随着我国汽轮发电机组单机容量的增加,转子结构日趋复杂,此外我国电力资源大多需要远距离输电从而需要投入串补装置或采用高压直流输电形式,这些因素都使得汽轮发电机组发生扭振故障的风险加剧。机组发生扭振除造成功率振荡外,还会引起轴系的扭转疲劳损伤,威胁机组的安全运行,因此开展对汽轮发电机组扭振故障机理和轴系安全性的分析具有重要意义。本文深入研究汽轮发电机组扭振发生的机理,对扭振中的小信号稳定性、暂态力矩特性进行定性和定量分析,结合轴系疲劳损伤计算方法,开发面向工程实际的汽轮发电机组扭振在线监测与保护系统,为机组安全稳定运行提供保障。首先,按照扭振故障形式将其分为冲击类和共振类故障,对扭振故障发生机理和故障特性进行研究。其中针对冲击类扭振故障重点分析了轴系的暂态扭力矩响应特性;而次同步振荡发生机理复杂,涉及机电网多种因素,本文对次同步振荡的各种诱因及故障形成过程进行定性分析,并建立待研究系统的全系统线性化模型,利用复转矩系数法定量计算50Hz内系统的全频段阻尼,从负阻尼特性角度深入研究次同步振荡发生的机理,分析影响次同步振荡的主要因素。其次,采用基于多段集中质量轴系模型的机电网联合仿真方法,研究扭振故障的暂态力矩特性。目前在次同步振荡时域仿真中常用的是轴系的简单集中质量模型,其在描述机网间耦合振荡行为时与实际情况存在偏差。为此对简单集中质量轴系进行了扩展,采用多段集中质量模型,并分别利用传递矩阵-逐步积分法和解耦降阶方法计算轴系的扭振响应,实现基于PSCAD统一平台的机电网联合仿真,更准确反映机网之间的耦合振荡,并得到轴系局部的扭矩和应力信息。再次,基于扭振故障下轴系的扭转疲劳损伤计算结果,对机组的安全性进行分析。在轴系疲劳损伤计算中除考虑轴系的各个危险截面以外,还考虑了叶片和联轴器等薄弱环节的受力情况。通过建立转子-叶片的耦合分析模型,采用传递矩阵法计算机组扭振故障下叶片的响应;利用有限元法计算联轴器传递不同扭矩时,联轴器及其连接螺的剪切力。考虑平均应力、应力集中系数等因素的影响,对基于扭转疲劳试验数据获得的轴系材料S-N曲线进行修正。最后,将汽轮发电机组的扭振故障诊断和安全性分析方法用于工程实践,研发了轴系的在线监测与保护系统。根据中广核某核电厂的工程需求,结合扭振故障诊断和安全性分析理论,基于B/S模式开发了汽轮发电机组轴系扭振在线监测系统,实现对扭振状态实时监测、故障诊断等功能,并针对冲击类扭振故障和次同步振荡采用不同的响应计算方法,可快速、准确地对轴系扭振安全性作出评价;基于C/S模式研发用于汽轮发电机组扭振的保护装置并用于工程实践,以疲劳损伤为主要依据,制定不同级别的保护逻辑,既能对机组实施及时的保护,又能有效避免不必要的保护动作。