机组振摆保护系统在某蓄能电站的应用

张 鑫，李甲骏，高冠群，朱海峰

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050000）

机组振摆保护系统在某蓄能电站的应用

张 鑫，李甲骏，高冠群，朱海峰

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050000）

为提高抽水蓄能机组的运行安全，某蓄能电站在每台机组上配置了机组振摆保护系统。本文重点介绍了某蓄能电站机组振摆保护系统的配置、振动测量和评价标准、振动传感器的选型及振摆保护可靠性措施，可为其他抽水蓄能电站和常规水电站实施机组振摆保护提供借鉴作用。

蓄能电站；振摆保护；低频速度传感器

0 引言

大型抽水蓄能电站厂房多数布置在地下。抽水蓄能电站由于水头高、容量大、机组转速高和水流双向运行等特点，振动的能量往往较为突出，过大的振动将严重威胁机组的安全稳定运行，俄罗斯萨扬水电站“8·17”事故[1]就是最惨痛的教训。通过配置机组振摆保护装置，可以实现对机组的安全保护，避免事故扩大化，以进一步满足“无人值班、少人值守”的运行管理要求。

河北某蓄能电站安装有4台25万kW的立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机组。电站最大毛水头/扬程346m，最小毛水头/扬程291m，水轮机工况额定水头305m，额定转速为333r/min。电站于2009年建成后接入冀南电网，在系统中担负调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务，对于优化河北南部电网的电源结构、改善电网运行条件、提高电网运行的经济性和可靠性等具有十分重要的作用。因此，在某蓄能电站机组上配置振摆保护装置是必然的选择。

某蓄能电站在投产初期就已经随主机配套安装了一套振动摆度监测装置，但由于设备选型问题无法满足振摆保护的实际需要。为此，在2012～2013年对机组振摆保护系统进行了改造。本文从振动测量类型及评价标准、振动传感器选型、报警策略优化等方面介绍某蓄能电站振摆保护装置的改造经验。

1 机组振摆保护系统配置

某蓄能电站混流可逆式水泵水轮发电机组为三导轴承半伞式结构，下机架为承重机架。根据GB/T 6075.5《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动第5部分：水力发电厂和泵站机组》、GB/T 11348.5《旋转机械转轴径向振动的测量和评定 第5部分：水力发电厂和泵站机组》、GB/T 28570 《水轮发电机组状态在线监测系统技术导则》的相关要求，结合某蓄能电站机组结构特点和振摆保护的需要，每台机组配置6个大轴摆度测点（上导X/Y向摆度、下导X/Y向摆度和水导X/Y向摆度）、2个抬机量测点、10个振动测点（上机架X/Y向水平振动、下机架X/Y向水平振动、下机架X/Y向垂直振动、顶盖X/Y向水平振动、顶盖X/Y向垂直振动）。与通常机组状态在线监测系统配置1个垂直振动测点有区别的是，为了提高保护的可靠性，本项目每台机组下机架和顶盖垂直方向各配置2个振动测点，由于上位机为非承重机组，故未配置垂直振动测点。

大轴摆度传感器采用目前在国内有广泛应用的德国B&K Vibro公司的IN-081一体化电涡流传感器，抬机量传感器采用大量程的TR-81电涡流传感器，振动传感器采用高可靠性的330505低频速度传感器（见振动传感器选型），机组振摆保护装置采用TN8003机组振摆保护装置。针对某蓄能电站机组特点和实际需要，整套系统作了许多针对性的设计，可同时实现振动速度和振动位移的监测和报警，对报警策略进行了优化，并进行了可靠性设计。整套系统具备实时监测、报警保护、逻辑组态、事故追忆等功能。

2 振动测量类型及评价标准

大轴摆度测量类型为位移量，对大轴摆度的评价标准相对简单，结合GB/T 11348.5、《水轮发电机组安装技术规范》等相关标准，可对相关报警定值进行设置。

振动测量类型有速度量和位移量。目前，国内习惯采用振动位移量作为量纲进行监测或保护，但对于高转速的抽水蓄能机组，采用振动位移量进行振动保护有明显的不足。

在抽水蓄能机组出现异常时，除转频信号外，还可能存在高频信号，而对于同样的振动位移值，频率越高，其振动速度越大。理论已经证明，振动部件的疲劳与振动速度成正比，振动所产生的能量与振动速度的平方成正比，能量传递的结果必然造成磨损或其他缺陷。因此，在振动判断标准中，无论从疲劳损伤还是磨损等缺陷来说，以振动速度标准最为适宜。因此国际上许多振动标准都是采用速度值（有效值vrms）作为判别参数，振动位移量仅适用于低转速机组。GB/T 6075.5建议对于中高速水轮发电机组（300～1800r/min），测量振动速度vrms，但同时要求，如果预计的频谱含有低频成分，评价一般应基于位移和速度的宽频带测量。可见，对于高速抽水蓄能机组，单纯采用振动位移或振动速度评价均存在不足。

以某蓄能电站机组为例，额定转速333r/min，按照GB/T 6075.5要求，如以振动速度评价，其停机值应为5mm/s（vrms），如该振动为转频的话，对应振动位移值约为405μm，如按位移评估的话显然停机值过大，失去了对机组的保护作用；反之，如以振动位移评价，其停机值应为100 μm（峰峰值），如该振动频率为100Hz的话，对应振动速度值约为22.2mm/s（vrms），显然停机值也过大，同样失去对机组的保护作用。因此，为了兼顾低频振动和高频振动信号过大对机组的损坏，某蓄能电站机组振动采用振动速度和振动位移同时监测和报警的方式，只要其中1个参数超过停机值就进行保护，真正实现对机组的保护作用。

为了实现上述评价方式，振动传感器采用低频速度型传感器，其输出信号由振摆保护装置直接采集获取振动速度信号，再通过积分方式获取振动位移信号，两者再各自设置停机值，实现振动评价和保护。参照GB/T 6075.5，振动速度停机值设置为5mm/s，振动位移停机值设置为100μm。

3 振动传感器的选型

由于传感器安装方式问题，振动传感器无法用位移型传感器来监测，只能采用加速度传感器或速度传感器进行监测。根据抽水蓄能机组的低频振动特性，振动传感器需满足低频的测量要求。机组状态在线监测系统通常关心振动位移值，因此通常采用国产的低频振动传感器，其输出信号直接为位移信号，也有采用加速度或速度型传感器再通过积分转换成位移信号。对于本项目振摆保护系统而言，为了兼顾采集振动位移和振动速度，只能采用速度型或加速度型传感器。

由于加速度传感器的频率下限较低且价格相对便宜，部分电站采用加速度传感器来测量水轮发电机组的低频振动，但现场应用表明，实际测量效果很差，加速度传感器不适用于水电机组的振动测量（除100Hz铁芯振动外）。这主要是因为加速度传感器的输出信号范围较小并且还需经过一次积分转换成速度，如要转换成位移的话则需要二次积分，其信噪比太小。如针对某蓄能电站机组，额定转速为333.3r/min，即使采用500mv/g的高灵敏度加速度传感器，则按转频计算，转换成速度的灵敏度为1.78mv/mm/s，而一般低频速度传感器灵敏度至少为20mv/mm/s，显然这种高灵敏度的加速度传感器信噪比要小得多，并且由于机组通常运行时，其振动加速度值较小（如按50μm计算，加速度为0.0062g），由于加速度传感器测量原理原因也易造成较大的测量误差。因此，加速度传感器不适用于本项目的振动监测。

因此，振动传感器采用速度型是必然的选择，为了满足振摆保护可靠性的需要和低频振动监测的需要，本项目采用了高可靠性的美国Bently公司的330505低频速度型振动传感器。该传感器灵敏度为20mv/mm/s，工作频率为0.5～1000Hz，测量范围为102mm/s（峰值），工作温度-40～100℃。从实际应用来看，具有较好的测量效果。

4 可靠性措施

为保证跳机信号的准确性，本项目做了很多相应的针对性设计工作。

为避免由于传感器故障或测量回路故障造成的误动作，参与振摆保护的测点均采用X、Y两个方向冗余配置，冗余测点的跳机输出通过与逻辑组态后（见图1）发送给机组跳机回路。

为避免由于监测模块故障导致误动作，振摆保护装置通过通道优化配置原则将冗余测点布置在不同模块布置上；为避免在保护装置断电、上电过程以及通道或传感器故障时发出误报警信号，在振摆保护装置中配置了继电器动作上电抑制电路、通道非OK抑制电路和装置非OK抑制电路。

图1 振摆跳机输出逻辑组态

为避免干扰、机组经过开停机、振动区等不稳定工况或其他过渡工况时用于振动信号不稳定导致机组误动作，在控制回路还增加了延迟时间回路，延迟时间可通过软件设置（1s至30min），只有在延迟时间内报警输出状态均维持不变时，才会导致继电器动作输出。

5 结束语

为保证抽水蓄能机组的安全稳定运行，配置机组振摆保护系统是必然的选择。根据某蓄能电站振摆保护系统的改造经验，抽水蓄能电站进行机组振摆保护系统选型配置时，应结合机组的结构特点配置振摆保护测点，振动传感器宜采用高可靠性的低频速度传感器，振动参量应采用振动速度和振动位移同时监测和报警的方式，以真正实现对机组的保护作用。某蓄能电站振摆保护装置的上述改造经验可为其他蓄能电站或常规水电站实施机组振摆保护提供借鉴。

[1] 杨立信.俄罗斯萨扬舒申斯克水电站事故原因分析.郑州：黄河水利出版社，2010.

张 鑫（1980—），男，工程硕士，高级工程师，副总工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产管理。E-mail:wawayu 1980@126.com

李甲骏（1984—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产管理。E-mail:lijiajun2001@163.com

高冠群（1979—)，男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产管理。E-mail:18032155115@189.com

朱海峰（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产管理。E-mail:18032155086@189.com

The Application of Unit Vibration&Run-out Protection System in a Pumped Storage Power Plant

ZHANG Xin,LI Jiajun,GAO Guanqun,ZHU Haifeng
（Hebei ZhangHewan Pump Storage Power Station co.Ltd.,ShiJiazhuang, Shijiazhuang 050000, China）

In order to improve the operation safety of pumped storage unit, the power plant has configured vibration&runout protection system for each unit. The paper focused on the configuration of the unit vibration&run-out protection system,the measurement and the evaluation standard of vibration, the selection of vibration sensor and the reliability measures of vibration&run-out protection in a pumped storage power plant. It could be as a reference for the implementation of vibration&runout protection system in the other pumped storage power plant and hydro power plant.

Pumped storage power plant; Vibration&Run-out protection; Low frequency velocity sensor