水电站机械液压过速保护装置仿真试验台及试验方法

摘要

本发明公开了一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验台及试验方法，试验台包括平台支架、变频电机和回转系统，所述变频电机通过联轴器经中心轴与回转系统相连；在中心轴上安装有测速齿盘，在测速齿盘的一侧设置有测速传感器，所述测速传感器通过信号线与控制柜的PLC控制器连接；在平台支架上安装有固定支架，在回转系统上安装有夹具；所述控制柜的PLC控制器还通过信号线分别与变频电机和设置在液压换向阀组上的微动开关连接。本发明的积极效果是：操作方便，只需将过速保护装置拆下，安装在仿真试验台上即可，可以随意增加试验次数，不会对机组产生破坏和疲劳损伤；可靠性高，调节方便，效率高，节能，环保。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验台及试验方法。

背景技术

随着对电站运行安全的要求提高，目前电站基本上都设置了纯机械液压过速保护装置。该装置是在机组电气一级过速、二级过速均失效之后的最后一道用于紧急停机的保护，它可以在不需要任何电源的情况下工作，在机组出现事故，转速达到设定的报警值时直接操作液压回路来直接关闭机组接力器和（或）机组进水主阀。

机械过速装置主要由飞逸探测器和液压换向阀组两部分组成：飞逸探测器固定在大轴上随大轴一起转动，液压换向阀组则固定在基坑周围。飞逸探测器前端是一个被弹簧压紧的离心块，液压换向阀组的前端是一个触碰装置（即凸轮、突出弧形部分）。安装时，确保离心块与触碰装置正对时的间距D1符合产品使用规定(不同过速装置的安装间距不同，常为1.5mm，3mm)。其基本原理是利用离心力的原理使探测器伸出、撞击液压换向阀组的触碰装置，进而触发紧急停机液压回路。

飞逸探测器在随着大轴转动的过程中，在水平方向上受到向外的离心力与机组转速的平方成正比：F=m rω??，同时探测器会受到一个预紧弹簧与限位机构的反向作用合力N。机械过速装置的动作过程如下：

Step1:当机组转速≤额定转速n₁时，弹簧处于稳定的预压缩长度；

Step2:当机组转速升高，使得离心力F＞N的时候，飞逸探测器离心块则开始向外侧伸出（此时探测器脱离限位机构，N=弹簧的作用力），弹簧进一步压缩来平衡离心力的增加，同时，离心块的旋转半径r也增加了Δr。

Step3:当机组瞬时转速n继续升高达到最高级别过速整定值n₂时（一般是第三级过速），飞逸探测器离心块伸出的距离Δr≥安装间距D1，离心块将撞击固定在一旁的液压换向阀组的触碰装置，阀组随即切换紧急关机液压回路，最终达到关机的目的。

机械过速装置能否在事故发生时可靠地保护发电机组，关键在于飞逸探测器能否在精度范围内可靠动作以及换向阀组是否能够灵活换向，即：n=n₂与Δr=D1是相关的等式，在装置的精度范围内必须同时成立。

以上讲述了机械液压过速保护装置的结果和基本原理，下面我们讲讲该装置的现场真机过速试验和静态校验。

由于机械液压过速保护装置是整个电站出现重大事故之后防止扩大成灾难性事故的最后一道保护，也是最重要的一道保护，所以国家对此极为重视！机组第一次投运、机组定期大修完毕之后都需要做过速试验。飞逸探测器的弹簧长期处于压缩和复杂机械振动的状态，其刚度值会随着运行的时间推移而发生变化（这种变化一般是刚度值变小），所以即便第一次试验是准确的，运行一定时间之后也可能改变，所以各个电站根据自身的特点一般2~3年会做一次定检。

但是真机过速试验有其自身的弊病：

（1）这种试验完全属于破坏性试验，就像实地消防演练一样，需要机组转速n超过最高级别的事故转速（一般都是n₂≥150% n₁）的时候才能测试出机械过速装置是否能准确动作，往往整个厂房都在剧烈振动，每次做完这个试验都会对整个发电机组带来严重的机械磨损和损伤，产生大量烟尘，减少机组使用寿命，耗能且不环保。

（2）每次真机过速试验后还需对整个机组做个全面体检，并重新调整轴承导瓦间隙等多项复杂的工作。有些电站在第一次试验不成功的时候就很不愿再继续这种破坏性试验，但仍然要么选择重复试验，要么选择信任该设备可靠并投运。

鉴于以上弊病，有些电厂采取了静态校验方法：

用拉力计或配重的方式模拟动作转速时对应的离心力N2，此时用测距仪测量离心块伸出的长度Δr是否等于D1，如果不是，则调整弹簧端部的调节螺母，改变弹簧的预压缩长度，使得Δr=D1。

静态校验方法可以避免对机组产生的破坏，也可以省去很多繁杂的对发电机组的检验和调整工作，然而，由于静态试验是通过理论计算的方式完成的，其综合误差很大，主要来自于以下几个方面误差的累积，不能保证装置的可靠性和精度：

（1）从前面所讲“step2”中可知，当探头伸出后弹簧的力在变，离心块的质量中心在变，弹簧的质量中心也在变，弹簧本身也承受着离心力的作用而压缩，所以其作用在离心块上的N实际也是一个近似值；另外，对于不同的弹簧、不同的机组大轴直径而言，这两种改变对结果的影响程度不同。总体来讲，这些影响是比较轻微的，所以往往计算式作为一个误差忽略了。

（2）即便探测器动作精准，但是阀组未必可靠动作。换向阀组的触碰装置是纯机械的棘轮机构，有其固有的触碰行程和重复性偏差。当离心块从切向撞击凸轮的弧面时，并非一接触就动作的，否则，棘轮机构也过于灵敏而导致误动。所以，探测器需要与凸轮碰撞到何种程度才能让触碰装置响应是不可计算的，而且对结果影响较大。

（3）经过长时间的运行，探测器和换向阀组的机械磨损、润滑、灵活性也会对装置的精度产生影响，这种影响相对小得多，但是却发生过由于卡死了不能动作的情况，导致机组飞车，导瓦烧毁，机组返修、重装。

综上所述，动态试验的破坏性强，静态校验的误差大，但是又不得不试验是水电站长期以来的一个矛盾。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验台及试验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验台，包括平台支架和设置在平台支架下部的变频电机、设置在平台支架上部的回转系统，所述变频电机通过联轴器经中心轴与回转系统相连；在中心轴上安装有测速齿盘，在测速齿盘的一侧设置有测速传感器，所述测速传感器通过信号线与控制柜的PLC控制器连接；在平台支架上安装有固定支架，在回转系统上安装有夹具；所述控制柜的PLC控制器还通过信号线分别与变频电机和设置在液压换向阀组上的微动开关连接。

本发明还提供了一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验方法，包括如下步骤：

步骤一、试验准备：将飞逸探测器安装在回转系统的夹具上，将换向阀组安装在固定支架上，确保换向阀组的触碰凸轮中轴线与飞逸探测器的离心块轴心对齐，并用标准通止规调整好安装间距D1；检查接线、安装和安全防护措施是否就绪；控制柜上电，复归至初始状态；

步骤二、输入原始参数弹簧刚度系数K，离心块质量m，旋转半径r，动作转速n₂，过速装置标称精度P，设定好开机速度曲线；

步骤三、仿真测试：

控制柜按照设定开机速度曲线提升回转系统的转速，待换向阀组动作之后进行制动，且在换向阀组动作时控制柜即刻记录换向阀组动作瞬间t0的转速瞬时值n_t0；

步骤四、将试验结果和理论值进行比较，并判断是否满足设定的精度要求：

（1）如果（|n_t0- n₂|）/ n₂＞P，则按如下子步骤进行校准：

1）按如下公式计算飞逸探测器预紧弹簧的调节距离ΔX：

KΔX=m r(ω_t0??-ω_n2??)，式中：ω_n2为动作角速度，ω_n2=2πn₂/60；ω_t0为换向阀组动作瞬间t0的角速度，ω_t0=2πn_t0/60； 

2）根据ΔX的值对探测器弹簧的预紧螺母进行调节并锁紧；

3）返回步骤三；

（2）如果（|n_t0- n₂|）/n₂≤P，则继续判断是否连续N次满足精度要求：

1）如果是，则进入步骤五； 

2）如果否，则返回步骤三；

步骤五、试验结束，填写试验报告。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

（1）不会对机组产生破坏和疲劳损伤；

（2）操作方便，只需将过速保护装置拆下，安装在仿真试验台上即可；

（3）试验成功率也是可靠性的一个重要指标，真机试验不可能反复做几次，那样对机组破坏严重，如果采用仿真试验台按照真机的旋转半径来做测试的话，可以随意增加试验次数，这样得出的结果才是值得信任的；

（4）相比静态校验精度的可靠性更高，调节方便，效率高，节能，环保。更重要的，电站直接真机试验从准备到试验结束后的机组检查重调需要耗时一周，而本发明的仿真试验（校验）方法可以在短短几个小时内完成。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明。

图1是本发明的仿真试验台的结构示意图。

具体实施方式

一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验台，如图1所示，主要包括：平台支架1、回转系统2、中心轴3、测速齿盘4、推力轴承5、联轴器7、变频电机8、稳定系统9、固定支架10、夹具11、控制柜等，其中：

平台支架1通过稳定系统9与大地基础刚性连接，所有设备均安装在此平台支架上。最下部的变频电机8通过联轴器7，经中心轴3与设置在平台支架1上部的回转系统2相连，传递动能和制动力。推力轴承5安装在中心轴3上，以限制中心轴3在高速旋转过程中的轴心跳动，同时给回转系统2提供向上的支撑力。中心轴3上安装了测速齿盘4，在测速齿盘4的一侧设置有一个电涡流传感器，所述电涡流传感器通过信号线与控制柜的PLC控制器连接，用于实时测量回转系统2的转速。固定支架10安装于平台支架1上，用于安装过速装置的换向阀组，夹具11则安装于回转系统2上，用于固定飞逸探测器，使探测器与回转系统同步旋转。

控制柜布置于仿真试验台操作安全距离之外的位置，用于操控整个仿真试验过程。在做仿真试验时，由控制柜直接控制变频电机8驱动回转系统2；测速齿盘4的每个齿经过试验台上的测速传感器（电涡流传感器）时，就向控制柜发出一个脉冲信号，这样控制柜就能实时测得回转平台的转速；当过速装置动作时，液压换向阀组上的微动开关也会发出一个电气信号传送给控制柜，控制柜即刻记录该时间点上的转速值n_t0，随即，控制柜向变频电机8输出制动力矩，直到仿真试验台停机。操作人员在控制柜上即可完成整个试验过程，试验过程中的各种信息将显示在人机界面上，同时试验记录也将自动保存。试验过程中，对试验回转平台和控制柜分别作有视频记录。

回转系统2可以满足300mm~2000mm旋转半径的机组过速保护装置的模拟条件，而且针对不同型号的机械过速装置具有通用性的工装夹具11。

变频电机8是整个仿真试验平台的动力，可以提供50~1000rpm的额定转速，同时可以对电机反向制动。变频器由设置在控制柜内的PLC控制器进行控制，可以按照设定曲线控制回转系统2的转速。

尽管变频器可以反馈转速，但为了保证测量的精度，我们设置了独立的测速系统，在回转系统2下端安装了一个同步转动的测速齿盘4，通过数齿的方式提高测速的精度和可靠性。

动作信号采集和蜂鸣报警用于准确及时确定保护装置动作时刻的转速。当液压换向阀组动作时，信号采集装置及时记录当前时刻的转速。

控制柜是整个仿真试验平台的中枢神经，用于控制整个仿真试验平台的运作，并对采集的各种信号进行记录、分析。采用人机对话模式。

本发明还提供了一种水电站机械液压过速保护装置仿真试验方法，包括如下步骤：

步骤一、试验准备：将飞逸探测器安装在回转系统2的夹具11上，将换向阀组安装在固定支架上，确保换向阀组的触碰凸轮中轴线与飞逸探测器的离心块轴心对齐，并用标准通止规调整好安装间距D1；检查接线、安装和安全防护措施是否就绪；控制柜上电，复归至初始状态。

步骤二、输入原始参数弹簧刚度系数K（可通过弹簧拉压试验机测试获得，或者根据弹簧出厂数据获得。即便有误差也没有关系，因为我们始终是以实际仿真测试结果作为反馈来调节飞逸探测器的弹簧预紧力的），离心块质量m，旋转半径r，机组额定转速n₁，动作转速n₂，过速装置标称精度P，设定好开机速度曲线。

步骤三、仿真测试：

控制柜自动进行仿真测试，按照设定速度曲线提升回转系统2的转速，待换向阀组动作之后进行制动，且在换向阀组动作时控制柜即刻记录换向阀组动作瞬间t0的转速瞬时值n_t0。

步骤四、将试验结果（即换向阀组动作瞬间t0的转速瞬时值n_t0）和理论值（即n₂）进行比较，并判断是否满足设定的精度要求：

（1）如果（|n_t0- n₂|）/ n₂＞P（P为过速装置标称精度P，通常为3%），则不符合精度要求，按如下子步骤进行校准：

1）先进行校准计算：计算公式为KΔX=m r(ω_t0??-ω_n2??)，式中：ω_n2为动作角速度，ω_n2=2πn₂/60；ω_t0为换向阀组动作瞬间t0的角速度，ω_t0=2πn_t0/60 

由此可知，通过仿真试验测出n_t0的值计算出ω_t0 ，即可解出飞逸探测器预紧弹簧的调节距离ΔX。

2）根据校准计算结果ΔX的值对探测器弹簧的预紧螺母进行调节并锁紧，具体的调节方法为：若ΔX为正值，则将弹簧向松开的方向调整|ΔX|距离；若ΔX为负值，则将弹簧向压紧的方向调整|ΔX|距离。

3）返回步骤三；

（2）如果（|n_t0- n₂|）/n₂≤P，则符合精度要求，则继续判断是否连续N（N通常大于等于5）次满足精度要求：

1）如果是，则进入步骤五； 

2）如果否，则返回步骤三；

步骤五、试验结束，填写试验报告。