大型水電站齒盤測頻原理分析及優化

梁 毅

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

調速系統在水輪發電機組中擔任著調功調頻的重要任務，其性能的好壞直接影響發電的質量與品質。齒盤測頻信號是調速系統重要的外部控制信號，也是調速系統調節結果的最終反映。如果頻率采樣故障，調速系統無法監視到機組頻率，很有可能造成機組頻率失控，威脅機組的安全穩定運行，因此保證頻率信號測量的可靠性至關重要[1]。

1 概 述

某大型水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市、鹽源縣的交界處，總裝機容量4×600 MW，其水輪機控制系統采用南京南瑞集團公司生產的SAFR2000H型微機調速系統，微機調節器采用奧地利B&R公司的PCC2005型控制器[2]，CPU采用CP340型模塊；正常運行A套調節器(PCC)為主用，B套為熱備，當A套故障時能進行無擾切換。機組測頻方式除了發電機機端電壓互感器采集的兩路殘壓測頻外，還有四路是安裝于發電機大軸上非接觸式接近開關的齒盤測頻[3]。

水電站機組頻率測量是電站控制系統重要的、不可或缺的基本參量，頻率測量的精準與否直接影響到機組控制流程的正確執行及調速器的調節性能。而頻率測量除需要依靠性能穩定、工作可靠、精度滿足要求的傳感器外，齒盤探頭的安裝、回路接線也是重要的一個環節；只有嚴格遵從相關規程規范的要求，結合電站設備的實際狀況，設計、制造、安裝符合要求的齒盤測頻回路才能保證調速器系統正常運轉，滿足電站長期安全穩定運行的需要。

2 齒盤測頻原理分析

水輪機調速系統接收來自機端PT或機組大軸的齒盤測頻信號以測量機組轉速，通過與目標值比較后得到的轉速差值進行PID運算，其輸出值用以控制導葉接力器，進而達到控制機組轉速的目的。由此可見，對于1臺調速系統，測頻回路為一道瓶頸，如果測頻回路異?；蛘邷y頻精度無法達到要求，后續的控制回路將無法正常工作，詳見圖1。

圖1 齒盤測頻原理圖

圖1中，A和B是安裝在水輪機測速齒盤圓周上的2個探頭，當齒盤的齒經過探頭A和B時都會產生脈沖，2個脈沖分別經過單穩態觸發器Sa和Sb整形后去觸發或復位RS觸發器，形成方波。按照圖中規定的水輪機旋轉方向，RS觸發器Ta產生的方波寬度正比于磁盤上的1個齒旋轉過A和B探頭的時間。經過四路信號轉換器濾波、整形、隔離后送PCC數字模件，兩路齒盤測頻信號經濾波，本身形成的就是方波脈沖信號，隔離后分別送PCC高速數字模塊處理、計數。其輸出TPUc10的寬度與磁盤的加工精度無關，保證了測量精度。

電站齒盤探頭選用的是電感式傳感器，外部測頻信號輸入到四路信號轉換器，經過處理后輸出可以讓PCC及PLC用于檢測的信號，一路殘壓測頻信號和兩路齒盤測頻信號送給1套PCC控制器的測頻模塊，兩套PCC相互冗余。測頻信號采用“三選二”并聯冗余運行方式，優先級為：殘壓>齒盤1>齒盤2，詳見圖2。但在發電機低轉速階段，機端殘壓信號較弱，信號易受干擾失真，時常采集不到殘壓信號，進而無法準確測量機組頻率，這種狀況下是以齒盤測頻為主用。

圖2 外部測頻信號輸入和信號輸出配線圖

控制邏輯：齒盤1為主用，殘壓測頻正常，測值與兩套齒盤測頻的差值均小于0.5 Hz(無頻率偏差報警)，采用殘壓測頻；殘壓測頻異?；蝾l率偏差報警，優先采用齒盤1測頻，若齒盤1測頻故障則采用齒盤2測頻。

3 存在的問題與優化

該水電站機組自投運后，齒盤測頻回路因自身設計及安裝原因，出現過齒盤測速值波動較大、四路信號轉換器故障及測速探頭安裝支架松動等缺陷，影響機組安全穩定運行。經分析研究，對齒盤測頻回路進行優化，對后續技術改造及機組檢修維護具有一定借鑒意義[4]。

3.1 測速探頭優化

該電站測速探頭測量范圍區間較小，有效距離約為5 mm，但在實際使用過程中有效測量距離僅為3±1 mm 左右。探頭安裝位置必須十分接近齒帶本體，否則在機組開機及停機過程中頻率快速上升及快速下降造成的振動容易造成測頻不準確，嚴重會損壞齒盤探頭，造成事故停機[5]。同時，有效測量距離太小也對測速探頭的檢修維護工作提出了很高的要求。

基于上述原因，將齒盤探頭由P+F公司NJ5—18GM50—E替換為NJ8—18GM50—E，可靠動作距離由5 mm提升為8 mm，其他重要參數均沒有變化。

更換后的探頭抗干擾能力增強，測頻信號更穩定；而且傳感器的接線方式采用的是航空插頭端子，相較傳統手工焊接方式接線，大幅提升了現場檢修維護工作效率，詳見圖3、表1。

表1 兩種型號接近開關參數對比

圖3 齒盤安裝位置示意圖

3.2 支架結構優化

電站為齒盤測速探頭所用的支撐支架由2塊角鋼焊接而成，支架支撐直接焊接于下導油槽蓋板上，4個探頭均勻分布在機組大軸上。在機組振動區間內，支撐支架會產生輕微的晃動，在機組開機及停機過程中頻率快速上升及快速下降過程中尤為明顯；該晃動會造成測量精度發生偏移，進而產生“丟齒”的現象。

基于上述原因，支架前端可制作成以大軸中心為圓心的弧形，將4個探頭集中在1塊支架上，便于檢修維護。支架的結構可采用3點支撐，并在3個支撐支架上再加上1個三角構架，然后通過增加鋼支架的剛性強度以保證結構穩定，進而能夠解決振動傳導問題[6]。

另外，支架固定在水車室旁鋼筋護架上，可避免因機組本體振動而導致的支架擺動現象和頻率跳變，詳見圖4。

圖4 優化后的齒盤測頻支架

3.3 測頻回路優化

目前，電站外部測頻信號全部輸入到四路信號轉換器，經過處理后輸出可以讓PCC測頻模塊檢測的信號，一路殘壓測頻信號和兩路齒盤測頻信號送給1套PCC控制器的測頻模塊。一旦四路信號轉換器故障，將會導致一路機頻信號、一路網頻信號、兩路齒盤信號完全失去作用，影響機組安全運行。

基于上述原因，采用冗余的四路信號模塊來優化測頻回路，將機頻信號與網頻信號接到1個四路信號轉器上。這樣即使單個四路信號轉換器故障，不影響該套PCC的運行，同時也增加了系統的容錯，對后續系統升級改造也提供了可行的方法，詳見圖5。

圖5 優化后的測頻回路

4 結 語

水電站機組齒盤測頻信號是電站控制系統重要的、不可或缺的參數，齒盤測頻信號的精準與否直接影響到機組控制流程的正確執行及調速器的調節性能。

本文針對某大型水電站水輪發電機組實際運行過程中齒盤測頻存在的一些問題，從測頻原理出發，對存在的問題進行了充分的討論及優化。通過相應的改造處理，達到了預期的效果，保障了水輪機組的安全穩定運行。