机械过速保护装置误动作原因分析与防范措施

五凌电力有限公司 郭 磊

2018年5月5日某水电厂上游水位240.41m、下游水位189.82m、机组毛水头50.59m、机组额定水头54m。12时28分该电厂#3机按发电计划准备停机，机组负荷由160MW减至109MW，在109MW负荷下停留大概1分钟时间，此负荷区域在当时机组水头情况下为振动区。12时29分监控系统操作员报“F3推力摆度二级报警动作”、“F3故障录波告警启动动作”、“F3调速器系统开度模式复归”、“F3机械转速n〉160%Ne（水机保护）动作”、“F3水机保护动作动作”、“F3紧急事故停机动作”告警，#3机走紧急事故停机流程正常。#3机停稳后电厂组织各专业人员对机组进行了全面检查，检查发现#3机机械过速保护装置处于动作位置（脱扣器处于脱扣位置），其他各部位未见异常。

1 机械过速保护装置结构和原理

该电厂机械过速保护装置为ALSTOM生产的DEVSS系列。它由脱扣器、配压阀、离心探测器、配重块、安装环及其附件组成，该电厂机械过速保护装置脱扣器和配压阀安装在下机架上。该系列机械过速保护装置的工作原理为：当机组转速达到整定值，作用在离心探测器（图2）离心块上的离心力大于弹簧预紧力，离心块向外动作撞击脱扣器摆轮，脱扣器脱扣，使其在弹簧作用下旋转（图3），系统安装有配压阀，凸轮通过牵引作用于配压阀的棘轮，切换机组调速器控制油路[1,2]。

该系列机械过速保护装置与该水电厂调速器控制油路配合控制原理：图1为机组正常情况下的控制油路，当机组转速大于160%Ne，机械过速保护装置动作，切换过速保护装置的配压阀控制回路，使接通事故配压阀右侧控制腔的压力油路切换为接通至漏油箱（与大气连通），也即事故配压阀控制腔油压由6.3MPa变为0，事故配压阀阀芯在左侧恒压腔油压作用下向右侧移动，使接力器关机腔直接通入压力油，开机腔接通至回油箱，接力器向关机侧运动，控制机组导叶全关切断机组动力水源，实现限制机组转速继续上升、防止机组飞逸目的。

图1 机械过速保护装置控制原理图

2 原因分析

#3机带109MW负荷运行，如机械过速保护装置正确动作，也就是机组转速确实到达了160%Ne，则机组必然有一个升速过程，该电厂有“转速大于115%Ne+主配拒动”和“电气转速大于155%Ne”水机保护设置，数据库中包含“F3机组转速＞115%Ne”和“F3电气转速＞155%Ne”这两个扫查开入量，在机组升速至160%Ne过程中必然会先后触发“F3机组转速＞115%Ne动作”和“F3电气转速＞155%Ne动作”告警，但电厂仔细查询监控系统操作员站报警信息一览表，发生事故发生时仅有“F3机械转速n〉160%Ne（水机保护）动作”告警，而没有“F3机组转速＞115%Ne动作”和“F3电气转速＞155%Ne动作”告警。

查询#3机发电机出口开关跳闸前那段时间的机组转速曲线，未发现转速有上升现象。且如机组转速上升至160%Ne，据发电机感应电动势方程E=Blv，在励磁系统产生的磁感应强度B未突变和机组定子线棒长度l不变情况下，机组转速V上升，机端电压会有一个上升过程，电厂查询#3机在发电机出口开关跳闸前那段时间的机端电压曲线，是一段平稳直线，并未见有上升阶段。经以上综合分析可断定#3机转速在机组发电机出口开关跳闸前并未真实到达160%Ne，也即机械过速保护装置属于误动作。

机械过速保护装置误动作原因有几种可能：人为误碰导致的误动作；过速保护装置定值漂移误动作；装置本身在机组运行过程中误动作：

人为误碰导致的误动作。事故发生时的时间为中午12时29分，电厂除中控室有1个运行人员值班外其余员工均已下班。查看电厂工作票及询问各专业负责人，并没有开展或临时安排有关#3机的任何工作。当时#3机组虽处于准备停机减负荷阶段但仍处于运行状态，且该电厂机械过速保护装置脱扣器和配压阀安装在下机架上，人员在机组运行状态下进入风洞再到下机架上去人为触动机械过速保护装置脱扣器的可能性极小。因此可排除人为误碰误动作这种可能。

过速保护装置定值漂移误动作。该电厂离心探测器设定值为160%Ne动作，此定值是在工厂内根据订货参数进行整定和试验。除非离心探测器弹簧严重老化，不可能定值漂移量这么大，在机组额定转速下即动作，电厂将离心探测器拆下后拆解检查，发现弹簧并未老化。将离心探测器送至第三方省电力科学研究院检测试验，探测器按照整定值动作正常。这样也就排除了装置定值漂移的可能性。

装置本身在机组运行过程中误动作。装置本身误动作可能由几种原因导致：

下机架振动过大，直接导致脱扣器因振动脱扣。电厂手动复归脱扣器后，用橡皮锤用力敲打脱扣器外壳，模拟比机组在振动区运行时脱扣器所受到的振动值强很多倍的状况，脱扣器纹丝不动、并未脱扣，说明脱扣器工作可靠，不可能因自身振动原因导致脱扣误动作。

装置紧固件松动，导致脱扣器摆轮外圆最外侧点与离心探测器离心块顶点间的间隙距离变小，离心探测器离心块在未甩出情况下与脱扣器摆轮误碰撞。电厂仔细查看安装环紧固螺栓连接牢固无松动，安装环紧固在大轴上，检查安装块与离心探测器连接牢固无松动，检查脱扣器和配压阀与安装支架连接牢固无松动，安装支架牢固焊接在机组下机架上，且通过塞尺测量脱扣器摆轮外圆最外侧点与离心探测器离心块顶点之间的间隙距离为1.5mm，与原始安装值相比并没有变化，因此排除了间隙距离变小的可能。

离心探测器和脱扣器振摆过大，某一时刻两侧振摆值叠加超过间隙距离导致离心探测器离心块在未甩出情况下与脱扣器摆轮误碰撞。电厂通过#3机振摆检监测装置调取事故发生时段的#3机各部位振摆数据，分析发现#3机在减负荷至109MW时，推力轴承Y向摆度（反应推力轴承处大轴Y向摆度）和下机架Y向振动值同比正常运行值增大约3倍，推力轴承Y向摆度最大值由正常负荷时的270μm升至1311μm，下机架Y向振动最大值由正常负荷时的38μm升至320μm。离心探测器与大轴相连接，脱扣器与下机架相连接，也即当时离心探测器的Y向摆度最大值为1311μm，脱扣器Y向振动最大值为320μm。若某一时刻，在振摆最大值时离心探测器与脱扣器相向振摆，则相对运动距离为1631μm，按照安装要求，脱扣器摆轮外圆最外侧点与离心探测器离心块顶点之间的间隙距离为1.5mm也即1500μm，这时，相对运动距离大于间隙距离就有可能导致离心探测器离心块在未被甩出的情况下与脱扣器的摆轮发生碰撞导致过速保护装置误动作。

经以上分析已基本可断定，该电厂机械过速保护装置误动作的原因为：离心探测器和脱扣器在机组处于振动区运行时振摆过大，某一时刻两侧最大振摆值叠加超过间隙距离导致离心探测器离心块在未甩出情况下与脱扣器摆轮误碰撞。

3 防范措施

针对机组在振动区大轴摆度过大的情况，应利用机组检修机会对机组轴线进行调整，使机组轴线与旋转中心线尽量重合，减小机组运行时的摆度值，特别是减小机组运行于振动区时的摆度值；运行人员要了解机组运行特性，熟悉机组振动区划分，在调整机组负荷时尽量快速穿越振动区，减少机组在振动区运行时间，减小机组大轴摆度最大值和下机架振动最大值叠加的几率。

可根据第三方对离心探测器所做试验的结果，参考离心块的甩出长度适当调大脱扣器摆轮外圆最外侧点与离心探测器离心块顶点间的间隙距离，机组即使长时间在振动区运行，振摆最大叠加值也不会超过此间隙距离，保证在非过速情况下离心块不可能碰到脱扣器摆轮，已有其他水电厂采用过3mm。但这种调整应首先保证过速保护装置可以可靠动作，应利用机组检修机会做过速试验来验证其能在整定值可靠动作后再确定调整；改善脱扣器与安装支架间的连接工艺，由原来的直接硬性连接改为中间加一层橡胶垫的软性连接，利用橡胶垫的吸振作用减小脱扣器在机组运行时的振摆量。

该电厂通过采取以上防范措施，从上次误动至今未再发生类似情况，说明以上防范措施可行有效。