靜態變頻器位置傳感器信號異常分析

李佳霖

摘要：目前，國內現有的靜態變頻器（SFC）多采用機械式位置傳感器法來檢測轉子的位置，在拖動燃氣輪機發電機組啟動過程中，需要通過安裝在發電機轉子上的位置傳感器來判斷轉子的實際位置，再將脈沖信號傳遞給逆變器的信號觸發器，從而實時跟蹤發電機轉子位置來調頻進行同步拖動和加速。本文通過分析一個在實際啟動過程中因為位置傳感器信號異常，導致機組啟動失敗的案例進行了分析，對這類問題進行了歸納總結，并對可能的優化方向進行了簡單的介紹。

關鍵詞：靜態變頻器;位置傳感器;繼電器;脈沖;電磁感應法

1、靜態變頻器（SFC）簡介

在大型燃氣輪機、燃氣—蒸汽聯合循環發電機組啟動、高盤、水洗過程中，都需要由發電機作為同步電動機拖動機組大軸轉動。[1]SFC就是將工頻電通過變頻后施加到發電機的定子上，使發電機變成調頻、調速的電動機轉動起來，從而帶動大軸旋轉完成整套機組的啟動。SFC主要由輸入變壓器、整流器、直流電抗器、逆變器、諧波濾波器、轉子位置傳感器等幾部分組成。

其中的轉子位置傳感器集合在發電機子轉上，為測定轉子的位置在機組主機的軸上裝設一個與大軸同步旋轉的模擬軸子磁極的齒盤，在支架上裝有模擬三相定子繞組位置的三個傳感器探頭，三個電磁傳感器按120度電氣角分布，用以測量轉子的位置，傳感器把轉子的位置轉化為脈沖信號反饋給逆變器的觸發信號，SFC根據信號進行調頻把發電機轉化為同步電動機，從而實現拖動機組大軸轉速上升，加速到預定的啟動轉速。由于機械式位置傳感器設備架設相對復雜，回路結構較多，隨著運行

年限的增加，故障次數逐年增加。從前灣電廠運行的這十多年的數據，特別是近五年的數據來看，SFC系統故障率較高，其主要故障集中在SFC位置傳感器探頭及其相關回路。SFC系統故障、異常情況統計分析表明，位置傳感器探頭及其相關回路故障率在整個SFC系統中高達65%。近五年來位置傳感器探頭及其相關回路（包括同軸電纜）故障或異常每年4～6次。隨著運行時間的推移，各元器件因自然磨損老化而故障的現象日趨頻繁，SFC系統主控制卡件故障、程序紊亂的現象時有發生，嚴重威脅到了廠組啟停的安全可靠性。本文就近期發生的關于SFC位置傳感器的故障處理案例進行分析，總結了這類問題的處理過程和方法。

2、位置傳感器的異常處理

目前，前灣LNG電廠有3 臺機組，配有兩套SFC系統。兩套SFC系統可同時運行并能交叉拖動三臺機組。在一次早上用#2SFC拖動#2發電機啟機過程中，發現#2機B相位置傳感信號有丟失的異常現象。后來改用#1SFC拖動#2發電機時未出現異常情況。針對上述異常現象，在#2機組停運后繼保人員進行了相關的檢查試驗。

2.1? 檢查時相關準備條件

確認#2機組停運，將#1SFC隔離變電源開關拉到試驗位，#2SFC隔離變電源開關拉到試驗位，#2機勵磁啟動變電源開關拉到試驗位。

查看位置傳感器信號回路結構圖，確認相關作用的繼電器及回路動作過程。

2.2? 異常排查過程

檢查校驗#2發電機B相位置傳感器信號切換至#2SFC的繼電器，該繼電器在額定電壓（24V）和欠壓（20V）的情況下多次試驗正常，為保險起見，更換與#2SFC至#2機相關的位置傳感器的信號繼電器R138并緊固，檢查相關回路接線正常。下面按步驟進行各項檢查。

1.??? 進行#2SFC選擇#2機，進行相關位置傳感器信號的檢查，剛選擇時在DCS上發現無B相位置傳感器信號，A、C相則正常。繼保人員從集控樓趕往就地現場進行現場測量觀察時，發現該信號在DCS上和#2SFC控制盤已正常。

2.??? 繼保人員在進行#2SFC選擇#2機的情況下進行相關回路檢查：測得發電機位置傳感器信號發生處信號為11.8V，切換邏輯盤和SFC控制盤處信號為11.7V，位置傳感器探頭帶同軸電纜量得電阻為8.1Ω（A、C相均為8.1Ω左右），#2SFC位置傳感器送至DCS信號的變送器輸入側直阻為510kΩ（C相也為510kΩ）。

3.??? 檢查#2發電機位置傳感器信號發生器處相關電氣量正常。

4.??? 檢查#2發電機位置傳感器信號回路、元器件、位置傳感器探頭等緊固，在#2SFC選擇#2機后進行回路、元器件、位置傳感器探頭等元器件振動情況下監測信號，無跳變等異常等現象。

5.??? 在反復進行#2SFC選擇#2機組情況下，監測各相相位置傳感器信號，集中選擇15次，其中在第7 次～12次之間監測到B相位置傳感器信號有不同程度的異常，且是DCS和SFC控制盤的異常現象同時出現，主要表現為同程度的脈沖丟失、脈沖異常。

6.??? 為了對比，又進行10次 #1SFC選擇#2機的情況下，監測#2機組各相位置傳感器信號，A、B、C相均未發現異常情況。由于次日要啟機，暫時停止選擇測試。

7.??? 兩日后，再一次用#2SFC選擇#1發電機10次，監測各相位置傳感器信號均正常。

8.??? #2SFC選擇#2發電機3 次，3次均監測到B相位置傳感器信號有不同程度的異常。

9.??? 在邏輯切換盤柜后，分別在#2SFC選擇#2發電機時B相位置傳感器信號經繼電器R138切換前、后引至便攜式錄波器錄波進行試驗，觀察到切換前B相位置傳感器信號正常，切換后B相位置傳感器信號異常。

10.? 因前幾日已校驗更換過繼電器，故懷疑繼電器與底座接觸有問題。選擇過程中在檢測到B相位置傳感器異常時，人為晃動繼電器R138（目的是檢查繼電器和底座接觸情況），晃動后B相位置傳感器信號立即恢復正常。

11.? 根據試驗結果更換R138繼電器底座，后用#2SFC選擇#2發電機10次，監測各相位置傳感器信號均正常。

2.3? 異常處理小結

由上面的試驗結果可以看出，造成#2SFC選擇#2發電機時多次B相位置傳感器信號異常的原因，為繼電器底座質量不良引起。

3、總結

由以上排查過程可以看出，在SFC拖動機機組在啟動過程中，轉子位置傳感器信號丟失應該首先確認傳感器探頭、磁極位置傳感器等關鍵設備是否正常。然后排查其信號傳輸回路上的繼電器，確認相關的主要電氣回路、設備信號傳輸連貫正常。在沒有發現問題的情況下，要能考慮到設備之間的連接部分是否松動。可見不易察覺的細微之處也會導致設備的異常。

4、展望

根據前灣電廠近幾年的運行情況來看，相關于SFC位置傳感器的故障頻發，為了保證機組正常啟動、運行，可采用[2]電磁感應法來代替故障率相對較高的機械位置傳感器法來檢測發電機轉子位置，從而減少故障的發生，保障機組的正常運行。

電磁感應法是近年來普遍使用的測量轉子位置的方法，電磁感應法測量轉子位置的設備相對簡單，通過機端PT檢測即可。其原理為首先由變頻器設定并及給出一個按階躍函數變化的勵磁電流值，此時盡管機組處于靜止狀態，但是由于機組的勵磁電流在隨給定命令開始增長過程中是變化的，此變化的勵磁電流會在定子三相繞組中感應出電壓，顯然三相感應電壓的相位、幅值與轉子的初始位置有關，通過準確、穩定計算定子線圈磁通從而判斷轉子初始位置。

目前，前灣電廠已對原有的#1SFC進行了此方面的改造，目前運行效果良好。后續如果運行穩定，將對#2SFC進行改造優化。

參考文獻：

[1]?? 廣東惠州天然氣發電有限公司.大型燃氣—蒸汽聯合循環發電設備運行：電氣分冊[M].北京：機械出版社，2013，6.

[2]?? 劉會森，張玉蓮，董全林，丁瑩，張春熹.電磁感應式位置傳感器研究[J].傳感器與微系統2017（4）：51-56.