汽轮机是在高温、高压下高速运转的机械，其旋转部件承受巨大的离心力，该离心力是与转速的平方成正比的，因此随着转速的升高，其离心力将快速上升。汽轮机的转子一般是根据额定转速的 115%～120%来设计的，一旦转速超过其强度极限，将造成叶片断裂、动静碰摩、甚至断轴等严重事故。汽轮机蒸汽参数高、流量大，机组甩负荷后转子动态飞升转速很高。所以，汽轮机超速保护系统是汽轮机保护系统中最重要的方面之一。为了防止汽轮机发生超速事故，汽轮机组都配备有超速保护系统。
一般汽轮机的自动保护系统，是由 OPC(超速保护控制) 、ETS(跳闸保护系统) 和机械超速保护系统组成，用于关闭汽阀并防止超速或遮断汽轮机。
汽轮机超速原因分析
调速系统故障 要保证汽轮机在额定转速下正常运行，而且甩负荷后转速升高不超限，调速系统正常工作是首要的条件。否则，汽轮机的转速极易飞升。具体原因主要有以下几点： ①调速汽阀故障，不能正常的关闭或者关闭不严密，漏汽量较大； ② 汽逆止门卡涩或者不严密； ③调速系统迟缓率过大，在甩负荷时，调速汽门不能迅速关闭而切断进汽； ④调节系统的速度变动率过大； ⑤调节系统整定不当，如同步器调整范围、配汽机构膨胀间隙不合等； ⑥调节元件缺陷如杠杆刚度不够、连杆卡涩等。
保护系统故障 ①自动主汽门或调速汽门卡涩，无法正常动作； ②抽汽逆止阀卡涩或不动作； ③危急保安器滑阀故障，无法正常动作； ④另一个很重要的原因就是危急保安器本身出故障，不动作或者动作转速过高。一般的保护系统对危急保安器的动作转速都设置为 1.10 n～1.12 n，它可以保证汽轮机的转速不至于上升过高。造成危急保安器不动作的原因主要有： ①飞锤或飞环导杆卡涩，不能正常飞出；②弹簧变形过大，产生摩擦影响动作；③打击板间隙过大，撞击子不能顺利撞击滑阀使其动作；④动静部件之间不协调，运行时造成阻碍。
运行或操作不当 ①电力系统线路故障，使发电机油断路器跳闸，汽轮机负荷突然甩到零； ②单个机组带负荷运行时，负荷骤然下降； ③正常停机过程中，解列的时候或解列后空负荷运行时； ④汽轮机启动过程中，闯过临界速度后应定速时或空负荷运行时； ⑤危急保安器做超速试验不当，转速飞升猛增； ⑥运行操作不当，如开启升速主汽门开得太快，停机过程中带负荷解列，或者同步器调整超过了规定范围。
同时也有转子本体设备的影响，转子更长、质量更大，转动惯量越大，甩负荷时其转子飞升速度也越大。同时也有参数和容量的影响。一旦由于某种原因导致汽轮机转子超速，就会对设备产生极大的损害，严重时还会发生飞车事故。随着汽轮机组参数的提高和单机功率的增大，机组的时间常数越来越小，甩负荷后飞升加速度更大，因此，一般制造厂都规定汽轮机的转速不允许超过额定转速的 1.10～1.12 倍，最大不允许超过1.15 倍。此外，为了更好的保护机组的安全，就必须严格监视汽轮机的转速并配备超速保护装置。
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汽轮机保护装置简介
目前大型汽轮机超速保护装置通常主要包括3个方面的内容：①超速预保护（即 OPC）；②常规机械超速保护装置（即危急保安器）；③电超速保护。 目前哈汽、东汽和上汽生产的 600 MW 等级超临界汽轮机超速保护装置的设计思路大体相同，所不同的是，各厂家根据的自己的设计思路和习惯，参数选取略有不同。表中列出了国内几大汽轮机厂的 600 MW 超临界机组超速保护系统的主要数据，为了更好地进行对比，表中还列出了相关亚临界机组的数据。北重生产的 600MW 超临界汽轮机超速保护装置则沿袭ALSTOM对带基本负荷机组的设计思路，没有设置OPC，而采用 ACC加速继电器保护，当汽轮机飞升转速达动作值时关小高中压调节汽门。
由表可知，当汽轮机转速达到或超过额定转速的 103%时，上汽和哈汽的超临界机组OPC 电磁阀同时泄去高压调节汽门和中压调节汽门的安全油，使高中压调节汽门快速关闭，防止汽轮机转速进一步升高；当转速达到或超过额定转速110%时，迅速关闭全部进汽阀门，使汽轮机跳闸，保护汽轮机。其 OPC的工作原理如图1 所示。而东汽的机组在汽轮机转速达到或超过额定转速的 103%时，OPC电磁阀只泄去中压调节汽门的安全油，瞬间降低中低压缸的做功能力，防止机组超速。
机械超速保护是机组超速110%保护不动或拒动时的紧急停机后备手段，当汽轮机的转速超过（110%～112%）n时，超速遮断装置动作，迅速切断汽轮机进汽，使汽轮机停止运转。危急保安（遮断）器主要有飞锤和飞环两种形式，它们的工作原理大体相同。下面以飞锤式为例，说明其工作原理。如图 2 所示，随着转速的升高，飞锤 2 的离心力增大，当转速升高到危急保安器动作转速时，飞锤的离心力将大于弹簧 3 的约束力，飞锤开始飞出。飞锤一旦飞出后，偏心距r增大，此时离心力与弹簧约束力同时增大，但离心力增大量大于弹簧力的增大量，使飞锤迅速飞出，一直飞到碰到限制凸肩F 位置。这种结构可以保证飞锤在一定转速下准确地出击，而且出击迅猛有力，急速打击危急遮断油门上的挂钩，使危急遮断油门脱钩，泄去安全油，关闭所有汽门，紧急停机。
电超速保护系统主要由转速发讯器、转速检测、判断卡件等组成，其主要功能有以下几个方面：①监视汽轮机转速；②当转速达到 1.12n时迅速泄掉安全油及二次油，使高、中压主汽门及调速汽门关闭；③在机组运行中进行在线超速试验。电超速保护系统工作过程如图 3 所示。
3，比较分析总结
机械式危急遮断系统较为复杂，对工作油的油质要求较高，油中带水、机械杂质等油液污染会对机械超速危急遮断系统产生锈蚀、卡涩的隐患。
机械危急遮断系统在机组大修后和机组运行期间，均要定期做注油试验和超速试验，必要时还要停机进行调整和再次试验。在试验中容易发生飞锤卡涩不能正常出击、危急遮断器滑阀不能正常远方挂闸，飞锤间隙调整不当而使机组跳闸等等，降低了机组稳定运行的安全系数，且由于复杂故障原因也难寻，影响了正常生产等。
而电超速保护系统的作用主要是当汽轮机一些重要的运行参数，如汽机超速、润滑油压过低时，发出紧急停机信号，从而关闭汽机的所有主汽门、调节汽门。它可以在机组甩全部负荷时降低机组的动态超速；它的投入是根据机组甩负荷时的电信号，与运行转速无关从而可以让调门更好工作；电超速保护反应速度快，有效性和可靠性都很高，而且易于维护。
考虑到机械超速保护的投运率以及电超速保护系统的可靠性，现在有些汽轮机的超速保护系统已经取消了机械式保护装置，只有电超速保护，以求简化系统。
对于国外电力行业所采用的超速保护系统，大多和国内的相似，但是也有一些区别。如美国通用电气公司（GE）采用的 MKV 数字式电液调节系统兼有电超速保护和机械超速保护，其电子超速跳闸设在 111.15% n0，机械超速保护装置的动作转速为（111%～112%）n0；瑞士 ABB 公司 600 MW超临界机组 ETSI 控制系统包括 EHC 遮断集成组件和 OSP遮断集成组件，EHC 的超速遮断设定值为 110% n0，而机械超速保护遮断设定在 112% n0；三菱公司设计的 OPC 超速保护在转速超过 107% n0时 OPC 才动作；东芝 600 MW 机组采用的是飞环式机械超速保护，设有后备超速保护，其动作转速为 111.5% n0；日立机组 D-EHG /HITASS 型数字电液调节系统采用的是 102% n0超速保护。
国外的一些机组（特别是带基本负荷的机组）已经取消了机械保护。如西门子公司在十多年前已经取消了机械式危急遮断装置。GEC-ALSTHOM（G/A）公司 600 MW 机组也取消了机械式危急保安装置 。
从国内看，目前北重-ALSTHOM 的 600 MW 超临界机组沿袭了 ALSTHOM 的做法，也取消了机械式危急保安装置。需要说明的是，北重ALSTHOM 的 600 MW 超临界机组采用无调节级的结构。
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