大型水电站齿盘测频原理分析及优化

梁 毅

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

调速系统在水轮发电机组中担任着调功调频的重要任务，其性能的好坏直接影响发电的质量与品质。齿盘测频信号是调速系统重要的外部控制信号，也是调速系统调节结果的最终反映。如果频率采样故障，调速系统无法监视到机组频率，很有可能造成机组频率失控，威胁机组的安全稳定运行，因此保证频率信号测量的可靠性至关重要[1]。

1 概 述

某大型水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市、盐源县的交界处，总装机容量4×600 MW，其水轮机控制系统采用南京南瑞集团公司生产的SAFR2000H型微机调速系统，微机调节器采用奥地利B&R公司的PCC2005型控制器[2]，CPU采用CP340型模块；正常运行A套调节器(PCC)为主用，B套为热备，当A套故障时能进行无扰切换。机组测频方式除了发电机机端电压互感器采集的两路残压测频外，还有四路是安装于发电机大轴上非接触式接近开关的齿盘测频[3]。

水电站机组频率测量是电站控制系统重要的、不可或缺的基本参量，频率测量的精准与否直接影响到机组控制流程的正确执行及调速器的调节性能。而频率测量除需要依靠性能稳定、工作可靠、精度满足要求的传感器外，齿盘探头的安装、回路接线也是重要的一个环节；只有严格遵从相关规程规范的要求，结合电站设备的实际状况，设计、制造、安装符合要求的齿盘测频回路才能保证调速器系统正常运转，满足电站长期安全稳定运行的需要。

2 齿盘测频原理分析

水轮机调速系统接收来自机端PT或机组大轴的齿盘测频信号以测量机组转速，通过与目标值比较后得到的转速差值进行PID运算，其输出值用以控制导叶接力器，进而达到控制机组转速的目的。由此可见，对于1台调速系统，测频回路为一道瓶颈，如果测频回路异常或者测频精度无法达到要求，后续的控制回路将无法正常工作，详见图1。

图1 齿盘测频原理图

图1中，A和B是安装在水轮机测速齿盘圆周上的2个探头，当齿盘的齿经过探头A和B时都会产生脉冲，2个脉冲分别经过单稳态触发器Sa和Sb整形后去触发或复位RS触发器，形成方波。按照图中规定的水轮机旋转方向，RS触发器Ta产生的方波宽度正比于磁盘上的1个齿旋转过A和B探头的时间。经过四路信号转换器滤波、整形、隔离后送PCC数字模件，两路齿盘测频信号经滤波，本身形成的就是方波脉冲信号，隔离后分别送PCC高速数字模块处理、计数。其输出TPUc10的宽度与磁盘的加工精度无关，保证了测量精度。

电站齿盘探头选用的是电感式传感器，外部测频信号输入到四路信号转换器，经过处理后输出可以让PCC及PLC用于检测的信号，一路残压测频信号和两路齿盘测频信号送给1套PCC控制器的测频模块，两套PCC相互冗余。测频信号采用“三选二”并联冗余运行方式，优先级为：残压>齿盘1>齿盘2，详见图2。但在发电机低转速阶段，机端残压信号较弱，信号易受干扰失真，时常采集不到残压信号，进而无法准确测量机组频率，这种状况下是以齿盘测频为主用。

图2 外部测频信号输入和信号输出配线图

控制逻辑：齿盘1为主用，残压测频正常，测值与两套齿盘测频的差值均小于0.5 Hz(无频率偏差报警)，采用残压测频；残压测频异常或频率偏差报警，优先采用齿盘1测频，若齿盘1测频故障则采用齿盘2测频。

3 存在的问题与优化

该水电站机组自投运后，齿盘测频回路因自身设计及安装原因，出现过齿盘测速值波动较大、四路信号转换器故障及测速探头安装支架松动等缺陷，影响机组安全稳定运行。经分析研究，对齿盘测频回路进行优化，对后续技术改造及机组检修维护具有一定借鉴意义[4]。

3.1 测速探头优化

该电站测速探头测量范围区间较小，有效距离约为5 mm，但在实际使用过程中有效测量距离仅为3±1 mm 左右。探头安装位置必须十分接近齿带本体，否则在机组开机及停机过程中频率快速上升及快速下降造成的振动容易造成测频不准确，严重会损坏齿盘探头，造成事故停机[5]。同时，有效测量距离太小也对测速探头的检修维护工作提出了很高的要求。

基于上述原因，将齿盘探头由P+F公司NJ5—18GM50—E替换为NJ8—18GM50—E，可靠动作距离由5 mm提升为8 mm，其他重要参数均没有变化。

更换后的探头抗干扰能力增强，测频信号更稳定；而且传感器的接线方式采用的是航空插头端子，相较传统手工焊接方式接线，大幅提升了现场检修维护工作效率，详见图3、表1。

表1 两种型号接近开关参数对比

图3 齿盘安装位置示意图

3.2 支架结构优化

电站为齿盘测速探头所用的支撑支架由2块角钢焊接而成，支架支撑直接焊接于下导油槽盖板上，4个探头均匀分布在机组大轴上。在机组振动区间内，支撑支架会产生轻微的晃动，在机组开机及停机过程中频率快速上升及快速下降过程中尤为明显；该晃动会造成测量精度发生偏移，进而产生“丢齿”的现象。

基于上述原因，支架前端可制作成以大轴中心为圆心的弧形，将4个探头集中在1块支架上，便于检修维护。支架的结构可采用3点支撑，并在3个支撑支架上再加上1个三角构架，然后通过增加钢支架的刚性强度以保证结构稳定，进而能够解决振动传导问题[6]。

另外，支架固定在水车室旁钢筋护架上，可避免因机组本体振动而导致的支架摆动现象和频率跳变，详见图4。

图4 优化后的齿盘测频支架

3.3 测频回路优化

目前，电站外部测频信号全部输入到四路信号转换器，经过处理后输出可以让PCC测频模块检测的信号，一路残压测频信号和两路齿盘测频信号送给1套PCC控制器的测频模块。一旦四路信号转换器故障，将会导致一路机频信号、一路网频信号、两路齿盘信号完全失去作用，影响机组安全运行。

基于上述原因，采用冗余的四路信号模块来优化测频回路，将机频信号与网频信号接到1个四路信号转器上。这样即使单个四路信号转换器故障，不影响该套PCC的运行，同时也增加了系统的容错，对后续系统升级改造也提供了可行的方法，详见图5。

图5 优化后的测频回路

4 结 语

水电站机组齿盘测频信号是电站控制系统重要的、不可或缺的参数，齿盘测频信号的精准与否直接影响到机组控制流程的正确执行及调速器的调节性能。

本文针对某大型水电站水轮发电机组实际运行过程中齿盘测频存在的一些问题，从测频原理出发，对存在的问题进行了充分的讨论及优化。通过相应的改造处理，达到了预期的效果，保障了水轮机组的安全稳定运行。