淺談水電廠常用三種轉速繼電器的原理及應用

【摘 要】本文對水電廠現在所常用的三種轉速繼電器（離心式轉速繼電器、齒盤測速繼電器、殘壓測速繼電器）的原理、特點及出現過的問題進行比較和分析，給出評價和改造建議。

【關鍵詞】轉速繼電器；測速；離心式；齒盤；殘壓

0.引言

轉速繼電器是應用于水電站水輪發電機組上的一種重要保護和自動化元件，主要功能有兩個方面：其一，擔負著機組過速度保護自動停機任務；其二，是實現機組自動化開、停機自動程序控制。隨著科學技術的發展和工業生產過程的實際需要，對水輪發電機組運行的可靠性要求越來越高，其中對水輪發電機組轉速測量提出高可靠性、高性能的要求。現水電廠常用的轉速繼電器有三種：離心式轉速繼電器、齒盤測速繼電器和殘壓測速繼電器，在水電廠多年的運行過程中，都或多或少出現過一些異常。

1.三種轉速繼電器的分析與比較

1.1離心式機械轉速繼電器

（1）離心式轉速繼電器是一種最傳統的轉速測量工具，由于它有一定的優點，到現在還得到應用。其主要優點是結構簡單、使用方便。主要缺點是精度比較低，且易受到外界干擾。離心式轉速繼電器的工作原理：利用旋轉質量的離心力與轉角度成比例的原理，當轉速繼電器的軸轉動時，離心器上重錘在慣性離心力的作用下離開軸心，接通電接點，不同的接點對應不同的轉速，接點將轉速信號轉化為電信號送出。

（2）目前，我國多數老的水電廠還在使用該類型轉速繼電器。

此裝置裝在發電機的大軸頂部，是一個銅質的X型的機構，下端有兩個銅塊。由于機組轉動時會產生離心作用，使銅塊向外向上運動，接通電接點，將轉速情況轉化成電信號發出。機組轉得越快，銅塊上升越高，從而接通對應速度的電接點。這種方法比較簡單，但精確度不夠高，而且萬一銅制機械裝置產生發卡的問題，就可能造成測速不準的問題。

（3）由于該轉速繼電器安裝在大軸頂端，與機組大軸補氣閥較近，當兩者之一發生故障，有可能影響另一個的工作狀態。

（4）改造建議：離心式機械轉速繼電器測速最為直接，故還有一定的應用價值。若能夠通過改造提高其可靠性，新建水電廠機組也可以安裝該種轉速繼電器。

目前，國內某電站使用的是一種水銀離心式轉速繼電器，主要由有機玻璃水銀接點、尼龍外套、滑環和炭刷等零件所組成，安裝在發電機軸上一起轉動。其核心變化是用有機水銀接點代替銅質X型機構。

有機玻璃水銀接點是用有機玻璃板，在內部加工成U型管，再將水銀密封在管內而成。U型管的下部有導線引向滑環和外部直流電源正極相接，型管的上部通過導電針、滑環、炭刷與直流電源負極相接。當繼電器隨機組轉動時，U型管中的水銀受離心力的作用，管內側水銀面下降，管外側水銀面上升，形成水銀面內外高度差。再根據高度差和轉速的對應關系，將各導電針按不同高差進行調節，即可得到各種相應轉速下的接點整定值。這種轉速繼電器的性能良好，整定值穩定，靈敏度高，并且具有結構簡單、體積小、重量輕、制造方便、運行可靠等優點。

1.2齒盤測速繼電器

1.2.1齒盤測速式的轉速繼電器雖然也是機械式，但它要比離心式轉速繼電器可靠得多，甚至要比殘壓測速還要可靠。它的原理是在一個未閉合的E字型磁鐵上繞上線圈，當該測速裝置經過一個鐵齒尖時，由于E字型磁鐵緊貼齒輪，因此磁路閉合，產生一個電動勢，而在齒溝時，磁阻很大未能形成磁路閉合，不能產生電動勢，因此當測速裝置經過一個個的齒尖時就會產生一個交變的脈沖電動勢，跟據電勢的變化經過電路處理就可顯示出轉速結果。

1.2.2齒盤式轉速繼電器的優點：

（1）裝置掉電時，接點不會誤動。

（2）動態數據顯示和全數字鍵盤用于人機對話，操作簡單容易使用。

（3）機組在蠕動情況下仍能正常檢測，并給出信號。

（4）電源為雙路流同時供電，多路信號同時輸入，可靠性高。

1.2.3存在的問題

（1）由于加工工藝流程，造成齒盤的齒距不均勻，探頭是高靈敏的速度傳感器，它是通過掃描齒與齒之間來計算速度，即使機組轉速恒定，齒距的不同就會產生速度變化，從而產生干擾。

（2）齒盤的圓度加工不精確，也會產生干擾。

（3）水輪發電機大軸的擺動使齒盤相對測速探頭的中心發生偏移也會產生干擾。

1.2.4解決方法

（1）安裝齒盤和測速探頭時必須按照工藝要求安裝，使用專屏蔽線，并盡可能減小偏差以提高測量精度。

（2）提高安裝時的齒盤與機組的同軸度。

1.3殘壓式測速繼電器

1.3.1殘壓測速的原理

壓變感應出來的殘壓，是50HZ正弦波。軟件上用一種幾兆HZ的方波與殘壓正弦波疊加計數，計算正弦波一個周期內通過的方波總數，算出一個周期的時間，進而算出頻率。我廠的機組殘壓測速采用來自機組2號壓變的殘壓信號。

1.3.2 殘壓測速的特點

殘壓測速具有成本低精度高的優點，但由于其是一種間接測量的方式，故測量結果易受到干擾。當機組開機過程中，勵磁系統啟勵后， 勵磁系統通過可控硅整流管將發電機定子中的交流電整流為直流電， 為發電機轉子提供勵磁電流， 由于這時發電機沒有并網， 定子電流幾乎完全通過勵磁變和勵磁系統輸入給轉子， 由此引起定子中的電壓和電流波形發生畸變。勵磁系統是一種非線性負載，這種大型可控硅非線性負載會產生高次諧波，這些發生了畸變的電壓波形信號，此時殘壓測頻方式也不可能測得真實的機組頻率。

1.3.3 解決辦法

若要解決上述現象， 就要徹底消除這些高次諧波影響，開發出一種能夠徹底濾除高次諧波的殘壓測頻電路是解決高次諧波的最有效方法。

2.三種轉速繼電器的對比

（1）離心式轉速繼電器測速直接，若能夠改良提高其可靠性，所有水輪機組可以全部安裝。

（2）齒盤式測速繼電器是三種繼電器里最為可靠的一種，但其受機組大軸震動和安裝時的同軸度影響較大。

（3）殘壓測速繼電器是從電氣方面間接測量機組轉速，與齒盤測速一起為第二套轉速繼電器提供測頻信號，但其優先級次于齒盤測速，且易受到開停機過程中勵磁系統產生的高次諧波干擾。

3.結束語

隨著水電廠自動控制技術的不斷進步和發展，“無人值班、少人值守”運行方式的日益推廣，不僅要求水電站計算機監控系統穩定可靠、自動化元件動作準確無誤，也對水輪發電機組的保護提出了更高的要求。而測速裝置的準確性和穩定性與否直接影響水輪發電機組的自動控制及過速保護。如能將三種轉速繼電器加以改良，并應用于所有機組，將能夠一定程度上提高機組運行的穩定性和安全性。 [科]

【參考文獻】

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