新型调相机TSI振动保护系统典型问题分析研究

彭 军，马 涛，祁富志，周 军，李富荣

(1.青海电研科技有限责任公司，青海 西宁 810008；2.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810008)

0 引言

大容量新型调相机在启(停)机或运行过程当中，若出现主参数监视异常，易造成本体各个部件之间的互相磨损，甚至出现烧瓦等严重事故。为保护调相机安全运行，就需要提高TSI系统对调相机本体运行的监视及保护水平。本文通过对某300 Mvar调相机工程调试过程中发生的一起“轴承相对振动(下文简称“轴振”)单点跳变引起的误跳机”事件，进行了深入的分析研究，提出了科学合理的优化方案，经实践证明，具有广泛的推广价值。

1 调相机TSI振动保护系统简介

TSI即调相机本体仪表监视及保护系统，是监测、保护调相机安全运行的重要设备。它能连续、准确地监测调相机本体的各种重要参数，如：转速、轴振及瓦振等，帮助运行人员判断机组运行状态，以保证机组安全稳定运行。TSI监测信息还提供了动平衡和在线诊断数据，运维人员可通过诊断数据的帮助，分析机组出现的振动异常事件。

某300 Mvar调相机TSI振动保护装置采用Bently公司3500系列产品，机组出线端(非出线端)配置2个轴振传感器，分别监测轴承X/Y向相对振动。该项目TSI原轴振保护逻辑设计为：出线端及非出线端共4个轴振测点采集进入TSI振动保护装置进行“4取1”逻辑判断，即4个轴振中任一信号达到跳机值254 μm，触发轴振保护跳机。通过TSI继电器板卡扩展输出3个“轴承相对振动高高跳机”动作信号至DCS系统，经“3取2”逻辑判断，然后由DCS系统DO卡再次扩展3个“轴承相对振动高高跳机”信号，分别输出至非电量保护C/D/E屏，经智能“3取2”保护装置动作出口，示意流程如图1。

图1 某调相机轴承相对振动原保护链路示意图

2 TSI振动误动事件简述

2021年3月31日15时11分，该工程3号机组DCS系统出线端X向轴振模拟量监视值峰值达263 μm，超过跳机定值254 μm，触发轴振高高跳机，过程数据曲线如图2。

图2 3号调相机保护动作时各振动趋势及非出线端X向振动探头间隙电压曲线

经过现场检查和振动数据分析，当出线端X向轴振跳变至263 μm时，其他三个轴振测点均未出现明显变化，结合X向振动间隙电压变化图(如图1)，可完全排除调相机转子发生实际振动。综合判断此次跳机的原因为X向振动间隙电压异常变化导致出线端X向轴振信号突变达到跳机值而引起保护动作，应为突发性外部干扰所致。

3 原因分析

跳机事件发生后，通过对机组TSI振动测量链路及保护逻辑进行了排查分析，发现以下几个方面的问题：

3.1 TSI接地设计及信号屏蔽线缆接地方面问题

本机组TSI柜按功能设计了两类接地铜牌，如图3所示。一类为保护地，为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。DCS系统现场控制站机柜及设备电源等均应接保护地；另一类为屏蔽地，为避免电磁场对现场热工仪表和信号的干扰而采取线缆屏蔽层接地，以提高信号精度。所有信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地，线缆屏蔽层必须一端接地，防止形成闭合回路干扰。

目前，调相机所有控制柜接地还存在不同于常规火电机组DCS接地的设计情况，即：电子间所有控制柜外壳都通过槽钢相连接接入大地，致使TSI系统间接形成了3类接地。如图3所示。

图3 调相机TSI系统接地示意图

排查发现的问题为：

(1)保护接地铜牌与屏蔽接地铜牌在机柜内进行了并接，与地网形成了环网，易形成回路电流对信号造成干扰，如图4。

(2)控制柜外壳接入屏蔽接地铜牌，而控制柜又通过槽钢接入电气接地网，造成信号地、控制柜与大地形成环网，易形成回路电流对信号造成干扰；3套不同功能的接地都互相形成环网，易引起测量信号的电磁干扰〔1〕，最终导致机组保护误动作。

(3)由于安装人员未了解屏柜间线缆用途，造成TSI系统送至DCS系统进行监视的振动模拟量信号电缆，其屏蔽线缆在两个屏柜都接入了接地铜牌上，形成信号2点接地现象，严重违反“25项反措”要求〔2〕；

(4)振动信号屏蔽线缆接地未按厂家说明书方案接入接地系统，厂家要求振动信号屏蔽线缆应该通过3500保护装置专用接地端接入接地铜牌，现场检查发现屏蔽线缆未接入3500保护装置而是直接接入接地铜牌中。

3.2 振动测量链路中延伸电缆转接接头未采取防污染、防电磁干扰措施。

(1)振动测量链路简介。调相机轴振探头为电涡流位移传感器，它能测量被测体与探头端面的相对位置。电涡流位移传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强及响应速度快等特性，常用于对大型旋转机械的轴振动、轴转速等参数进行测量，有效地对设备进行保护及预测性维修。振动测量系统主要包括探头、延伸电缆、前置器和附件(如图5所示)。延伸电缆用来联接和延长探头与前置器之间的距离。采用延伸电缆的目的是为了减短探头所带电缆长度，对于用螺纹安装探头时，需转动探头，过长的电缆不便使电缆随探头转动，容易扭断电缆。

(2)排查发现的问题为：通过现场检查发现，延伸电缆与探头电缆的接头未采取防污染、防电磁干扰措施〔3〕，且接头内部有脏污油渍，调取TN8000诊断装置历史曲线发现传感器间隙电压异常的现象。怀疑为接头脏污对测量的间隙电压有影响，导致传感器工作于非线性区域，从而影响振动测量真实性。

通过试验室开展轴振传感器(清洁与脏污状态)静态特性测试，得出轴振传感器延伸电缆接头脏污后,传感器的静态输出特性发生明显变化,表现为脏污状态下的灵敏度要明显小于清洁状态下的灵敏度，具体如图6。

通过在试验室开展轴振传感器(延伸电缆接头脏污状态)在振动环境(模拟接头接触不良现象)动态特性试验过程中，发现脏污状态下的传感器延伸电缆接头的接触程度若发生改变，会导致传感器工作间隙电压发生突变，同时振动测量值发生跳变，甚至达跳机值，如图7。

图7 脏污轴振传感器振动环境试验过程TSI输出值变化趋势

3.3 调相机振动保护设计存在“组态逻辑设计为单点保护”与“继电器输出元件单一配置”问题，易引发机组保护误动。

(1)本站振动保护逻辑设计为：调相机盘车端与励端分别配置2个振动测量元件，共4个振动测量信号，通过3500装置采集后，在其PLC中进行逻辑判定(4个测量信号任1达到跳机值)，共输出3个“振动保护跳机”信号。

问题分析：该逻辑由于设计为任1测点达到跳机值保护跳机〔3〕，也未采取任何辅助判据，不符合“25项反措”要求，且调试期间发生了出线端X向轴振测点异常跳变而保护误动跳机事件，均说明该保护逻辑设计有明显的保护误动风险。

(2)TSI继电器输出元件配置单一，未进行冗余设计，易引发保护拒动。

本站振动保护链路设计为：振动保护信号由3500装置PLC逻辑判定后，共扩展输出3个 “振动保护跳机”信号，通过1块TSI继电器输出模块(相当于1块DCS系统DO板卡)送至DCS系统进行“3取2”逻辑判定后，再次扩展3个“振动保护跳机”信号，通过3块不同DO板卡分别送到电气系统C、D、E非电量保护屏，再次通过电气“3取2”保护装置动作开出。振动保护传送链路见图1。

问题分析：TSI继电器输出元件配置单一，当元件出现损坏情况时，易引发该套保护拒动；振动保护信号“3取2”判断设计过度，DCS系统与电气均进行了“3取2”判断，易引发该套保护误动。

4 优化方案

4.1针对 TSI柜接地系统设计不符合规范易引起测量信号电磁干扰的问题，应对TSI接地进行规范设计，首先应对控制柜信号屏蔽接地与系统保护地进行分别独立接地，且接入接地网的连接点应保持一定距离，以避免系统保护地中大电流串入信号屏蔽地中对弱电信号造成电磁干扰；控制柜柜壳应接入系统保护地中，与信号屏蔽保持绝缘；控制柜整体应保持绝缘，绝缘电阻应符合规程要求。

再次，应对DCS系统与TSI系统柜间的模拟量信号进行排查梳理，将柜间信号屏蔽线缆存在两点接地现象进行整改，解除其中一端使其进行浮空，避免出现回路电流而造成电磁干扰的情况。

最后，振动测量链路信号屏蔽接地应符合厂家设计要求。

4.2针对振动传感器就地廷伸电缆采用中间接头连接，易引发接头污染而导致传感器测量间隙电压发生改变，导致传感器工作于非线性区域，最终致使振动测量值发生跳变，甚至达跳机值而诱发保护误动跳机。为减少测量链路的中间环节保持测量的可靠性，应采用没有中间接头的整套线缆或是对中间接头进行高抗干扰性能的措施。

4.3针对振动保护逻辑与振动保护链路硬件设计方面问题，首先应对振动单点保护逻辑进行优化，当4个振动测量信号其中1个达到跳机值且其余3个信号任一达到优秀值，触发振动保护跳机，逻辑SAMA图如图8。

图8 优化后的轴振保护逻辑图

其次，对TSI系统继电器输出模块进行冗余配置，针对实际情况，应遵循保护的分层原则，即对保护应在坚持总体原则的基础上，实施保护冗余改造技术，将原来的1块扩展至3块，将3个振动保护跳机信号分别通过不同的继电器输出模块开出，以提高保护的可靠性。

最后，需简化振动保护链路设计，去掉不必要的中间环节，以减少保护保护信号“3取2”判定的过度冗余。本站TSI系统振动保护信号经过DCS系统“3取2”逻辑判断后转至非电量保护装置，过程设计复杂，应优化为TSI系统振动保护信号直接送至非电量保护装置进行“3取2”逻辑判断开出，具体改造如图9。

图9 优化后的振动保护链路示意图

5 结束语

本文通过对某新型调相机振动保护误动跳机事件进行了深入的分析研究，针对发现的振动测量及保护链路中存在的典型问题，根据实际提出了优化整改方案，经检修整改后，在商业运行过程中效果良好，未发生测量信号异常现象，对同类机组具有广泛的推广借鉴价值。