新型調(diào)相機TSI振動保護系統(tǒng)典型問題分析研究

彭 軍，馬 濤，祁富志，周 軍，李富榮

(1.青海電研科技有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008；2.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008)

0 引言

大容量新型調(diào)相機在啟(停)機或運行過程當(dāng)中，若出現(xiàn)主參數(shù)監(jiān)視異常，易造成本體各個部件之間的互相磨損，甚至出現(xiàn)燒瓦等嚴(yán)重事故。為保護調(diào)相機安全運行，就需要提高TSI系統(tǒng)對調(diào)相機本體運行的監(jiān)視及保護水平。本文通過對某300 Mvar調(diào)相機工程調(diào)試過程中發(fā)生的一起“軸承相對振動(下文簡稱“軸振”)單點跳變引起的誤跳機”事件，進行了深入的分析研究，提出了科學(xué)合理的優(yōu)化方案，經(jīng)實踐證明，具有廣泛的推廣價值。

1 調(diào)相機TSI振動保護系統(tǒng)簡介

TSI即調(diào)相機本體儀表監(jiān)視及保護系統(tǒng)，是監(jiān)測、保護調(diào)相機安全運行的重要設(shè)備。它能連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測調(diào)相機本體的各種重要參數(shù)，如：轉(zhuǎn)速、軸振及瓦振等，幫助運行人員判斷機組運行狀態(tài)，以保證機組安全穩(wěn)定運行。TSI監(jiān)測信息還提供了動平衡和在線診斷數(shù)據(jù)，運維人員可通過診斷數(shù)據(jù)的幫助，分析機組出現(xiàn)的振動異常事件。

某300 Mvar調(diào)相機TSI振動保護裝置采用Bently公司3500系列產(chǎn)品，機組出線端(非出線端)配置2個軸振傳感器，分別監(jiān)測軸承X/Y向相對振動。該項目TSI原軸振保護邏輯設(shè)計為：出線端及非出線端共4個軸振測點采集進入TSI振動保護裝置進行“4取1”邏輯判斷，即4個軸振中任一信號達到跳機值254 μm，觸發(fā)軸振保護跳機。通過TSI繼電器板卡擴展輸出3個“軸承相對振動高高跳機”動作信號至DCS系統(tǒng)，經(jīng)“3取2”邏輯判斷，然后由DCS系統(tǒng)DO卡再次擴展3個“軸承相對振動高高跳機”信號，分別輸出至非電量保護C/D/E屏，經(jīng)智能“3取2”保護裝置動作出口，示意流程如圖1。

圖1 某調(diào)相機軸承相對振動原保護鏈路示意圖

2 TSI振動誤動事件簡述

2021年3月31日15時11分，該工程3號機組DCS系統(tǒng)出線端X向軸振模擬量監(jiān)視值峰值達263 μm，超過跳機定值254 μm，觸發(fā)軸振高高跳機，過程數(shù)據(jù)曲線如圖2。

圖2 3號調(diào)相機保護動作時各振動趨勢及非出線端X向振動探頭間隙電壓曲線

經(jīng)過現(xiàn)場檢查和振動數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出線端X向軸振跳變至263 μm時，其他三個軸振測點均未出現(xiàn)明顯變化，結(jié)合X向振動間隙電壓變化圖(如圖1)，可完全排除調(diào)相機轉(zhuǎn)子發(fā)生實際振動。綜合判斷此次跳機的原因為X向振動間隙電壓異常變化導(dǎo)致出線端X向軸振信號突變達到跳機值而引起保護動作，應(yīng)為突發(fā)性外部干擾所致。

3 原因分析

跳機事件發(fā)生后，通過對機組TSI振動測量鏈路及保護邏輯進行了排查分析，發(fā)現(xiàn)以下幾個方面的問題：

3.1 TSI接地設(shè)計及信號屏蔽線纜接地方面問題

本機組TSI柜按功能設(shè)計了兩類接地銅牌，如圖3所示。一類為保護地，為了防止設(shè)備外殼的靜電荷積累、避免造成人身傷害而采取的保護措施。DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站機柜及設(shè)備電源等均應(yīng)接保護地；另一類為屏蔽地，為避免電磁場對現(xiàn)場熱工儀表和信號的干擾而采取線纜屏蔽層接地，以提高信號精度。所有信號電纜的屏蔽層應(yīng)做屏蔽接地，線纜屏蔽層必須一端接地，防止形成閉合回路干擾。

目前，調(diào)相機所有控制柜接地還存在不同于常規(guī)火電機組DCS接地的設(shè)計情況，即：電子間所有控制柜外殼都通過槽鋼相連接接入大地，致使TSI系統(tǒng)間接形成了3類接地。如圖3所示。

圖3 調(diào)相機TSI系統(tǒng)接地示意圖

排查發(fā)現(xiàn)的問題為：

(1)保護接地銅牌與屏蔽接地銅牌在機柜內(nèi)進行了并接，與地網(wǎng)形成了環(huán)網(wǎng)，易形成回路電流對信號造成干擾，如圖4。

(2)控制柜外殼接入屏蔽接地銅牌，而控制柜又通過槽鋼接入電氣接地網(wǎng)，造成信號地、控制柜與大地形成環(huán)網(wǎng)，易形成回路電流對信號造成干擾；3套不同功能的接地都互相形成環(huán)網(wǎng)，易引起測量信號的電磁干擾〔1〕，最終導(dǎo)致機組保護誤動作。

(3)由于安裝人員未了解屏柜間線纜用途，造成TSI系統(tǒng)送至DCS系統(tǒng)進行監(jiān)視的振動模擬量信號電纜，其屏蔽線纜在兩個屏柜都接入了接地銅牌上，形成信號2點接地現(xiàn)象，嚴(yán)重違反“25項反措”要求〔2〕；

(4)振動信號屏蔽線纜接地未按廠家說明書方案接入接地系統(tǒng)，廠家要求振動信號屏蔽線纜應(yīng)該通過3500保護裝置專用接地端接入接地銅牌，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)屏蔽線纜未接入3500保護裝置而是直接接入接地銅牌中。

3.2 振動測量鏈路中延伸電纜轉(zhuǎn)接接頭未采取防污染、防電磁干擾措施。

(1)振動測量鏈路簡介。調(diào)相機軸振探頭為電渦流位移傳感器，它能測量被測體與探頭端面的相對位置。電渦流位移傳感器具有靈敏度高、抗干擾能力強及響應(yīng)速度快等特性，常用于對大型旋轉(zhuǎn)機械的軸振動、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行測量，有效地對設(shè)備進行保護及預(yù)測性維修。振動測量系統(tǒng)主要包括探頭、延伸電纜、前置器和附件(如圖5所示)。延伸電纜用來聯(lián)接和延長探頭與前置器之間的距離。采用延伸電纜的目的是為了減短探頭所帶電纜長度，對于用螺紋安裝探頭時，需轉(zhuǎn)動探頭，過長的電纜不便使電纜隨探頭轉(zhuǎn)動，容易扭斷電纜。

(2)排查發(fā)現(xiàn)的問題為：通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，延伸電纜與探頭電纜的接頭未采取防污染、防電磁干擾措施〔3〕，且接頭內(nèi)部有臟污油漬，調(diào)取TN8000診斷裝置歷史曲線發(fā)現(xiàn)傳感器間隙電壓異常的現(xiàn)象。懷疑為接頭臟污對測量的間隙電壓有影響，導(dǎo)致傳感器工作于非線性區(qū)域，從而影響振動測量真實性。

通過試驗室開展軸振傳感器(清潔與臟污狀態(tài))靜態(tài)特性測試，得出軸振傳感器延伸電纜接頭臟污后,傳感器的靜態(tài)輸出特性發(fā)生明顯變化,表現(xiàn)為臟污狀態(tài)下的靈敏度要明顯小于清潔狀態(tài)下的靈敏度，具體如圖6。

通過在試驗室開展軸振傳感器(延伸電纜接頭臟污狀態(tài))在振動環(huán)境(模擬接頭接觸不良現(xiàn)象)動態(tài)特性試驗過程中，發(fā)現(xiàn)臟污狀態(tài)下的傳感器延伸電纜接頭的接觸程度若發(fā)生改變，會導(dǎo)致傳感器工作間隙電壓發(fā)生突變，同時振動測量值發(fā)生跳變，甚至達跳機值，如圖7。

圖7 臟污軸振傳感器振動環(huán)境試驗過程TSI輸出值變化趨勢

3.3 調(diào)相機振動保護設(shè)計存在“組態(tài)邏輯設(shè)計為單點保護”與“繼電器輸出元件單一配置”問題，易引發(fā)機組保護誤動。

(1)本站振動保護邏輯設(shè)計為：調(diào)相機盤車端與勵端分別配置2個振動測量元件，共4個振動測量信號，通過3500裝置采集后，在其PLC中進行邏輯判定(4個測量信號任1達到跳機值)，共輸出3個“振動保護跳機”信號。

問題分析：該邏輯由于設(shè)計為任1測點達到跳機值保護跳機〔3〕，也未采取任何輔助判據(jù)，不符合“25項反措”要求，且調(diào)試期間發(fā)生了出線端X向軸振測點異常跳變而保護誤動跳機事件，均說明該保護邏輯設(shè)計有明顯的保護誤動風(fēng)險。

(2)TSI繼電器輸出元件配置單一，未進行冗余設(shè)計，易引發(fā)保護拒動。

本站振動保護鏈路設(shè)計為：振動保護信號由3500裝置PLC邏輯判定后，共擴展輸出3個 “振動保護跳機”信號，通過1塊TSI繼電器輸出模塊(相當(dāng)于1塊DCS系統(tǒng)DO板卡)送至DCS系統(tǒng)進行“3取2”邏輯判定后，再次擴展3個“振動保護跳機”信號，通過3塊不同DO板卡分別送到電氣系統(tǒng)C、D、E非電量保護屏，再次通過電氣“3取2”保護裝置動作開出。振動保護傳送鏈路見圖1。

問題分析：TSI繼電器輸出元件配置單一，當(dāng)元件出現(xiàn)損壞情況時，易引發(fā)該套保護拒動；振動保護信號“3取2”判斷設(shè)計過度，DCS系統(tǒng)與電氣均進行了“3取2”判斷，易引發(fā)該套保護誤動。

4 優(yōu)化方案

4.1針對 TSI柜接地系統(tǒng)設(shè)計不符合規(guī)范易引起測量信號電磁干擾的問題，應(yīng)對TSI接地進行規(guī)范設(shè)計，首先應(yīng)對控制柜信號屏蔽接地與系統(tǒng)保護地進行分別獨立接地，且接入接地網(wǎng)的連接點應(yīng)保持一定距離，以避免系統(tǒng)保護地中大電流串入信號屏蔽地中對弱電信號造成電磁干擾；控制柜柜殼應(yīng)接入系統(tǒng)保護地中，與信號屏蔽保持絕緣；控制柜整體應(yīng)保持絕緣，絕緣電阻應(yīng)符合規(guī)程要求。

再次，應(yīng)對DCS系統(tǒng)與TSI系統(tǒng)柜間的模擬量信號進行排查梳理，將柜間信號屏蔽線纜存在兩點接地現(xiàn)象進行整改，解除其中一端使其進行浮空，避免出現(xiàn)回路電流而造成電磁干擾的情況。

最后，振動測量鏈路信號屏蔽接地應(yīng)符合廠家設(shè)計要求。

4.2針對振動傳感器就地廷伸電纜采用中間接頭連接，易引發(fā)接頭污染而導(dǎo)致傳感器測量間隙電壓發(fā)生改變，導(dǎo)致傳感器工作于非線性區(qū)域，最終致使振動測量值發(fā)生跳變，甚至達跳機值而誘發(fā)保護誤動跳機。為減少測量鏈路的中間環(huán)節(jié)保持測量的可靠性，應(yīng)采用沒有中間接頭的整套線纜或是對中間接頭進行高抗干擾性能的措施。

4.3針對振動保護邏輯與振動保護鏈路硬件設(shè)計方面問題，首先應(yīng)對振動單點保護邏輯進行優(yōu)化，當(dāng)4個振動測量信號其中1個達到跳機值且其余3個信號任一達到優(yōu)秀值，觸發(fā)振動保護跳機，邏輯SAMA圖如圖8。

圖8 優(yōu)化后的軸振保護邏輯圖

其次，對TSI系統(tǒng)繼電器輸出模塊進行冗余配置，針對實際情況，應(yīng)遵循保護的分層原則，即對保護應(yīng)在堅持總體原則的基礎(chǔ)上，實施保護冗余改造技術(shù)，將原來的1塊擴展至3塊，將3個振動保護跳機信號分別通過不同的繼電器輸出模塊開出，以提高保護的可靠性。

最后，需簡化振動保護鏈路設(shè)計，去掉不必要的中間環(huán)節(jié)，以減少保護保護信號“3取2”判定的過度冗余。本站TSI系統(tǒng)振動保護信號經(jīng)過DCS系統(tǒng)“3取2”邏輯判斷后轉(zhuǎn)至非電量保護裝置，過程設(shè)計復(fù)雜，應(yīng)優(yōu)化為TSI系統(tǒng)振動保護信號直接送至非電量保護裝置進行“3取2”邏輯判斷開出，具體改造如圖9。

圖9 優(yōu)化后的振動保護鏈路示意圖

5 結(jié)束語

本文通過對某新型調(diào)相機振動保護誤動跳機事件進行了深入的分析研究，針對發(fā)現(xiàn)的振動測量及保護鏈路中存在的典型問題，根據(jù)實際提出了優(yōu)化整改方案，經(jīng)檢修整改后，在商業(yè)運行過程中效果良好，未發(fā)生測量信號異?，F(xiàn)象，對同類機組具有廣泛的推廣借鑒價值。