機械過速保護裝置誤動作原因分析與防范措施

五凌電力有限公司 郭 磊

2018年5月5日某水電廠上游水位240.41m、下游水位189.82m、機組毛水頭50.59m、機組額定水頭54m。12時28分該電廠#3機按發電計劃準備停機，機組負荷由160MW減至109MW，在109MW負荷下停留大概1分鐘時間，此負荷區域在當時機組水頭情況下為振動區。12時29分監控系統操作員報“F3推力擺度二級報警動作”、“F3故障錄波告警啟動動作”、“F3調速器系統開度模式復歸”、“F3機械轉速n〉160%Ne（水機保護）動作”、“F3水機保護動作動作”、“F3緊急事故停機動作”告警，#3機走緊急事故停機流程正常。#3機停穩后電廠組織各專業人員對機組進行了全面檢查，檢查發現#3機機械過速保護裝置處于動作位置（脫扣器處于脫扣位置），其他各部位未見異常。

1 機械過速保護裝置結構和原理

該電廠機械過速保護裝置為ALSTOM生產的DEVSS系列。它由脫扣器、配壓閥、離心探測器、配重塊、安裝環及其附件組成，該電廠機械過速保護裝置脫扣器和配壓閥安裝在下機架上。該系列機械過速保護裝置的工作原理為：當機組轉速達到整定值，作用在離心探測器（圖2）離心塊上的離心力大于彈簧預緊力，離心塊向外動作撞擊脫扣器擺輪，脫扣器脫扣，使其在彈簧作用下旋轉（圖3），系統安裝有配壓閥，凸輪通過牽引作用于配壓閥的棘輪，切換機組調速器控制油路[1,2]。

該系列機械過速保護裝置與該水電廠調速器控制油路配合控制原理：圖1為機組正常情況下的控制油路，當機組轉速大于160%Ne，機械過速保護裝置動作，切換過速保護裝置的配壓閥控制回路，使接通事故配壓閥右側控制腔的壓力油路切換為接通至漏油箱（與大氣連通），也即事故配壓閥控制腔油壓由6.3MPa變為0，事故配壓閥閥芯在左側恒壓腔油壓作用下向右側移動，使接力器關機腔直接通入壓力油，開機腔接通至回油箱，接力器向關機側運動，控制機組導葉全關切斷機組動力水源，實現限制機組轉速繼續上升、防止機組飛逸目的。

圖1 機械過速保護裝置控制原理圖

2 原因分析

#3機帶109MW負荷運行，如機械過速保護裝置正確動作，也就是機組轉速確實到達了160%Ne，則機組必然有一個升速過程，該電廠有“轉速大于115%Ne+主配拒動”和“電氣轉速大于155%Ne”水機保護設置，數據庫中包含“F3機組轉速＞115%Ne”和“F3電氣轉速＞155%Ne”這兩個掃查開入量，在機組升速至160%Ne過程中必然會先后觸發“F3機組轉速＞115%Ne動作”和“F3電氣轉速＞155%Ne動作”告警，但電廠仔細查詢監控系統操作員站報警信息一覽表，發生事故發生時僅有“F3機械轉速n〉160%Ne（水機保護）動作”告警，而沒有“F3機組轉速＞115%Ne動作”和“F3電氣轉速＞155%Ne動作”告警。

查詢#3機發電機出口開關跳閘前那段時間的機組轉速曲線，未發現轉速有上升現象。且如機組轉速上升至160%Ne，據發電機感應電動勢方程E=Blv，在勵磁系統產生的磁感應強度B未突變和機組定子線棒長度l不變情況下，機組轉速V上升，機端電壓會有一個上升過程，電廠查詢#3機在發電機出口開關跳閘前那段時間的機端電壓曲線，是一段平穩直線，并未見有上升階段。經以上綜合分析可斷定#3機轉速在機組發電機出口開關跳閘前并未真實到達160%Ne，也即機械過速保護裝置屬于誤動作。

機械過速保護裝置誤動作原因有幾種可能：人為誤碰導致的誤動作；過速保護裝置定值漂移誤動作；裝置本身在機組運行過程中誤動作：

人為誤碰導致的誤動作。事故發生時的時間為中午12時29分，電廠除中控室有1個運行人員值班外其余員工均已下班。查看電廠工作票及詢問各專業負責人，并沒有開展或臨時安排有關#3機的任何工作。當時#3機組雖處于準備停機減負荷階段但仍處于運行狀態，且該電廠機械過速保護裝置脫扣器和配壓閥安裝在下機架上，人員在機組運行狀態下進入風洞再到下機架上去人為觸動機械過速保護裝置脫扣器的可能性極小。因此可排除人為誤碰誤動作這種可能。

過速保護裝置定值漂移誤動作。該電廠離心探測器設定值為160%Ne動作，此定值是在工廠內根據訂貨參數進行整定和試驗。除非離心探測器彈簧嚴重老化，不可能定值漂移量這么大，在機組額定轉速下即動作，電廠將離心探測器拆下后拆解檢查，發現彈簧并未老化。將離心探測器送至第三方省電力科學研究院檢測試驗，探測器按照整定值動作正常。這樣也就排除了裝置定值漂移的可能性。

裝置本身在機組運行過程中誤動作。裝置本身誤動作可能由幾種原因導致：

下機架振動過大，直接導致脫扣器因振動脫扣。電廠手動復歸脫扣器后，用橡皮錘用力敲打脫扣器外殼，模擬比機組在振動區運行時脫扣器所受到的振動值強很多倍的狀況，脫扣器紋絲不動、并未脫扣，說明脫扣器工作可靠，不可能因自身振動原因導致脫扣誤動作。

裝置緊固件松動，導致脫扣器擺輪外圓最外側點與離心探測器離心塊頂點間的間隙距離變小，離心探測器離心塊在未甩出情況下與脫扣器擺輪誤碰撞。電廠仔細查看安裝環緊固螺栓連接牢固無松動，安裝環緊固在大軸上，檢查安裝塊與離心探測器連接牢固無松動，檢查脫扣器和配壓閥與安裝支架連接牢固無松動，安裝支架牢固焊接在機組下機架上，且通過塞尺測量脫扣器擺輪外圓最外側點與離心探測器離心塊頂點之間的間隙距離為1.5mm，與原始安裝值相比并沒有變化，因此排除了間隙距離變小的可能。

離心探測器和脫扣器振擺過大，某一時刻兩側振擺值疊加超過間隙距離導致離心探測器離心塊在未甩出情況下與脫扣器擺輪誤碰撞。電廠通過#3機振擺檢監測裝置調取事故發生時段的#3機各部位振擺數據，分析發現#3機在減負荷至109MW時，推力軸承Y向擺度（反應推力軸承處大軸Y向擺度）和下機架Y向振動值同比正常運行值增大約3倍，推力軸承Y向擺度最大值由正常負荷時的270μm升至1311μm，下機架Y向振動最大值由正常負荷時的38μm升至320μm。離心探測器與大軸相連接，脫扣器與下機架相連接，也即當時離心探測器的Y向擺度最大值為1311μm，脫扣器Y向振動最大值為320μm。若某一時刻，在振擺最大值時離心探測器與脫扣器相向振擺，則相對運動距離為1631μm，按照安裝要求，脫扣器擺輪外圓最外側點與離心探測器離心塊頂點之間的間隙距離為1.5mm也即1500μm，這時，相對運動距離大于間隙距離就有可能導致離心探測器離心塊在未被甩出的情況下與脫扣器的擺輪發生碰撞導致過速保護裝置誤動作。

經以上分析已基本可斷定，該電廠機械過速保護裝置誤動作的原因為：離心探測器和脫扣器在機組處于振動區運行時振擺過大，某一時刻兩側最大振擺值疊加超過間隙距離導致離心探測器離心塊在未甩出情況下與脫扣器擺輪誤碰撞。

3 防范措施

針對機組在振動區大軸擺度過大的情況，應利用機組檢修機會對機組軸線進行調整，使機組軸線與旋轉中心線盡量重合，減小機組運行時的擺度值，特別是減小機組運行于振動區時的擺度值；運行人員要了解機組運行特性，熟悉機組振動區劃分，在調整機組負荷時盡量快速穿越振動區，減少機組在振動區運行時間，減小機組大軸擺度最大值和下機架振動最大值疊加的幾率。

可根據第三方對離心探測器所做試驗的結果，參考離心塊的甩出長度適當調大脫扣器擺輪外圓最外側點與離心探測器離心塊頂點間的間隙距離，機組即使長時間在振動區運行，振擺最大疊加值也不會超過此間隙距離，保證在非過速情況下離心塊不可能碰到脫扣器擺輪，已有其他水電廠采用過3mm。但這種調整應首先保證過速保護裝置可以可靠動作，應利用機組檢修機會做過速試驗來驗證其能在整定值可靠動作后再確定調整；改善脫扣器與安裝支架間的連接工藝，由原來的直接硬性連接改為中間加一層橡膠墊的軟性連接，利用橡膠墊的吸振作用減小脫扣器在機組運行時的振擺量。

該電廠通過采取以上防范措施，從上次誤動至今未再發生類似情況，說明以上防范措施可行有效。