摘要：处于风火集中打捆送出地区的大型机组，周边风电、直流、串补等电力电子设备及其控制系统对发电机组轴系安全运行有很大影响，需安装次同步功率振荡监测设备。汽轮机发电机组轴系扭振保护装置（TSR）解决了次同步振荡引发的轴系扭振问题，避免造成轴系某些部件或联轴器断裂或疲劳损坏，保证机组和电网的安全运行。
关键词：大型机组；次同步振荡；保护
引言
电力系统次同步振荡是由于系统中机械设备和电气设备动态特性耦合作用引发的一种特殊动态行为。当电力系统发生次同步振荡时，会在机械系统的轴系和电气系统的相关变量中产生持续的，甚至增幅的扭振和振荡。严重的电力系统次同步振荡和轴系扭振会直接导致大型汽轮发电机转子轴系的严重破坏，同时也对电力系统安全运行构成严重威胁。
大容量机组、长距离输电需要电网采用可控串补（TCSC）技术提高输电能力。输电线路的串联电容补偿、直流输电、电力系统稳定器的加装，发电机励磁系统、可控硅控制系统、电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发、导致次同步功率振荡现象。在交直流混合输电系统中，靠近直流换流站的发电机组可能产生次同步功率振荡现象。由于汽轮机和发电机转子惯性较大，对轴系本身的低阶扭转模态十分敏感，呈低周高应力的受力状态，这种机电共振直接严重威胁机组的安全可靠运行。
大型汽轮发电机的轴系扭振是大电网大机组中存在的一个必须解决的问题，它不仅发生在国外的电力工业界，从上世纪八十年代开始，在我国电力系统中也不断有由于轴系扭振导致事故发生的报道。1988年12月，陕西秦岭电厂5号机组的轴系在运行中发生强烈的振荡，随即轴系断为15段，5处出现裂痕。1984年3月神头电厂3号机组在进行快关汽门的短暂快控和持续快控试验时，发现机组异常振动并听到金属碰撞声，停机检查，发现高中压缸对轮12根直径为40mm的螺栓都受到不同程度的破坏，其中断裂7根，其余5根被打弯。1985年10月，山西大同第二电厂的2号机组在发电机电气故障甩负荷的过程中，由于超速而造成机组严重损坏，轴系断为5截。1986年8月，刚投入运行不到两年的陡河电厂6号机组，在运行中发现汽轮发电机组的三瓦振动突然增大，且振动随负荷波动，运行人员当即判断为高压缸转子联轴节的螺栓断裂，停机检查发现三根螺栓断裂，其余螺栓的裂纹深达15mm。随着我国电力系统规模的扩大和结构进一步复杂化，电力系统中的次同步振荡问题也受到了我国电力工业界和学术界的重视和关注，从次同步振荡产生机理、研究方法、监测控制等多方面开展了大量研究，取得了丰富的研究成果。次同步功率振荡监测装置为大型机组的安全稳定运行提供了保障。
一、次同步功率振荡监测装置主要特点及优势
1、硬件配置灵活。各个硬件模块以组件的方式灵活配置，支持模块热插拔，具有过载和短路保护功能。
2、软件实现灵活。基于标准IEC61131-3标准的功能块的控制逻辑，控制保护逻辑灵活装载。
3、专业嵌入式硬件结构设计。控制模块采用集成通讯处理器的嵌入式双内核处理器、采用高可靠性的嵌入式操作系统，具有低功耗、寿命长、硬件可靠性高，适合严酷的工作环境场合等优点。
4、高可靠的HMI。上位机软件HMI采用专门适用于保护和过程控制产品的基于图模一体化跨平台技术的大型网络化Powercontrol3.0监控软件。HMI的硬件采用适于独立组屏的高可靠性工业嵌入式平板电脑，采用触摸屏，无风扇、低功耗技术。
5、调试、测试、录波手段充分。具有RTDS实时数字仿真系统，可实时模拟各类真实参数的大型汽轮发电机组轴系及电磁运行工况。
6、在软件可靠性、硬件可靠性、自诊断方面有突出特点。
7、采用机组电气特征量，辅助构成TSR的启动、调节、控制和保护判据，可以在线识别大扰动的故障类型，可以用于加速TSR出口。相比仅采用转速信号构成的TSR判据具有更高的可靠性和判据方面的速动性和灵活性。
8、在多机组的情况下可以通过协调控制主站优化切机出口，最大限度的减少切机对电网的冲击。
9、采用多项冗余措施提高可靠性和容错能力。
10、具有高速完整的录波子系统，对输入、输出的模拟量、开关量和内部判别逻辑有全息的记录功能。
11、与RTDS构成闭环测试，并具有现场轴系仿真测试仪用于现场调试，在试验和调试方面有理想的技术手段，确保可靠性。
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二、次同步功率振荡监测装置的安装
1、次同步功率振荡装置传感器的安装
传感器的作用是监测转速和次同步信号，需要安装4个次同步功率振荡监测装置传感器，在机组停机状态下进行，需要揭开汽轮机2瓦、3瓦间大盖。4个传感器具体安装位置分别在汽轮机轴系9瓦测速齿盘处以及汽轮机轴系2瓦与3瓦之间测速齿盘处。汽轮机轴系9瓦处一般有测速齿盘而无支架，需要制作支架并在支架上攻丝；2瓦与3瓦之间有测速齿盘有支架，可直接安装传感器。
次同步功率振荡监测装置所用传感器安装方法为把固定套拧进钢板的螺纹孔，然后拧上固定套两侧的螺丝。传感器插入固定套中，传感器上有一条很浅的直线凹槽，此凹槽为传感器方向标记，传感器的安装方向标记与轴的中心垂直，方向标记的延长线、转速传感器的中心轴线、发电机轴的中心轴线应在一个平面内。上下移动转速传感器，调整传感器与齿盘之间的间隙直至用塞尺测量传感器端部与齿盘之间的间隙达到1mm。将传感器固定套两侧的螺母拧紧，夹住钢板，并确认传感器已固定好。
由于装置传感器非常精密，对汽轮机轴系9瓦处的支架制作要求很高，需要准确计算弧度和高度，并做好防止支架振动的措施，才能确保正确采集1号机组汽轮机轴系运转数据。由于机组最后需要大轴找中心，传感器和大轴之间的相对位置还会发生变化，所以要随时进行调整支架的位置，必要时还要重新加工支架。
2、次同步功率振荡监测装置定值整定所需参数的确定
次同步功率振荡监测装置定值整定需要电厂向厂家提供大量发电机汽轮机组参数，主要包括：
a 汽轮发电机组轴系扭振特征频率，即各模态频率数；各阶模态振型。
b汽轮发电机组轴系集中质量模型参数：转动惯量和扭转刚度。主要包括高压转子HP、中压转子IP、A低压转子ALP、B低压转子BLP、C低压转子CLP、发电机转子GEN、励磁机转子EXC。
c连续质量模型参数：包括轴系模化尺寸、附加转动惯量、关键段说明。
d轴系各危险截面的扭转疲劳寿命曲线即S-N曲线。
e对应各转子图纸资料，机组各转子轴颈尺寸、各转子材料抗拉强度极限、抗拉屈服极限、剪切屈服极限。（轴过渡断面直径、中心孔直径、阶梯轴两边直径，轴过渡断面圆角半径）。
f各转子所需材料，主要包括高、中、低压转子、发电机转子、励磁机转子的材料类型、材料密度、弹性模量、泊松比、叶片级数。
g联轴器所需材料：联轴器结构图，详细尺寸。需要说明转子间联轴器是整锻还是套装结构，若为套装结构，提供联轴器的详细尺寸；若为整锻联轴器，提供联轴器的详细尺寸数据（高中间、中低A间、低A低B间、低B低C间、低发间、发电机励磁机间的螺孔节径、直径、个数）。
由于次同步功率振荡保护技术在我国方兴未艾，其保护定值整定所需的参数比较特殊，需要联系发电机汽轮机组厂家及相关技术部门协助获取所需参数。
3、次同步功率振荡监测装置接入机组并网信号
厂家要求，发电机汽轮机组加装次同步功率振荡监测装置工作需要电厂提供机组并网信号，即向装置送入一对并网开关辅助接点。如果并网开关辅助接点已没有剩余，可以用故障录波器屏柜内的用于并网信号的一对开关辅助接点进行扩展。通过此接点扩展出2对接点，一对接点送回故障录波器，另一对送至次同步功率振荡监测装置屏。
结论
加装的次同步功率振荡监测装置具有对汽轮机轴系转速连续监视功能，具有检测和判断扭振模态值等幅振荡、收敛或发散趋势的功能，具有计算轴系扭振疲劳损耗功能，具有关键信号的告警功能，具有对运行中的机组进行监测和保护功能，能够全面对汽轮发电机组进行保护，不发生非计划停运，确保电网安全稳定运行。相比采用其它技术解决次同步功率振荡问题，该监测装置可节省巨大投资，不占用过多的社会资源，大大降低了系统发生次同步振荡时对大型发电机汽轮机组造成损坏的风险。
参考文献：
[1]程时杰，曹一家，江全元.电力系统次同步振荡问题的理论与方法[M].北京：科学出版社，2008.
[2]梁新艳.CSC-812P系列汽轮发电机组轴系扭振装置说明书.北京四方继保自动化股份有限公司，2010.
作者简介：
张辉（1982.12-），男，吉林松原人，大唐长山热电厂，电气点检员，工程师。研究方向：继电保护
论文作者:张辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
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