DL／T 5565-2019  汽轮发电机组轴系扭振保护设计规程

在受到扰动后，汽轮发电机组转子轴系各质量块之间存在辑 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 一个扭振模态，

2.0.6扭振模态频率

每一个扭振模态的频率称为扭振模态频率电气安全标准，它是由轴系的质 分布及其转动惯量以及轴材料的机械特性决定的

torsionalmodeshape

2.0.8疲劳寿命曲线（S一N曲线）

用来评价和估算材料的疲劳寿命损耗，反映材料在载荷作 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 命曲线。其中疲劳寿命循环次数N的定义为，在对称恒幅扭应 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

轴系扭振保护是针对轴系固有扭振频率设计的保护装置 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 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。

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，发出报警或跳闻命令。 2.0.11轴系扭振录波装置 disturbance recorder for shaft torsionalvibration 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。

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。

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。

3.1.4应使用连续质量模型

3.1.4应使用连续质量模型所得到的扭振固有频率及

汽轮发电机组轴系扭振保护应按双重化配置。 汽轮发电机组配置的两套轴系扭振保护宜分别安装在不

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 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 独组屏，

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

3.2.5配置轴系扭振保护的汽轮发

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

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

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 水平相对安装。

4.1.3轴系扭振保护装置应具有测速探买及装置异常

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。

4.1.5轴系扭振保护装置和轴系扭振录波装置应具有同步对时

4.2.1轴系扭振保护装置应实现被保护汽轮发电机组

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

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

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

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。

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

《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

《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。

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

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 角定值时，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

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 角定值时，轴系扭振保护装置应发出跳闸信号。

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： 1疲劳寿命损耗达到一定值； 2轴系扭振发散持续时间达到一定值；

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

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

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一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

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。

1%，若机组暂态扭矩放大问题严重，此定值不能躲过系统单 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 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

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 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 值的10%~20.%。

6.2.1装置型式试验中，轴系扭振保护的动作特性与其

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

验应包括下列内容： 1在系统发生各种单一故障情况下，如果轴系扭振是收敛 的，轴系扭振保护不应切机： 2在汽轮发电机组轴系扭振一个或多个模态发散时，应发出 模态发散保护跳闻信号； 3在汽轮发电机组轴系疲劳寿命损耗越限时，应发出疲劳越 限跳闸信号； 4轴系扭振保护的模态发散保护跳闸定值应避免汽轮发电 机组在拍频收敛时误动； 5轴系扭振保护各模态的出厂跳闸曲线应和实际动模试验 的检测结果相符

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

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 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

.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 传动试验。

7对相关回路及设备的要求

7.2.1轴系扭振保护输出信号应包括下列信息： 1 跳闸信号，用于跳开发电机，实现对发电机组轴系的保护； 2 故障及异常信号，用于监控、报警及远动信号； 3 保护定值信息、装置自检信息等。 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

业标准《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》DL/T5136、现 行国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T14285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/T478的 相关规定。

附录A轴系扭振模型等值方法与原则

汽轮发电机组轴系扭转振动计算模型常用连续质量模型和集 中质量模型两种。通常在进行精确的轴系扭转振动特性计算时采 用连续质量模型，而在进行机网耦合分析和机组扭振监测时采用 集中质量模型。 连续质量模型是基于轴系为一个具有分布参数的连续物理结 构，将其按分段原则，细分为一系列具有质量和刚度的轴段单元 并以传递矩阵的形式真实现轴系动力学特性，如图A一1所示 为保证轴系动力特性的真实性，一般大型机组轴系连续质量模型 的细分轴段达数百段。集中质量模型是将轴系分为若干集中质量 块，每两个质量块之间用无质量但具有刚度的理想弹簧联结，形成 多质量一弹簧系统，如图A一2所示

扭振监测保护使用集中质量等值模型，基于以现场监测点为 分界基准点，以连续质量模型下的轴系扭转振动特性计算结果为 基准进行调整和修正，主要对比两种模型下的固有频率和振型计 算结果，并采取调整集中质量块个数和分块边界的方式得到最合 适的等值模型。

疲劳寿命曲线（S一N曲线）经验公式估算法，其思路是以材 料抗拉强度极限为已知条件，在综合考虑结构应力集中、尺寸效 应、表面处理和初始平均应力等因素的情况下，基于理论研究和疲 劳破坏试验的经验系数对其影响进行修正。对于采用的疲劳极限 S。，引进技术用可承受10°次循环来替代，但对于监测可能发生次 同步谐振或次同步振荡的机组而言，该循环次数偏低，故本附录推 荐的引进技术近似算法仅供参考。该近似算法主要表述为： 1本简化估算法相关系数为偏安全估计，暂不考虑长叶片等 复杂结构，仅针对轴颈等结构简单部件； 2本简化估算法采用的疲劳极限S。，用可承受10°次循环 所对应的扭应力来近似代替； 3考虑到S一N曲线一般在双对数坐标系中，在103次循环～ 10°次循环范围内可用线性近似，本经验公式法估算S一N曲线的三点 分别是寿命为1次、103次和10°次循环作用对应的扭应力，计算公式

式中:Sn1o0 一寿命为1次的扭应力； Sn1o%——寿命为10°次的扭应力； S——寿命为10°次的扭应力，近似疲劳极限； : 14:

Sn 对初始平均应力修正后的疲劳极限； Su 材料的抗拉强度极限； Cp1o3. 寿命为103次的尺寸影响系数，常取1.0； Cp 疲劳极限的尺寸影响系数； K fsl 寿命为103次的应力集中系数； Kfs 疲劳极限（寿命为10°次）的应力集中系数； Cs 表面影响系数，常取0.9； CL 负荷影响系数，常取0.6； Smean 初始平均应力。 4如图B一1所示的典型结构中存在过渡端面时，尺寸影响 系数CD为：

式中：r 倒角半径； D——变截面处大直径

式中：K.一 理论扭应力集中系数； Q一疲劳缺口敏感度； d一一变截面处小直径。 公式（B一5）～公式（B一9）的计算基于英制单位（长度为 nch，应力为psi），若使用国际单位（长度为mm，应力为MPa），则 相关公式应修正为：

1为便于在执行本标准条文时区别对待，对要求严格程度不 同的用词说明如下： 1)表示很严格，非这样做不可的： 正面词采用“必须”，反面词采用“严禁”； 2)表示严格，在正常情况下均应这样做的： 正面词采用“应”，反面词采用“不应”或“不得”； 3）表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的： 正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”； 4)表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用“可”。 2条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符合... 的规定”或“应按…执行”

1为便于在执行本标准条文时区别对待，对要求严格程度不 同的用词说明如下： 1)表示很严格，非这样做不可的： 正面词采用“必须”，反面词采用“严禁”； 2)表示严格，在正常情况下均应这样做的： 正面词采用“应”，反面词采用“不应”或“不得”； 3）表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的： 正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”； 4)表示有选择，在一定条件下.可以这样做的，采用“可”。 2条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符合... 的规定”或“应按执行”

《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T14285 《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 《量度继电器和保护装置第26部分：电磁兼容要求》GB/T 14598.26 《继电保护和安全自动装置通用技术条件》DL/T478 《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》DL/T5136

中华人民共和国电力行业标准

汽轮发电机组轴系扭振保护

DL/T5565—2019

《汽轮发电机组轴系扭振保护设计规程》DL/T5565一2019， 经国家能源局2019年11月4日以第6号公告批准发布。 在标准制定过程中，编制组在收集和了解相关的国际先进技 术、国际标准的基础上，遵循现有继电保护设计国家和行业标准： 充分考虑汽轮发电机组轴系扭振保护的特殊性，主要针对保护装 置的配置依据与原则、保护原理、动作判据、定值原则、定值合理检 验、校验和试验确认、安装设计等方面提出了明确的规范或要求。 为便于广天设计、运行、科研等单位有关人员在使用本标准时 能够理解和执行条文规定，《汽轮发电机组轴系扭振保护设计规 程》编制组按章、节、条顺序编制了本标准的条文说明，对条文规定 的目的、依据以及执行中需注意的有关事项进行了说明。但是，本 条文说明不具备与标准正文同等的法律效力，仅供使用者作为理 解和把握标准规定的参考

总 则 (25) 配置依据与原则 (26) 3. 1 配置依据 (26) 3. 2 配置原则 (26) 装置功能及技术要求 (28) 4. 1 装置功能 (28 ) 4.2 技术要求 ( 28 ) 保护动作判据 (29 ) 5.1 疲劳越限保护动作判据 (29) 5.2 模态发散保护动作判据 (29 ) 定值要求及其检验 (30) 6.1 定值要求 (30 ) 6.2 定值检验 (30) 6. 3 调试要求 (31)

总 则 配置依据与原则 (26) 3. 1 配置依据 (26) 3. 2 配置原则 (26) 装置功能及技术要求 (28) 4. 1 装置功能 ( 28 ) 4.2 技术要求 ( 28 ) 保护动作判据 (29) 5.1 疲劳越限保护动作判据 (29) 5. 2 模态发散保护动作判据 (29) 定值要求及其检验 (30) 6.1 定值要求 (30) 6.2 定值检验 (30) 6.3 调试要求 (31)

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： （1）合理性。原理上相对较合理，兼顾考虑设备与电网系统分 析的精度要求和运算能力。 （2）安全性。当较难把握计算仿真结果与实际情况的差别时， 尽量用偏安全的处理方式。 （3）工程实用性。工程实践应用较方便，可靠性较高

北京标准规范范本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

3.1.3轴系扭振模型及其参数是轴系扭振保护、次回步谐振或次 司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 共应商无法提供，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一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 佳中质县型国业零西做西正桥城

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

3.2.1作为保护电厂主要设备安全的装置 钢管标准，汽轮发电机组轴系扭

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

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。