致系统参考电位升高。对信号测量产生影响。

阳江核电厂厂址附近山地地质条件为黏土质砂地结构[1]，根据文献表1。

表1 不同土壤种类电阻率范围

当发生雷击，取黏土质砂地地带接地电阻率下限，由上文式(1)Un=IRh/b可知，当接闪点距离3号机组MX厂房589 m，接闪电流38.2 kA可计算得

Un=38 200×150×16/589=15.565 kV

(2)

即当雷击发生时，将在汽轮机本体产生最大约15 kV感应电势。

由前文可知现场过程信号通过硬接线送入信号处理卡，卡件将过程信号分为直流分量与交流分量两部分。其中直流分量(OK值)作为通道故障判断的一个依据，电流信号的OK值为7～17 mA。即振动测量交流信号叠加于12 mA直流偏置信号之上，根据GME卡件设置，当直流分量超出7～17 mA范围，将触发通道NOT OK信号。

经试验验证随着瓦振探头接地电位变化，回路内的偏置电流也随之发生变化，变化幅度约瓦振探头对地电势改变1 V，回路偏置电流改变约0.01 mA，证明雷暴天气时，瓦振接地点的电位发生变化，影响回路内的偏置电流超出通道故障阈值判断范围，从而导致NOT OK信号触发。

即假设雷击发生过程中，当汽轮机本体产生1～15 kV范围感应电压，对回路偏置电流约产生10～150 mA影响，叠加正常偏置电流12 mA，将超过通道OK判断范围7～17 mA范围。

当偏置电流超过判断范围，将导致绝对振动(瓦振)通道故障信号触发，如图3所示，当叠加同轴瓦位置轴承振动高信号触发，将直接触发汽轮机保护跳闸信号。

3 处理方案

3.1 改变探头安装方式及回路参考电位

当就地振动测量探头采用接地安装，将导致强干扰情况下信号不可用。根据理论分析，可对就地探头采用绝缘安装，相应修改信号回路设计。由于振动测量机柜位于LX厂房，厂房本体为封闭结构，具备良好电磁屏蔽功能，信号回路参考电位由机柜统一提供。

修改设计后就地振动探头使用定制绝缘垫进行隔离，保证探头对汽轮机本体绝缘。并将前置放大器COM端与振动测量卡件shield端及负端连接，由卡件提供前置放大器参考电位。

定制绝缘垫选用聚醚醚酮PEEK材质，其外形尺寸如图7所示。PEEK材质具有与合金材料媲美的对交变应力的优良耐疲劳性，同时PEEK具有很强绝缘性。能够同时满足振动探头绝缘性能要求及安装强度。

图7 振动探头绝缘垫

3.2 增强汽轮机厂房电磁屏蔽能力

阳江核电厂厂址地处粤西沿海，平均出现雷暴日为82.3 d，其中最高为125 d。远高于多雷区40 d/y标准。同时根据《阳江核电站雷电风险评估报告》结论，阳江核电厂建筑物群雷击风险值R=27.3高于容许值RT=10-5，需要对核电厂建筑物群进行防雷防护。

阳江核电厂汽轮机厂房采用钢结构金属外壳结构建筑，本体具备较好屏蔽性，汽轮机厂房屋顶装设了接闪器(避雷针和避雷带)，按照设计要求，能有效地保护汽轮机厂房免遭直击雷，但在平台采用大面积开窗结构，成为厂房整体屏蔽薄弱点。

根据《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008的5.2.3 主机房和辅助区内磁场干扰环境场强不应大于800 A/m的要求[4]，为提高室内设备的抗雷电辐射磁场影响的能力需增加屏蔽措施，如窗户加金属网格屏蔽网。

金属网格屏蔽原理可理解为：如果雷电电磁脉冲产生一次场A，则A会使得金属表面产生感应电流，继而产生二次场B，一次场A与二次场B叠加形成合成场，二者抵消达到磁场强度减弱效果。

根据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)规定，不同雷电防护等级所对应的最大雷电流峰值如表2所示。

表2 不同雷电防护等级对应电流峰值

假设建筑物内容许干扰磁场强度为Ha。当采用金属网格实施屏蔽后，雷击发生时厂房内部干扰磁场强度由H0下降至Ha，则根据式3可以求得金属屏蔽网的屏蔽系数SF(单位dB)：

SF=20lg(H0/Ha)

(3)

根据已有研究，可以按照表3求得金属屏蔽网格宽度W。一般情况下，首次雷击强度最大，故一般按照表中25 kHz所列公式进行计算。

表3 网格屏蔽的宽度计算公式

经计算，在选取1 mm半径镀锌不锈钢金属网作为屏蔽材料过程中，网格宽度不应大于0.4 m。经评估，电厂决定采取网格宽度0.1 m金属网格制作屏蔽网，经屏蔽后图例见图8所示。

图8 加装金属屏蔽前后对比

对各窗户加装金属屏蔽网使用铜导线接入各接地排。

3.3 优化汽轮机振动保护逻辑

根据电厂汽轮机保护逻辑初始设计，汽轮机振动信号的保护逻辑均在汽轮机控制平台T2000系统中实现。其中转子相对振动信号(轴振)没有单独的跳机保护逻辑，仅设置一个手动打闸参考值。轴承绝对振动信号的跳机保护逻辑包括两个部分，如图9所示。

a.任意一路瓦振真实振动高(>10.5 mm/s)且另一路存在真实振动高或通道故障情况下延时1 s跳机；

b.两路瓦振同时出现通道故障，且同瓦位置处轴振真实高(GME为大于400 mm，GRH为大于160 mm)触发汽轮发电机跳机。

图9 振动信号跳机保护逻辑

其中绝对振动(瓦振)信号在逻辑回路中判断分两部分实现：

a.其中振动系统VM600对前端信号偏置进行判断，当偏置超出OK值范围，输出开关量信号XM71，其中XM71=1，通道OK；XM71=0，通道NOT OK。

b.振动测量值经VM600振动卡件处理后输出4～20 mA信号至T2000系统进行逻辑运算，当模拟量信号<3.5 mA或>20.5 mA范围，通道超量程信号XM23变位，其中XM23=0，通道未超量程；XM23=1，通道超量程。

XM71与XM23信号任一为0，则触发通道故障信号XM20，进入跳机逻辑运算(见图10)。

图10 通道故障信号处理逻辑

通道故障判断逻辑中XM71信号判断由VM600振动处理卡件实现，为卡件特有特性，无法改变，同时在信号触发后将有10 s保持时间。

经上文分析，在信号就地探头，前置放大器，信号回路出现强干扰情况下，XM71信号存在较高误触发风险，且该信号自身存在10 s保持时间。将大大增加汽轮机振动保护跳机信号误触发风险。

汽轮机实际振动值由探头输出交流部分体现，如发生故障或断线等情况，将由T2000系统XM23信号进行判断，可有效识别并判断信号通道故障。剔除该信号参与跳机保护逻辑。优化后通道故障信号处理逻辑如图11所示。

图11 取消振动处理卡件通道故障信号示意图

4 结论

经上文一系列整改措施，阳江核电厂汽轮机振动测量系统经受“山竹”“天鸽”等多次强台风及强雷暴天气未发生异常。系统抗雷击性能提升明显，相关措施可推广至同类型机组借鉴应用。