热工保护系统常见故障及处理方法

孙立刚

[摘    要]发电机组在启停、运行期间，如果出现可能危及设备及人员的异常工况或突发故障，可由热工保护系统对这些情况进行分析、判断，并根据系统预设指令做出实时预警或自动处理，从而最大程度上保障机组运行安全。文章首先介绍了热工保护系统运行时常见的一些故障，如热控元件故障、电源或接线故障等。基于工作经验，分别从严选热工设备、优化保护逻辑、改善运行环境等方面，提出了一些实用性的故障预防和处理方法。最后结合实例，按照故障表现、原因分析、处理对策的基本流程，对振动信号突变、热工电源故障导致的两例机组跳闸情况进行了简要分析。

[关键词]热工保护系统;冗余设计;保护误动;振动信号突变

[中图分类号]TM74 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]During the start， stop， and operation of the generator set， if there are abnormal working conditions or sudden failures that may endanger the equipment and personnel， the thermal protection system can analyze and judge these conditions， and make real-time warnings based on the system preset instructions Or automatic processing， so as to ensure the safe operation of the unit to the greatest extent. This article first introduces some common faults in the operation of thermal protection systems， such as thermal control element faults， power supply or wiring faults， etc. Subsequently， based on work experience， some practical fault prevention and handling methods were proposed from the aspects of strict selection of thermal equipment， optimization of protection logic， and improvement of the operating environment. Finally， combined with examples， in accordance with the basic process of fault performance， cause analysis， and countermeasures， two cases of unit trips caused by sudden changes in vibration signals and thermal power supply failures are briefly analyzed.

[Keywords]thermal protection system; redundant design; protection malfunction; sudden change of vibration signal

现阶段发电机组的热工保护系统逐渐向自动化、信息化方向发展，预防性保护的应用效果也得到了进一步凸显。与此同时，热工保护系统的结构组成也更加复杂化，一旦自身发生故障很有可能出现误动、拒动的现象，进而影响到发电机组的运行安全。因此，除了做好日常的检修、维护外，技术人員还应对热工保护系统常见故障的外在表现、内部原因，以及相应的处理措施等做到了如指掌。这样才能在故障发生后第一时间予以处理，使热工保护系统尽快恢复正常，达到保护机组运行安全的效果。

1 热工保护系统常见故障

1.1 控制系统硬件故障

热工保护系统中包含了种类多样的热工元件，这些硬件设备相互之间以线路相连，如果某个硬件出现故障，很有可能对相连的其他硬件设备产生连锁影响。随着使用时间的增加，设备因老化、磨损引起的故障频率也会不断增加。如果因为自身故障问题发出错误信号，也会导致热工保护系统作出错误判断，进而出现误动或拒动情况。

1.2 电源或接线故障

电源插件设计不合理，或者因为污染、磨损等原因，导致接触不良都会引发热工保护系统的电源故障，在机组出现异常工况时因为拒动而无法正常发挥保护功能，严重影响机组的运行安全。此外，电缆接线不合理，或者是电线的绝缘层因为高温、老化等原因出现破裂，导致绝缘失效，也有可能因为潮湿、生锈，出现短路或发热等情况，造成热工保护系统的误动。

1.3 其他故障

除了上述常见故障外，人为因素也是导致热工保护系统发生异常运行和故障问题的一项重要原因。在热工保护系统的设计、安装，以及后期运行维护等环节，都需要由相关人员进行操作。如果经验不够丰富、技能不够扎实，很有可能因为设计不当、安装失误，导致热工保护系统的功能难以顺利实现，运行时也有较大概率发生故障。例如，机组ETS保护系统的I/O模块的电源部分，采用双路冗余设计以保障其运行安全。但是设计或安装时将双路电源并联，就会导致ETS无故障跳闸。

2 热工保护系统常见故障的预防和处理方法

2.1 严格选择控制系统与热工设备

热工保护系统的组成复杂，各类设备如果本身存在质量缺陷，或者安装不当、无法兼容，都是系统运行时发生故障的主要原因。鉴于此，在热工保护系统的安装阶段，要对各类组件的质量进行严格把关，并且核对其型号、规格等是否符合安装标准。此外，还可以针对该系统中的核心设备（如CPU、交换机等），采取多重布置的方式提高其容错率。而那些由PLC发出的重要指令，或前端反馈的故障信号，则使用SOE卡件分别接入，有助于进一步提高对指令或信号的判断效率，也是确保热工保护系统能够正常发挥各项功能的关键措施。另外，对于热工设备，应定期开展维护，对达到设计寿命的尽快更换，降低安全隐患。

2.2 优化保护逻辑，采用冗余设计

保护逻辑是热工保护系统执行保护动作时的主要依据，针对现行热工控制系统的运行原理，可从以下两方面进行逻辑优化：①面向一些重要的保护信号，例如定子温度过热保护信号、汽包液位超限信号等，从原来的单一保护判定条件，调整为“六取二”或“三取二”的逻辑组态，从而有效防止因为某个设备出现故障，进而导致整个热工保护系统完全停止的情况。②引进温度保护速率限制功能。若某一监测点出现温度突然升高，并且温升速率超过了20 ℃/s，则判断为信号故障，此时执行闭锁动作，同时发出预警提醒技术人员，降低热工保护系统误动、拒动的概率。

2.3 改善运行环境，做好工作记录

热工保护系统中包含继电器、电磁阀等若干电气设备，如果长时间处于潮湿、高温、振动等恶劣环境下，将会加速设备的老化，增加故障的发生率。因此。在热工保护系统的日常维护中，应注意优化该系统的运行环境，延长设备寿命，减少故障的发生。设置仪表柜，将各类仪表、仪器统一布置在仪表柜内，并采用防水、防潮、放灰措施。做好设备运行工况记录，在数据库中划分出专门的单元，用于存储热控设备日常运行产生的各类数据。通过数据跟踪，掌握每个时间段的运行工况，这就为故障的分析与处理提供了数据参考。

2.4 坚持规范作业，提高操作水平

现阶段大型机组中使用的热工保护系统，虽然有着较高的自动化程度，但是发生运行故障，特别是硬件部分出现损坏后，还是依赖于经验丰富、技能扎实的维修人员进行处理。因此，发电厂培育一支业务能力过硬、职业素养优良的热控维修队伍十分必要。一方面，要制定并执行热工保护系统常规操作的作业标准、制度规范，并且通过开展学习、培训，保证相关人员能够在热工保护系统的日常检修、维护中做到规范作业，杜绝因为个人误操作而引发的系统故障。另一方面，还要注意经验交流，定期开展业务教育，不断提高操作水平，保证对各类故障作出灵活处理。

3 热工保护系统典型故障分析

热工保护系统发生故障将会失去对机组的工况监测和自动保护功能，因此对于该系统出现的各类故障，必须在最短时间内完成处理。在处理流程上，首先要根据故障发生后热工保护系统的外在表现锁定故障位置，然后进一步查明问题原因，在此基础上利用技术、经验予以解决。现以发电机组运行中比较典型的2例故障为例展开分析。

3.1 振动信号突变导致的机组跳闸故障

3.1.1 故障表现

轴振保护是汽轮机稳定运行的关键技术之一。但是一些使用年限较长的汽轮机，由于转子磨损严重、轴瓦油膜失效等原因，导致轴振保护系统发生故障，而TSI（安全监视系统）监测到这一故障后，会启动跳闸保护，使得汽轮机强制停机。某发电厂投入使用的1台300 MW机组，包含8个轴承。其中1#～4#轴承安装轴振传感器，5#～8#轴承安装瓦振传感器。其中瓦振只用于监视报警，而轴振超出阈值后引起跳闸、停机。某日，该机组2#轴承的y向振动值在2 s时间内从0.05 mm激增到0.41 mm，因为超出了安全阈值（0.25 mm）引起跳闸。

3.1.2 原因分析

在机组跳闸后，调查机组运行历史数据，发现除了2#轴承的y向振动值激增外，2#轴承的x向振动值，以及瓦轴温度、润滑油压力等都处于正常情况。继续检查2#轴承的电缆，发现在接头处有绝缘破损情况，并且在轴承盖处检测到轴封漏气情况。使用红外测温设备，测得该处温度为128 ℃，超出正常温度18 ℃。结合上述故障表现，分析故障原因有：①轴封材料老化导致密封不严、发生漏气。而外界凝结水进入后导致接触不良，引起轴振值突变;②轴封漏氣导致温度异常升高，而高温加速了探头老化，导致输出信号突变。

3.1.3 处理措施

在剖析故障成因后，技术人员采取了针对性的处理措施：

①改良设备运行环境。将老化的轴封拆除，并重新使用耐高温、耐腐蚀的轴封。在轴封外侧加装防护板，起到隔热作用，防止轴封过热老化。对于1#、3#～8#未出现故障的探头，也采取了预防性保护措施，降低同类故障的发生率;②优化单点保护逻辑。原来热工保护系统的保护条件为：只要任意轴承任意方向上的实时振动值超过了安全阈值，即执行保护程序。经优化处理后，判定条件为：当任意轴承任意方向上的实时振动值超过了安全阈值，并且该轴承上的其他方向，或相邻轴承上的相同方向上，振动值也超过了预警值，则触发保护跳闸。若只满足其中一项条件，则只报警，不跳闸。

3.2 热工电源故障导致的保护误动故障

3.2.1 故障表现

为保证系统出现局部故障时，其他部分仍然能够维持正常运行，通常会用到冗余设计。汽轮机的ETS（跳闸保护系统）就采用了基于DCS和PLC的双路冗余设计。在电路设计中，要求电压源不得直接并联。如果在冗余电源设计方面存在缺陷，就会引起保护误动故障。某发电厂的3#机组用s7-300型双PLC作为冗余保护系统的控制终端，当PLC收到跳闸信号后，AST（遮断电磁阀）断电打开，完成卸压，此时机组进气阀门关闭，机组跳闸。某日该机组在正常运行期间，ETS系统1#、3#的AST突然动作，随后主汽门关闭，机组出现跳闸故障。

3.2.2 原因分析

第一步仍然是调查DCS系统在发生跳闸前的历史信息，发现AST电磁阀的1#、3#处，在跳闸前有明显的电压波动。将电磁阀外壳拆开后，使用万用表测量24 V双路电源，显示电压为0。分析故障推测其原因是：电源设计方面存在缺陷。由于该系统采用了双路冗余设计，将两路24 V电源直接并联，然后两股输出线合并为一股后，与下游的PLC串联。在机组运行一段时间后，其中一路电源因为老化导致无法正常进行电压输出，同时由于电源模块的内阻趋近于0，另一股正常运行的电源模块相当于被短路，使得正常运行的AST电磁阀瞬间失电、常闭接点断开。

3.2.3 处理措施

为了验证上述原因分析结果的正确性，采取了以下处理措施：①将两路电源中的24 V直流电源模块替换下来，重新安装带有失电报警功能的24 V高选电源模块。这样即便是其中一路电源模块因为故障停运、失电，可立即投切到另一路电源，维持正常的电压输出，而不会因为完全断电而导致电磁阀失电;②在机组正常停电维护时，选择机组内所有热工电源系统，均安装电源失电报警装置。同时，组织专人对直流电源的供电回路开展一次彻底的检查。若存在电源不经高选直接并联的情况，需要尽快替换，预防此类故障的再次发生。

4 结束语

热工保护系统的稳定运行对保障机组安全有至关重要的作用，由于机组的结构组成复杂，加上热工保护系统的运行环境复杂，在投入运行一段时间后发生故障在所难免。机组管理人员在熟悉热工保护系统运行原理和结构组成的前提下，还要基于以往的故障诊断与维修经验，做到对常见故障的精准识别，在明确故障原因、位置的前提下，采取针对性的处理方法。在处理完毕后，重新运行机组，观察故障是否得到解决，切实保障机组运行的稳定性和安全性。

参考文献

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