發(fā)電機(jī)組非正常超溫報(bào)警故障分析及解決方案

賴 華，劉 輝，周 平

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306）

0 引言

排氣溫度是燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組重要的監(jiān)控保護(hù)參數(shù)之一。發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)功能模塊的作用是對(duì)發(fā)電機(jī)組的超溫進(jìn)行報(bào)警并保護(hù)停車。某發(fā)電機(jī)組控制站內(nèi)的溫度信號(hào)調(diào)理模塊用于限制發(fā)電機(jī)組的排氣溫度，并對(duì)排氣溫度實(shí)施超溫保護(hù)。在結(jié)構(gòu)上，溫度調(diào)節(jié)功能模塊的信號(hào)由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的一組熱電偶、控制系統(tǒng)內(nèi)的溫度標(biāo)準(zhǔn)器和頻率功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的微控制器組成。信號(hào)從被安裝在排氣管內(nèi)的兩排并聯(lián)連接的熱電偶進(jìn)入布置在控制站殼體內(nèi)的信號(hào)調(diào)理模塊標(biāo)準(zhǔn)器。每組熱電偶由4 個(gè)串、并聯(lián)連接的T-28 型熱電偶、用合金HK-CA 制成的熱電級(jí)組成。信號(hào)被標(biāo)準(zhǔn)器轉(zhuǎn)換并被輸入微控制器，溫度標(biāo)準(zhǔn)器輸出的信號(hào)是否正確、真實(shí)，關(guān)系到進(jìn)入微處理器的信號(hào)是否正確。

1 非正常超溫原因分析

1.1 現(xiàn)象描述

在裝機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組上，4 支合金HK-CA 組成熱電級(jí)的雙絲熱電偶經(jīng)串、并聯(lián)后的信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的溫度調(diào)節(jié)控制及超溫報(bào)警保護(hù)。

發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境為高濕高鹽，環(huán)境濕度一般大于90%，且熱電偶運(yùn)行一段時(shí)間后表面會(huì)沉積一層結(jié)晶鹽。根據(jù)熱電偶的產(chǎn)品特性，單絲熱電偶的阻值為毫歐級(jí)，發(fā)電機(jī)組溫度信號(hào)調(diào)理模塊的溫度測(cè)量回路由8 支熱電偶絲組成。如熱電偶結(jié)晶鹽后不做清潔處理，會(huì)導(dǎo)致熱電偶絕緣電阻嚴(yán)重下降（絕緣電阻由數(shù)兆歐下降到幾百歐或幾十歐）。

目前，裝機(jī)使用的熱電偶及溫度保護(hù)控制電路，在機(jī)組起動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)非正常超溫報(bào)警停機(jī)（溫度保護(hù)控制與溫度監(jiān)視使用的是不同的傳感器，且其信號(hào)調(diào)理電路也不一樣），即保護(hù)控制器顯示發(fā)電機(jī)組超溫，并保護(hù)停車，實(shí)際的監(jiān)視溫度值未達(dá)到保護(hù)停車閥值。尤其在潮濕環(huán)境下更是頻繁發(fā)生（但機(jī)組排氣溫度的監(jiān)視顯示值卻未達(dá)到報(bào)警停機(jī)的限制值）。故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)采用的排除方法為等待燃機(jī)轉(zhuǎn)子降為零值，并在輔機(jī)艙控制站內(nèi)部通過(guò)按壓“復(fù)位”按鈕消除故障，待燃機(jī)控制發(fā)出“準(zhǔn)備好”指令后準(zhǔn)備再次啟動(dòng)。而再次啟動(dòng)非正常超溫報(bào)警故障并保護(hù)停機(jī)仍存在很大的概率，此時(shí)處理措施多為人工打開(kāi)燃機(jī)保護(hù)蓋板，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用取出4 支熱電偶，把偶絲工作端用工業(yè)酒精浸泡15～30 min 后取出，待酒精揮發(fā)完全或用明火點(diǎn)燃燒盡殘余酒精，經(jīng)過(guò)上述處理措施復(fù)裝后，再次啟動(dòng)有較高的成功概率，該故障處理方法嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

1.2 熱電偶工作原理

熱電偶是敏感元件，由兩種不同的導(dǎo)體（鎳鈷A—鎳鋁B）連接在一起構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)連接點(diǎn)1 與2 的溫度不同時(shí)，由于熱電效應(yīng)，回路中會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)幾到幾十毫伏的熱電動(dòng)勢(shì)EAB。連接點(diǎn)1 置于被測(cè)的測(cè)溫介質(zhì)中，稱為工作端1；連接點(diǎn)2 要求在某一恒定溫度下，稱為自由端2（圖1）。

圖1 熱電偶構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)導(dǎo)體材料選定后，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅與接點(diǎn)1、2 溫度有關(guān)，當(dāng)接點(diǎn)1、2 的溫度分別為t1、t2時(shí)，回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為：

由于導(dǎo)體材料已經(jīng)選定，其自由端溫度t2恒定，eAB（t2）為常數(shù)，故式（1）中回路總的熱電動(dòng)勢(shì)僅為工作溫度t1的單值函數(shù)[1]。通過(guò)測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)的方法就可以測(cè)量工作點(diǎn)1 的實(shí)際溫度。

1.3 電路分析

導(dǎo)致非正常超溫報(bào)警的溫度控制電路中的信號(hào)調(diào)理模塊電路（圖2），信號(hào)調(diào)理模塊電路的熱電偶溫度信號(hào)采用合金HK-C A 制成，熱電極感受排氣溫度，通過(guò)隔離放大電路將毫伏電壓信號(hào)放大100 倍，變換成0～5 V 的電壓信號(hào)供給采集器，根據(jù)《中國(guó)航空材料手冊(cè)》[2]可知，該合金材料的熱電偶，在300 ℃以下的熱電勢(shì)為0，而機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中的排氣溫度高于300 ℃，采用該合金材料做熱電偶的熱電極在300 ℃以下可不需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

圖2 信號(hào)調(diào)理模塊電路

在信號(hào)調(diào)理模塊電路中，設(shè)計(jì)的機(jī)組排氣溫度在300 ℃以下時(shí)的測(cè)溫電路輸出偏置值為1.2 V。圖2 中，5 V 電壓經(jīng)R2、R3 分壓，使輸入端有12 mV 電壓輸入，放大100 倍后變成1.2 V，R4 為外來(lái)的干擾信號(hào)電阻，R1 為斷耦的檢測(cè)信號(hào)電阻。

電路中設(shè)計(jì)有斷耦報(bào)警電路，當(dāng)發(fā)生斷耦故障時(shí)，分壓的12 mV 電壓不能加到輸入端，則輸入端正負(fù)極由電阻R1 連接，電壓為0 mV，放大后輸出的電壓為0 V，控制器采集后判斷為斷耦故障并報(bào)警。

1.4 誤報(bào)警原因分析

在發(fā)電機(jī)組原控制器中，造成非正常超溫報(bào)警的原因有兩個(gè)：

（1）絕緣電阻下降導(dǎo)致溫度值采集的初始狀態(tài)產(chǎn)生較大偏移。在控制器的信號(hào)調(diào)理模塊中，當(dāng)熱電偶因潮濕天氣原因使得偶絲與殼體間的絕緣電阻下降時(shí)，由于圖2 中輸入地③與殼體②做了短路連接，相當(dāng)于在偶絲與殼體（地）之間接入一個(gè)電阻。偏置電路等效電路如圖3 所示。

圖3 偏置電路等效電路

未開(kāi)機(jī)時(shí)，R4 的阻值正常情況下為無(wú)窮大，對(duì)電路不產(chǎn)生影響，但在嚴(yán)重鹽霧潮濕的情況下（如熱電偶浸濕）測(cè)得僅為幾百歐姆，以200 Ω計(jì)算為例，根據(jù)等效電路可得：R2=0.48 Ω，R3=220 Ω，U=5 V，假設(shè)R4=200 Ω，則：

計(jì)算出R2 上的分壓約23 mV，放大100 倍后輸出為2.3 V，已嚴(yán)重偏離正常值1.2 V，此時(shí)控制器采集計(jì)算后的溫度值為440 ℃，致使會(huì)出現(xiàn)一按啟動(dòng)按鈕，燃機(jī)控制系統(tǒng)報(bào)超溫停車故障，可見(jiàn)對(duì)初始溫度值的采集產(chǎn)生了較大偏移。

假設(shè)R4=1000 Ω，則U2≈13 mV，放大100 倍后輸出為1.3 V，略微偏離正常值1.2 V，因此，只要R4 的值大于1000 Ω，對(duì)溫度值采集的影響可以忽略。

（2）圖2 中有3 種電路的地存在，分別為信號(hào)輸入地③（共電源地、殼體地）、放大電路地①、信號(hào)輸出地②（與控制器采集輸入共地），在處理小信號(hào)時(shí)，各類地之間需相互隔離才能避免由于運(yùn)行過(guò)程中各種地電位電勢(shì)差對(duì)信號(hào)引起的干擾，但在圖2 的電路設(shè)計(jì)中，信號(hào)輸入地與輸出地之間沒(méi)有隔離，易受干擾。試驗(yàn)測(cè)得，在極端潮濕情況下，初始輸出從1.2 V 漂移至1.4 V，溫度漂移約30 ℃，致使會(huì)出現(xiàn)在燃機(jī)轉(zhuǎn)子正常加速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油剛被點(diǎn)著時(shí)刻報(bào)超溫停車故障，并控制系統(tǒng)反饋給中央控制室的故障信息為“超溫停車”。

以上兩種因素導(dǎo)致排氣溫度的測(cè)量值與實(shí)際值誤差很大，在熱電偶未清洗（有鹽結(jié)晶沉積）情況下造成的溫度測(cè)量值與實(shí)際值的誤差甚至可達(dá)數(shù)百攝氏度，故造成機(jī)組非正常超溫報(bào)警停機(jī)。

2 電路改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)控制器中原信號(hào)調(diào)理模塊模塊的分析與試驗(yàn)，針對(duì)影響控制器中測(cè)溫采集值漂移的兩個(gè)原因提出改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的電路如圖4 所示，改進(jìn)電路從兩個(gè)方面進(jìn)行。

圖4 改進(jìn)后的信號(hào)調(diào)理模塊電路

（1）增加DC-DC 隔離模塊。增加DC-DC 模塊后，R3 與輸入地連接，而R4 與機(jī)殼（或電源地）連接，R4 不再影響R3 上的分壓，潮濕情況下也不會(huì)對(duì)初始電壓偏置產(chǎn)生影響（由于不是同一個(gè)地，R4 的大小對(duì)于R3、4的大小不影響初始的電壓偏置，只與R2、R3 有關(guān)，），解決了因絕緣電阻下降導(dǎo)致溫度值采集的初始狀態(tài)產(chǎn)生的偏移。

（2）將地②與地③之間的連接線斷開(kāi)。改進(jìn)后的電路使3 個(gè)地之間完全隔離互不干擾，大大減小了各個(gè)地電位差對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

改進(jìn)后，在極端環(huán)境情況下，不會(huì)造成由于溫度信號(hào)受到干擾而出現(xiàn)的非正常超溫報(bào)警、停車。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)由于信號(hào)干擾和使用環(huán)境等導(dǎo)致的溫度信號(hào)非正常超溫報(bào)警的故障分析，得出在處理小信號(hào)時(shí)，各類地之間需相互隔離才能避免由于運(yùn)行過(guò)程中各種地電位電勢(shì)差對(duì)信號(hào)的干擾。試驗(yàn)和使用驗(yàn)證，該故障處理方法切實(shí)可行，實(shí)際熱電偶溫度信號(hào)對(duì)溫度控制電路中采集的溫度反饋值已不受外界環(huán)境及干擾的影響，提高了產(chǎn)品的性能及可靠性。