DL/T 5565-2019 汽轮发电机组轴系扭振保护设计规程电子书

国家能源局公告

前言

1 总 则

1.0.1 为规范汽轮发电机组轴系扭振保护设计、统一定值要求与验证确认方法、提高保护动作正确率和机组运行安全可靠水平，制定本规程。

1.0.2 本标准适用于汽轮发电机组轴系扭振保护的配置、定值要求及其合理性检验与确认，以及扭振录波的配置与设计。

1.0.3 汽轮发电机组轴系扭振保护设计应符合安全性、合理性和工程实用性的要求。

1.0.4 汽轮发电机组轴系扭振保护设计除应执行本标准的规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

2 术 语

2.0.1 次同步谐振 subsynchronous resonance(SSR)

2.0.2 次同步振荡 subsynchronous oscillation(SSO)

2.0.3 轴系 shaft system

2.0.4 扭振 torsional vibration

2.0.5 扭振模态 mode of torsional vibration

2.0.6 扭振模态频率 mode frequency of torsional vibration

2.0.7 扭振振型 torsional mode shape

2.0.8 疲劳寿命曲线(S-N曲线) stress-number curve

2.0.9 疲劳寿命损耗 fatigue life loss

2.0.10 轴系扭振保护 torsional stress relay(TSR)

2.0.11 轴系扭振录波装置 disturbance recorder for shaft torsional vibration

3 配置依据与原则

3.1 配置依据

3.1.1 应根据电厂接入系统方案，电厂与串补、直流整流站及其他快速控制的电力电子装置等的联系紧密程度，初步判断该电厂机组发生次同步谐振或次同步振荡的风险。

3.1.2 经初步判断存在次同步谐振或次同步振荡风险的汽轮发电机组，应进行专项研究，研究成果作为保护配置的依据。

3.1.3 次同步谐振风险评估专项研究及轴系扭振保护设计所需的机组基础资料，应由汽轮发电机组设备供应商或其他具备分析能力的协作机构提供。主要包括：

3.1.4 应使用连续质量模型所得到的扭振固有频率及其振型曲线对等值集中质量模型进行验证，在取得轴系实测参数之后应对连续质量模型进行验证，以保证等效集中质量模型的准确可靠。轴系扭振模型等值方法和原则可参见附录A。

3.2 配置原则

3.2.1 汽轮发电机组轴系扭振保护应按双重化配置。

3.2.2 汽轮发电机组配置的两套轴系扭振保护宜分别安装在不同的屏柜上。

3.2.3 配置轴系扭振保护的汽轮发电机组，宜配置轴系扭振录波设备及相应的扭振数据分析软件。

3.2.4 扭振录波装置或其他监视设备可单独组屏，也可与其中一套扭振保护装置合并组屏，还可多台机组共享，当多机共享时宜单独组屏。

3.2.5 配置轴系扭振保护的汽轮发电机组应分别在其机头(汽轮机端)和机尾(励磁机或发电机端)安装测速齿轮和测速探头。

3.2.6 每套轴系扭振保护应配置独立的测速探头及其信号传输通道。

3.2.7 当机组转速信号中的所有轴系次同步扭振模态分量在机头或机尾均可观测时，轴系扭振保护宜仅使用机头或机尾的信号；当部分模态在机头不可观测，而另一部分模态在机尾不可观测时，轴系扭振保护应同时使用机头和机尾信号。

3.2.8 当机组轴系存在接近工频的次同步扭振模态频率时，宜为该模态扭振保护配置两只测速探头，且两只探头宜以轴心为参考水平相对安装。

4 装置功能及技术要求

4.1 装置功能

4.1.1 轴系扭振保护装置应针对机组轴系不同严重程度的次同步固有频率的扭振提供轴系安全保护。

4.1.2 轴系扭振保护装置应具有模态发散保护和疲劳越限保护的报警及跳闸功能。

4.1.3 轴系扭振保护装置应具有测速探头及装置异常告警功能。

4.1.4 轴系扭振录波装置应具有机组轴系转速录波记录功能，录波装置应提供扭振录波的分析软件，能够分析各模态扭振波形和频率。

4.1.5 轴系扭振保护装置和轴系扭振录波装置应具有同步对时接口。

4.2 技术要求

4.2.1 轴系扭振保护装置应实现被保护汽轮发电机组所有次同步模态和所有薄弱截面的扭振保护和报警功能。

4.2.2 轴系扭振保护装置应准确测量扭振转速信号，满足保护可靠动作要求。

4.2.3 轴系扭振保护装置的模态滤波器应能分离并准确提取各个次同步模态分量。

4.2.4 轴系扭振保护装置应准确计算各个模态在相应薄弱截面上产生的扭矩及疲劳寿命损耗。

4.2.5 由事件或扭振幅度启动式的扭振录波装置每次录波时间不应低于180s。

4.2.6 动模试验应作为轴系扭振保护装置型式试验的一部分，试验内容应包括验证其扭振转速测量、轴系和薄弱截面扭矩及疲劳寿命损耗计算的正确性。

4.2.7 轴系扭振保护(或录波)装置的录波数据应能转换成符合《量度继电器和保护装置 第24部分：电力系统暂态数据交换(COMTRADE)通用格式》GB/T 14598.24的通用数据格式。

4.2.8 轴系扭振保护(或录波)装置各端口对电磁兼容要求应符合《量度继电器和保护装置 第26部分：电磁兼容要求》GB/T 14598.26的规定。

5 保护动作判据

5.1 疲劳越限保护动作判据

5.1.1 疲劳越限保护实时监测扭应力幅度，当扭应力幅度达到或超过疲劳寿命曲线最低值时，保护装置疲劳寿命损耗开始累积；当扭应力幅度降低到疲劳寿命曲线最低值以下时，保护装置疲劳寿命损耗累积值清零。

5.1.2 当扭振疲劳损耗累积值超过报警定值时，轴系扭振保护装置应发出报警信号；如果进一步累积，扭振疲劳损耗累积值超过跳闸定值时，轴系扭振保护装置应发出跳闸信号。

5.1.3 轴系扭振保护应提供各个单一模态扭振时的模态转速与动作时间的反时限曲线，即保护动作曲线。

5.2 模态发散保护动作判据

5.2.1 模态发散保护实时监测机组各次同步模态扭振幅度，当任何一个模态持续发散时，发出报警或跳闸信号。

5.2.2 模态发散保护动作判据除应判定次同步扭振模态发散以外，还应有其他避免误动的限制措施。限制措施包括下列内容：

6 定值要求及其检验

6.1 定值要求

6.1.1 针对被保护机组的保护定值和动作特性应由轴系扭振保护装置供应商提供。

6.1.2 轴系扭振保护定值应保证被保护的汽轮发电机组轴系在系统各种运行工况下，避免任何形式的轴系固有频率扭振造成轴系损伤或者损坏。

6.1.3 轴系扭振保护定值应依据汽轮发电机组供应商提供的机组轴系各薄弱截面(包括发电机轴颈及联轴器)的疲劳寿命曲线计算和整定，机组疲劳寿命损耗应考虑轴系各薄弱截面的实际情况及其应力集中系数。

6.1.4 轴系扭振保护定值应依据轴系扭振疲劳寿命曲线(S-N曲线)适当保留安全裕度，但也应避免系统任何单一故障及其操作引起收敛性的轴系扭振导致保护动作，保护定值应在安全与可靠之间做好协调。

6.1.5 轴系扭振保护疲劳越限跳闸定值可取疲劳寿命损耗达到1%，若机组暂态扭矩放大问题严重，此定值不能躲过系统单一故障及其操作引起疲劳寿命损耗时，定值也可以适当提高，或者采取其他预防措施降低机组的暂态扭矩放大幅度。

6.1.6 轴系扭振模态发散保护定值应在确保轴系扭振为固有频率扭振失稳时尽快动作。发散持续时间宜在1s以上，若以疲劳寿命损耗为门槛值，此门槛值宜远低于疲劳越限保护动作值，如动作值的10%～20%。

6.1.7 轴系扭振保护报警定值应低于对应的跳闸定值，以保证报警早于跳闸一定的时间，具体定值可结合报警的用途及其要求确定。

6.2 定值检验

6.2.1 装置型式试验中，轴系扭振保护的动作特性与其定值的一致性及其正确性应通过动模试验(含轴系扭振仿真及疲劳寿命损耗计算)来检验或认证。

6.2.2 用于次同步谐振问题的轴系扭振保护，应针对具体工程的次同步谐振仿真结果进行动模试验和定值合理性检验。合理性检验应包括下列内容：

6.3 调试要求

6.3.1 保护装置投运前应检测轴系扭振保护使用的测速探头工作正确可靠。

6.3.2 现场测试时可采用信号发生器对保护定值曲线上的点进行抽样测试验证。

6.3.3 保护投产前宜进行轴系参数测量试验，验证轴系扭振模型及其参数，包括轴系固有扭振频率、并网运行时与轴系固有扭振频率密切相关的系统固有频率以及各次同步模态机头与机尾扭振幅度的相对大小。

6.3.4 在投运前应按相关标准的要求进行相关回路、接线的检查和传动试验。

7 对相关回路及设备的要求

7.1 输入信号及其接入要求

7.1.1 轴系扭振保护输入信号应包括转速、开关量，也可包括模拟量。具体包括下列信息：

7.1.2 轴系扭振录波输入信号应包括转速、开关量、模拟量。具体包括下列信息：

7.1.3 外部开关量输入应通过直流110V或220V继电器接入。

7.2 输出信号

7.2.1 轴系扭振保护输出信号应包括下列信息：

7.2.2 轴系扭振录波记录应包含故障前后一定时间内的信息量。

7.3 二次回路电源及其他

7.3.1 测速探头至轴系扭振保护之间的连接电缆应为双绞屏蔽电缆。

7.3.2 双重化配置的轴系扭振保护应由两组不同的直流电源供电，并设有专用直流断路器。

7.3.3 轴系扭振保护相关二次回路和装置技术要求应符合现行行业标准《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》DL/T 5136、现行国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285和现行行业标准《继电保护和安全自动装置通用技术条件》DL/T 478的相关规定。

附录A 轴系扭振模型等值方法与原则

附录B S-N曲线的经验计算方法

本标准用词说明

引用标准名录

条文说明

制定说明

1 总 则

1.0.1、1.0.2 本标准名称使用的是汽轮发电机组，但燃气轮发电机组也可能存在轴系扭振问题，若燃气轮发电机组安装轴系扭振保护装置，本标准也是完全适用的。

1.0.3 本条给出了轴系扭振保护设计的总体原则。由于轴系扭振保护的特殊性，包括轴段上的扭矩无法精确测量、保护测量值尚无检测标准和认证途径、涉及继电保护、系统仿真、机械制造等多专业因素，目前保护的定值均是由保护设备供应商根据机组轴系相关资料计算并与装置一并提供，因此，轴系扭振保护应考虑合理性、安全性和实用性这三个最基本的要求：

3 配置依据与原则

3.1 配置依据

3.1.3 轴系扭振模型及其参数是轴系扭振保护、次同步谐振或次同步振荡计算分析与风险评估的基础资料，轴系薄弱截面的扭振疲劳寿命曲线是轴系扭振保护定值计算和设定的依据，这些资料和依据应由汽轮发电机组设备供应商提供。若汽轮发电机组设备供应商无法提供，可由具备计算分析能力的协作机构根据设备制造资料计算。附录B给出了轴系扭振疲劳寿命曲线(S-N曲线)的经验计算公式，可作为研究时的参考。

3.1.4 为了保证轴系扭振模型的正确可靠，需要对待使用的模型进行校核。轴系扭振保护和次同步谐振(振荡)风险评估只能使用集中质量模型，因此，需要做两步校核。

3.2 配置原则

3.2.1 作为保护电厂主要设备安全的装置，汽轮发电机组轴系扭振保护要求应按双重化配置。在征求意见及评审时，部分专家认为该保护装置价格较高建议不做强制性要求，另有专家表示若不能实现双重化，当扭振保护装置退出运行时，机组需要陪停。

3.2.3 由于次同步谐振的频率较低，加上进行模态滤波时的延时很大，事后的事故或者动作分析需要较长时间的原始数据，有些保护装置可存储的数据量较少，有的只存储经模态滤波后的数据，不能满足事后分析的需要。随着系统中快速控制的电子装置与设备大量增加，引起次同步振荡的因素和概率也大幅增加，因此，本条规定配置轴系扭振保护的机组宜配置扭振录波设备及相应的扭振数据分析软件。这里的设备与软件可以是扭振保护装置具备完备的录波功能，也可是专门的扭振录波装置，或者是能够记录轴系扭振信号的其他录波或者监视设备。

3.2.5 轴系扭振保护动作正确性很大程度上取决于机组轴系扭振模型及其参数，虽然这些模型与参数来自设备供应商，但仍有必要在机组投产前进行轴系扭振参数测试，校核轴系扭振模型及其参数的可靠性，此时需要同时测量机头和机尾的扭振幅度等，并与模型进行比对，因此本条文做此规定。为了保证测量的精度，建议测速齿轮的齿数不低于60。

3.2.6 关于测速探头，部分专家认为使用扭振传感器更具有普遍性，而且扭振传感器的种类也很多，如转速类的电涡流探头、感应探头、激光探头等，还有应变仪、光学解码器、加速度计等其他类的。目前，转速类的探头在发电机组的转速控制中广泛应用，而应变仪、光学解码器、加速度计由于复杂性及可靠性等方面的原因，在轴系扭振保护中尚没有应用。目前已有工程应用的轴系扭振保护均是使用普通磁阻测速探头(感应探头)，通过测量转速、计算扭振转矩实现对机组轴系的扭振保护。

3.2.7 机组轴系扭振次同步模态转速信号在指定位置的可观测性可通过机组轴系扭振振型曲线进行判断，在轴沿线指定处的可观测性与振型曲线在对应位置的相对数值有关，其相对数值的绝对值越大可观测性越好，假设振型曲线的最大值为1，则机头或者机尾处的振型绝对值越接近1越好，若高于0.3可以认为该模态在此处是可观测的。

3.2.8 当次同步扭振频率高于90%的工频频率时，可认为接近工频。在实际工程中，有时因为需要安装的测速探头较多，难以满足以轴心为参考的水平相对安装的要求，则至少应实现相对安装，即两个探头相差180°。这种双探头方案更便于滤除弯曲振动等所产生的工频干扰。

4 装置功能及技术要求

4.1 装置功能

4.1.1 “不同严重程度”是指轴系扭振从缓慢收敛、等幅震荡、缓慢发散到快速发散的不同严重程度。

4.1.2 在部分产品说明或资料文献中，“模态发散保护”有时也称为“静态失稳保护”；“疲劳越限保护”有时也称为“反时限疲劳保护”或“截面疲劳保护”或“疲劳保护”。

4.2 技术要求

4.2.2 轴系扭振保护主要依赖于实时检测轴系特定位置的扭振转速，因此，需对扭振转速测量准确度提出要求。鉴于扭振转速的测量、定义和检测尚没有统一的标准，也没有第三方检验与认证手段，因此，仅给出了笼统的“满足保护可靠动作要求”。后面几条技术要求也有类似的情况，这些要求的落实最终将在第6章的“定值要求及其检验”中实现。

5 保护动作判据

5.1 疲劳越限保护动作判据

5.1.3 由于机组轴系扭振疲劳寿命曲线是反时限的，即扭振幅度越高其寿命越短，由此计算得到的疲劳寿命损耗的动作曲线也一定是反时限的，因此，疲劳越限保护也被称为“反时限疲劳保护”。

5.2 模态发散保护动作判据

5.2.1 模态发散保护动作实际上是针对已经检测到的发散性的轴系扭振设定的一种快速动作的保护。

5.2.2 为了保证模态发散保护动作可靠，避免误判，该保护还增加了其他检测校核。首先需要保证检测发散的时间应具有足够的长度；其次应有一个扭振幅度门槛，目前国内厂商的扭振保护均设定了疲劳寿命损耗门槛，国外有的厂家采用了扭振幅度门槛和持续时间门槛双重校核。

6 定值要求及其检验

6.1 定值要求

6.1.1 由于轴系扭振测量尚无计量和检测标准，更没有第三方认证，且轴系扭振保护具有专业性强、涉及面广、用户难以正确定值的特点，因此，要求保护设备供应商提供定值并保证其正确性。

6.1.4 有时机组轴系因系统故障或操作引起巨大的暂态扭矩放大，以至于即使暂态后的扭振快速收敛，仍旧会造成机组轴系的损坏，轴系扭振保护对此种暂态扭矩放大是无能为力的，这种暂态扭矩放大需要通过合理的预防抑制措施、限制运行方式或其他措施加以解决。

6.1.5 机组轴系设计一般能够承受电力系统单一故障及其操作(三相重合闸除外)的暂态扭矩引起的疲劳寿命损耗(通常在1%以内)，但是，当电力系统增加串补或者其他原因造成机组暂态扭矩放大问题严重时，单一故障及其操作引起的疲劳寿命损耗可能超过1%，此时可以适当提高定值，以避免不必要的切机及其导致的更大疲劳寿命损耗。实际定值可根据保护动作切机可能的概率和轴系的期望寿命进行选取，轴系扭振保护切机的发生概率低，定值可以高一些，反之不可太高。

6.1.7 例如若将报警信号用于启动安全自动装置旁路串补以消除次同步谐振根源，从而避免切机，则此报警定值宜保证这一目标能够实现。

6.2 定值检验

6.2.1 本条检验要求是型式试验的要求。此检验重点应关注测试系统及其机组的轴系扭振仿真及其结果的正确性，机组机头、机尾转速信号到测速齿轮运动和测速探头输出信号的转换过程的正确性，不同试验方式下保护装置试验动作结果与仿真和计算的推理动作结果的一致性，以及相同试验方式下保护装置测量到的扭振疲劳寿命损耗与仿真计算结果及其对应截面疲劳寿命损耗评估计算结果的一致性等。

6.2.2 由于串补通常会引起机组轴系暂态扭矩放大，相同条件下有串补时的轴系暂态扭矩较无串补时高，有的系统或者工程单一故障引起的疲劳寿命损耗超过1%，为了避免保护误动，应针对含串补的具体系统、机组及各种系统常见故障等暂态问题进行动模试验和保护定值合理性检验。同时，也宜对机组不同严重程度的扭振相互作用进行动模试验和保护定值合理性检验。

6.3 调试要求

6.3.3 轴系扭振参数测试可以验证供应商提供轴系模型的准确性。已有的现场试验表明，有的工程实测频率等和设计值吻合较好，重要模态频率相差0.2Hz以内；有的工程偏差较大，达到1 Hz～2 Hz，有的甚至超过2 Hz。