DL/T 5565-2019 汽轮发电机组轴系扭振保护设计规程

ICS27.100
P60  DL
备案号：J2766—2019
中华人民共和国电力行业标准
DL/T5565-2019
汽轮发电机组轴系扭振保护设计规程
Code for design of torsional stress relay for steam turbine generator set
2019-11-04发布2020-05-01实施
国家能源局发布

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)
次同步谐振是指串联电容补偿（串补）输电系统和汽轮发电机组在低于工频的一个或几个系统固有频率上相互交换能量的一种现象。次同步谐振包括三种形式，异步自励磁、扭振相互作用和暂态扭矩放大。
2.0.2次同步振荡subsynchronous oscillation(SSO)
次同步振荡是在电力系统运行平衡点受到扰动后产生的一种异常电气及机械振荡现象，此时电网与汽轮发电机组之间在低于工频的一个或几个扭振固有频率下进行显著的能量交换。次同步振荡不包括汽轮发电机组轴系刚体振荡，即低频振荡。
2.0.3轴系shaft system
机组的所有旋转部件完全连接组装好形成的转动系统。
2.0.4扭振torsional vibration
扭振是物体的扭转角振荡，通常是指旋转轴系沿轴心扭转角位移（扭曲）的振荡。
2.0.5扭振模态mode of torsional vibration
在受到扰动后，汽轮发电机组转子轴系各质量块之间存在轴系扭振，该扭振存在一个或几个固有频率，每一频率的扭转振荡称为一个扭振模态。
2.0.6扭振模态频率mode frequency of torsional vibration
每一个扭振模态的频率称为扭振模态频率，它是由轴系的质量分布及其转动惯量以及轴材料的机械特性决定的。
2.0.7扭振振型torsional mode shape
连接每个截面的扭振模态向量值形成的形态。

2.0.8疲劳寿命曲线(S一N曲线)stress一number curve
用来评价和估算材料的疲劳寿命损耗，反映材料在载荷作用下的扭应力范围和疲劳寿命循环次数之间关系的曲线叫作疲劳寿命曲线。其中疲劳寿命循环次数的定义为，在对称恒幅扭应力作用下，经循环次数N以后材料破损。
2.0.9疲劳寿命损耗fatigue life loss
材料试件发生破损所需的某恒幅应力循环次数叫作疲劳寿命。疲劳寿命损耗则是指部件在交变应力作用下产生的疲劳寿命消耗累积值（一般用百分数表示）。
2.0.10轴系扭振保护torsional stress relay(TSR)
轴系扭振保护是针对轴系固有扭振频率设计的保护装置，它监视固有扭振频率的轴系扭振幅度及其变化趋势，当扭振幅度发散或扭振引起的疲劳累积达到定值时，发出报警或跳闸命令。
2.0.11轴系扭振录波装置disturbance recorder for shaft torsional vibration
轴系扭振录波装置是针对轴系扭振设计的录波装置，它能够对表征机组轴系扭振的运行参数进行录波，并提供相应的次同步振荡特征参数的计算分析，还可为用户提供事故、事件后的状态分析。

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：
1连续质量模型下的轴系扭振频率及其振型曲线；
2轴系等效集中质量块个数及其转动惯量；
3集中质量块间联接弹簧扭转刚度；
4集中质量块的输入和输出功率；
5轴系薄弱截面的几何结构尺寸，包括阶梯轴直径及其倒角半径或扭应力集中系数等；
6各个薄弱截面的扭振疲劳寿命曲线(S一N曲线)。
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/T14598.24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/T14598.26的规定。

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