SPPA-T3000系統超速保護裝置性能分析與改進

林 昇

（華能福州電廠，福州350200）

華能福州電廠660MW汽輪機控制系統采用SPPA-T3000控制系統，數字電液控制系統（DEH）與緊急停機系統（ETS）采用硬件一體化設計，在ETS中包括軸承金屬溫度高、軸承絕對振動大、凝汽器水位高等17項保護項目。筆者針對機組運行中出現的一次超速保護裝置誤動過程進行分析，并提出改進措施。

1 超速保護裝置動作原理

超速保護回路原理見圖1。

圖1 超速保護回路原理圖

SPPA-T3000系統中DEH與ETS采用硬件一體化設計，ETS不采用PLC，超速保護采用兩套獨立的BRAUN E16A323電子超速保護裝置來完成，不設機械超速保護遮斷器。每套超速保護由硬回路組成“三選二”選擇后進行超速輸出，而兩套電子超速保護裝置中任一套“三選二”超速動作則直接將故障安全型的開關量輸出模塊斷電，汽輪機各汽門的跳閘電磁閥失電，汽輪機跳閘；系統不設置103%電超速保護，只有110%超速保護動作［1-2］。

主汽輪機設置6個轉速探頭，每套Braun超速保護裝置由3個轉速探頭、1塊Braun E1696超速信號發生器模塊和3塊Braun E1655超速監控模塊組成，每套超速保護裝置內的任意兩個轉速超速則引發超速保護動作，任一套超速保護動作觸發機組跳閘［3］。正常情況下，超速保護裝置根據Braun E1696模塊的設置每隔721min（約12h）定期測試一次，每次測試時，超速信號發生器E1696模塊將發出三次信號檢測超速監控模塊E1655是否正常，第一次發出3 350r／min的超速檢測信號，第二次發出3 250r／min的不超速檢測信號，第三次發出3 250r／min的FC-1強制超速動作信號，完成整個測試過程需要約2min，但是當本套保護裝置中任一個轉速超速時將自動停止模塊超速試驗并報警。

2 超速保護裝置誤動過程

2.1 誤動過程描述

從圖1可以看出：SPPA-T3000系統中的超速動作與Braun儀表組的工作可靠性以及參數設置有很大的關聯性，特別是其中某些參數如果設置不合理，就可能會在極端條件下觸發超速保護誤動作。

2010年12月2 4日5號機組520MW協調方式下穩定運行，01：33開始在西門子SPPA-T3000系統的報警畫面上多次出現超速保護裝置2通道3故障（即第6個轉速通道50MYA01CS023故障）；此外超速保護裝置中Braun超速信號發生器E1696模塊發現所屬的轉速監控模塊E1655有異常并報警，隨后又消失；隨即在03：55發生汽輪機跳閘、發電機跳閘和鍋爐MFT。

現場發現：DCS畫面上MFT的首出故障為汽輪機跳閘，雖然汽輪機DEH畫面上的首出為鍋爐MFT，但DEH和DCS側的事件記錄中均是汽輪機先跳閘，DEH首出故障以及歷史記錄中均未找到引起保護動作的邏輯條件，因此判斷ETS系統硬件回路保護動作的可能性較大；隨后在5號機組汽輪機電子間發現：CJJ11柜左側第一套電超速保護裝置顯示正常，而右側第二套電超速保護裝置有異常，其Braun E1696模塊的故障代碼為閃爍的“C7-E3”，E1655模塊的故障代碼為“CE-1”，最右邊轉速6的模塊顯示0（當時汽輪機處于跳閘后的惰走過程中）。故障安全型的開關量輸出模件的SF紅燈亮。同時，熱控檢修人員檢查發現：15m層汽輪機平臺的中間接線箱第6個轉速（對應第2套電超速保護裝置的第3個轉速通道）的端子有松脫現象。

2.2 事故原因

由于事件記錄未找到引起保護動作的邏輯條件，并且電超速裝置上存在故障代碼，CJJ11柜內的故障安全型輸出模塊的故障紅燈亮，初步判斷電超速保護動作。但是按照西門子系統的設計理念，在一個轉速信號出現故障時，自動閉鎖超速通道自檢，也不應該發出電超速保護動作。電廠技術人員在6號機組上對超速保護裝置Braun E1696和E1655模塊動作過程進行了模擬試驗。模擬過程所產生故障代碼與5號機組跳閘的故障代碼完全一致，因此對2010年12月24日5號機組的超速保護動作過程可解釋如下：

12月24日0 1：33：01，由于5號機組汽輪機平臺振動或者基建遺留的接線不良等原因，汽輪機轉速的中間接線箱第6個轉速50MYA01CS023的端子松脫而接觸不良（試驗中在6號機組0轉速狀態下拆接轉速信號線，可產生瞬間高達600r／min的干擾信號。在這種時通時斷狀態下，正常的轉速脈沖信號被分割成多個脈沖信號送入測速模塊，從而產生錯誤的轉速測量信號），產生了6次以上的高頻信號（超過3 300r／min的保護動作值，隨后又馬上消失，由于瞬間發生，僅E1655模塊檢測到，E1696模塊沒有檢測到），并在DEH畫面報警窗上報警，但當時未引起運行人員的重視。03：53：17，第二套超速保護裝置的第3通道轉速由于接線抖動再次產生大于3 300r／min的信號，轉速監控模塊E1655超速動作并被E1696模塊檢測到；100ms后信號又恢復正常，超速復歸，E1696模塊檢測到的故障消失（30s）后重新進行一次超速通道測試，03：55：03，當第二套超速保護裝置進行到超速測試的第3步，即E1696模塊在3 250r／min測試轉速下發出強制跳閘信號觸發第1個通道轉速E1655模塊超速動作的瞬間，正好接線不良的第3通道轉速E1655模塊再次收到了大于3 300r／min的受干擾轉速信號，第二套超速保護裝置三取二動作，直接動作硬件回路，將汽輪機各主汽門、調門的跳閘電磁閥所在的故障安全型DO（輸出）模塊斷電，保護裝置（50MAY01EU001）動作，汽輪機跳閘。

此外，根據西門子模塊提供的參數計算，開關量輸入模塊的通道響應時間在37ms左右（在SIL3安全模式下最大的內部處理時間34ms，再加上輸入延時2.1～3.4ms）［4］，由于超速硬件動作的時間很快，來不及被故障安全型的開關量輸入模塊采集到（同時也驗證了在定期超速測試期間DEH系統是監測不到信號的變化），而導致跳閘首出信號來不及輸出，使得在本次電超速動作時DEH側并無超速保護首出故障。圖2是第二套電超速保護的首出故障以及超速動作監視部分的邏輯圖。

圖2 第二套電超速保護的首出故障以及超速動作監視部分的邏輯圖

因此本次保護誤動的原因可以歸結為：在第二套超速保護裝置通道測試時，由超速信號發生器的E1696模塊發出3 250r／min強制跳閘信號觸發第一通道Braun模塊動作的瞬間，恰好在第三通道檢測到由于接觸不良而產生的大于3 300r／min轉速信號，超速保護動作。

3 改進建議

通過對本次超速保護動作過程的模擬試驗和分析，對超速保護的設計提出以下整改意見：

（1）E1696轉速測試模塊中的參數P02.01（Automatic resume of auto-test after failure alarm of monitor）設置不合理，原模塊參數設置為1，這樣一旦E1696模塊檢測到轉速故障消失，不管原來的設置超速測試周期是多少，30s后開始新的一次超速測試，只有測試正常后，才重新按照原來的設置超速測試周期（721min）進行測試，因此在轉速信號接觸不好的情況下容易出現機組跳機的事件。因此應將E1696模塊中的參數P02.01由原來的“1”修改為“0”，這樣一旦出現通道故障或超速跳閘（如線路抖動或干擾等引起速度突跳），這時E1696會保持報警狀態（在DEH上會發出TEST GENERATOR及WATCH DOG FAULT報警），E1696模塊上顯示故障代碼，自檢功能被閉鎖，這為查找故障原因提供有用信息，必須由檢修人員根據故障代碼查找原因確認后予以復歸才能再次自檢，而不能讓模塊自行復歸故障。

（2）汽輪機制造廠組態時沒有對第二套Braun超速保護裝置的轉速信號進行有效性判斷，也沒有將第二套電超速裝置的轉速信號接入DEH系統，無法對轉速回路進行監控，甚至在3路轉速通道均斷線的情況下也沒有任何報警，存在保護拒動的可能。應將第二套超速保護裝置的轉速信號接入ADDFEM 3模塊，以便于監視轉速信號的變化（如：轉速偏差等），及早發現異常。

（3）建議將超速保護裝置Braun E1696模塊所設置的自檢時間由721min進行適當延長，如：9 998min（可調范圍：1～9 999min）；但是一旦最大值設置為9 999min，則自檢功能被屏蔽，模塊在手、自動下均不會進行自檢，但并不影響正常超速跳閘動作。該參數設為9 999min的后果在說明書中也未提及，可以延長超速保護裝置自檢時間，但應避免巧合事件的發生。

（4）Braun E1696模塊在定期自檢過程中應禁止在E1655面板上進行參數設置工作，否則在自檢過程將會跳閘繼電器，這一點對于維護人員要特別注意。

4 結語

通過對本次電超速保護動作過程的模擬試驗和分析，一些在說明書和手冊上沒有提及的功能被發現，對SPPA-T3000的電超速Braun儀表組參數設置的含義和結果有了較深入的了解，上述四點整改建議可供使用同類型系統的同行參考。

［1］包錦華，李剛.1 000MW超超臨界機組保護系統簡介［J］.熱力透平，2009，38（4）：277-279.

［2］仵華南，郝德興.超超臨界機組汽輪機電超速保護控制單元及其調試方法［J］.熱力發電，2012，41（3）：12-14.

［3］Braun Instrument，Braun I E16x323／E16x324eTurbine Over-speed Protection System Manual［M］.Germany：Braun Gmbh，2008.

［4］Siemens AG.Siamtic Automation System S7-300Fail-Safe Signal Modules Manual［M］.Germany：Siemens AG，2002.