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作者：鄭曉敏

   近年來(lái)發(fā)電廠生產(chǎn)實(shí)踐暴露出現(xiàn)有的電源設(shè)計(jì)和供貨在不同程度上存在著安全隱患．引發(fā)了一些設(shè)備或系統(tǒng)故障甚至機(jī)組跳閘事件．影響著機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電網(wǎng)安全．本文通過(guò)一些典型案例分析熱控電源系統(tǒng)中存在的安全隱患．通過(guò)近兩年對(duì)熱控系統(tǒng)電源可靠性的研究，提出火力發(fā)電廠熱控直流電源系統(tǒng)可靠性配置方案．供電力行業(yè)在設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和運(yùn)行維護(hù)時(shí)參考。

1故障案例

1.1  直流電源接地引發(fā)機(jī)組主燃料跳閘

    2014年某天夜里，某電廠300 MW機(jī)組主燃料跳閘（MFT）保護(hù)動(dòng)作、機(jī)組跳閘。事發(fā)后運(yùn)行和熱控人員檢查發(fā)現(xiàn)MFT4個(gè)直流跳閘繼電器線圈(220 V)全部燒毀、繼電器失磁、保護(hù)誤動(dòng)作。

    從故障信息發(fā)現(xiàn)，220 V電源系統(tǒng)有3次顯示460 V的電壓、且電氣兩套直流系統(tǒng)均有直流接地報(bào)警，其中第一套顯示直流正極接地、第二套顯示直流負(fù)極接地，通過(guò)分析得出事故原因是由于220 V直流系統(tǒng)出現(xiàn)460 V電壓，燒損了線圈電壓為220 V的繼電器而造成機(jī)組停機(jī)事件。

    此外大部分電廠熱控采用雙路110或220 V直流電源供電二極管耦合方式，當(dāng)任意一段（套）直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)．將造成兩段直流電源監(jiān)測(cè)裝置均發(fā)出直流接地報(bào)警信號(hào)，在查找直流接地故障時(shí)，很難找到故障部位，如果處理不當(dāng)．將會(huì)造成機(jī)組停機(jī)事件的發(fā)生。

1.2  電源設(shè)計(jì)不合理觸發(fā)機(jī)組跳閘

    2013 -11-30T09:13．某電廠600 MW機(jī)組A修后在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中因ETS故障觸發(fā)機(jī)組跳閘。事后檢查發(fā)現(xiàn)，用于檢修操作、顯示用的觸摸屏供電回路保險(xiǎn)燒壞（觸摸屏內(nèi)部故障），將ETS系統(tǒng)電源電壓瞬間拉低至7 V, PLC系統(tǒng)卡件查詢(xún)電壓(24VDc)過(guò)低，機(jī)組潤(rùn)滑油壓低（常閉接點(diǎn)）閉合，觸發(fā)機(jī)組保護(hù)跳機(jī)。

    事后檢查發(fā)現(xiàn)，一是給觸摸屏供電的保險(xiǎn)容量偏大，負(fù)載故障時(shí)不能快速熔斷，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅度下降時(shí)間長(zhǎng)；二是觸摸屏電源設(shè)計(jì)不合理，觸摸屏作為顯示用，平常并不用于操作．非必須存在部件，其電源與保護(hù)回路共用電源，為故障埋下隱患。

    熱控電源系統(tǒng)異常導(dǎo)致機(jī)組跳閘多次發(fā)生．嚴(yán)重影響了火力發(fā)電廠機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行．是火力發(fā)電行業(yè)的共性問(wèn)題，需通過(guò)對(duì)熱控電源系統(tǒng)可靠性研究，提出解決方案。

2火力發(fā)電廠直流電源系統(tǒng)可靠性分析

2.1  直流電源系統(tǒng)可靠性分析

    典型的火力發(fā)電廠直流電源系統(tǒng)如圖1所示（圖1是110 V系統(tǒng)，220 V直流系統(tǒng)類(lèi)同）．熱控控制電源一般配備2套直流電源系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)2套直流電源系統(tǒng)沒(méi)有互連、獨(dú)立運(yùn)行。

    圖l中R+是正母線對(duì)地絕緣電阻（所有負(fù)載等效對(duì)地電阻），R_是負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻，R1、R2是直流絕緣監(jiān)察裝置配備的均衡電阻且RI=R2，R3是絕緣監(jiān)察繼電器的匹配電阻。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，R+和R_阻值很高（是R1或R2的10倍以上）且R1=R2，故直流母線對(duì)地電壓對(duì)稱(chēng)，分別為+55 V和-55 V。當(dāng)系統(tǒng)絕緣能力降低，R+或R_電阻減小時(shí)，將造成直流母線對(duì)地阻抗不同，正、負(fù)直流母線對(duì)地電壓不對(duì)稱(chēng)，如直流系統(tǒng)直接接地時(shí)．接地點(diǎn)對(duì)地電壓為“0”、非接地點(diǎn)對(duì)地電壓為+110或-110 V．絕緣監(jiān)察裝置就是根據(jù)直流母線兩級(jí)對(duì)地電壓不平衡進(jìn)行測(cè)量判斷的。

    圖1中2套（左段和右段）直流系統(tǒng)正常時(shí)獨(dú)立工作，為用電設(shè)備提供兩路獨(dú)立的直流電源，每套直流電源配備蓄電池、充電設(shè)備和相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，從而保證全廠失去交流電源后直流系統(tǒng)連續(xù)供電，保證重要設(shè)備的安全。當(dāng)各套直流系統(tǒng)發(fā)生對(duì)地絕緣能力降低或直接接地，不會(huì)造成2套直流系統(tǒng)相互影響（見(jiàn)圖2）。

2.2采用二極管耦合后的直流電源可靠性分析

    采用二極管將兩路直流電源在熱控側(cè)耦合（環(huán)）后的系統(tǒng)如圖3所示，目的是實(shí)現(xiàn)兩路直流電源供電無(wú)擾切換，提高熱控直流供電的可靠性。但實(shí)際對(duì)機(jī)組直流供電系統(tǒng)帶來(lái)更大的風(fēng)險(xiǎn)，使火力發(fā)電廠直流電源系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、故障查找難度加大，容易引起更大的故障。

    當(dāng)熱控側(cè)采用二極管將兩路直流電源耦合．左段（110 V直流電壓I,下同）直流母線負(fù)接地，右段直流母線正接地（見(jiàn)圖4），兩段直流系統(tǒng)由于二極管耦合作用，在熱控負(fù)載上的電壓變化如下。

    (1)左段直流負(fù)極接地，接地點(diǎn)對(duì)地電壓為“0”，由于蓄電池的兩段電壓固定，左段正母線電壓由正常的+55 V（對(duì)地）上升到+110 V（對(duì)地），左上部耦合(DI)二極管導(dǎo)通，負(fù)載正極電壓也從+55 V（對(duì)地）上升到+110 V（對(duì)地）。

    (2)右段直流正極接地，接地點(diǎn)對(duì)地電壓為“0”，由于蓄電池的兩段電壓固定，右端負(fù)母線電壓由正常的-55 V（對(duì)地）下降到-110 V（對(duì)地）．右下部耦合二極管(D4)導(dǎo)通，負(fù)載負(fù)極電壓也從一55 V（對(duì)地）下降到-110 V（對(duì)地）。

    (3)負(fù)載正極電壓從+55 V(對(duì)地)上升到+110V（對(duì)地），負(fù)載負(fù)極電壓從-55 V(對(duì)地)下降到

-110 V（對(duì)地），負(fù)載兩段電壓變成220 V,是原來(lái)110 V電壓的2倍，長(zhǎng)期工作將造成負(fù)載燒損．這就是本文故障案例1中繼電器燒損的原因。

    當(dāng)熱控側(cè)采用二極管將兩路直流電源耦合．右段直流正母線接地（見(jiàn)圖5，絕緣降到零）時(shí)，兩段直流系統(tǒng)由于二極管耦合的作用，直流母線和負(fù)載電壓變化如下。

    (1)接地點(diǎn)對(duì)地電壓為“0”，由于蓄電池的兩段電壓固定，右段負(fù)母線電壓由正常的-55 V

（對(duì)地）下降到-110 V（對(duì)地），右段負(fù)母線對(duì)地電位最低、故右下部耦合二極管(D4)導(dǎo)通，負(fù)載電位也從-55 V（對(duì)地）下降到-109 V(扣除二極管壓降1  V)；由于右段正母線對(duì)地電位為零、相對(duì)左段正母線(+55 V)對(duì)地電位低，左上部耦合二極管( Dl)導(dǎo)通，造成左段正母線對(duì)地電位由+55 V降低、極限到對(duì)地電位為“0”，這樣左段直流系統(tǒng)對(duì)地電壓發(fā)生很大的變化，絕緣監(jiān)察裝置發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)，這種工況由于2套直流系統(tǒng)對(duì)地阻抗不同，負(fù)載上的電壓有不同情況的變化（高于正常電壓）。

    (2)熱控直流電源在負(fù)荷側(cè)采用二極管耦合．當(dāng)右段直流接地時(shí)，影響到正常運(yùn)行的左段直流系統(tǒng)并發(fā)出直流接地信號(hào)，這樣給查找直流接地故障帶來(lái)了很大困難。

    以上2種情況產(chǎn)生的根源是熱控直流電源在負(fù)載側(cè)采用耦合二極管造成的，此類(lèi)事件已經(jīng)造成多次停機(jī)事件，必須徹底解決。

3解決方案

    DL/T 5044-2004、DL/T 5455-2012規(guī)程均對(duì)熱控用直流電源提出了具體要求，即不允許在直流負(fù)荷側(cè)將兩路直流電源并列運(yùn)行，但沒(méi)有給出解決問(wèn)題的方案，需要在操作層面研究具體的實(shí)施方法。DL/T 5428-2009規(guī)程規(guī)定熱工保護(hù)電源可以為交流或直流，但應(yīng)取可靠的兩路電源和采用可靠的切換裝置。經(jīng)過(guò)研究，對(duì)直流電源系統(tǒng)提出如下解決方案。

3.1  熱控110 V/220 V直流電源系統(tǒng)配置方案

    上述熱控負(fù)載側(cè)采用耦合二極管帶來(lái)的問(wèn)題，可采用直流電源專(zhuān)用切換裝置解決。

    直流電源專(zhuān)用切換裝置如圖6所示，圖中電氣直流1（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主電源）經(jīng)耦合二極管直接輸出．電氣直流2（以下簡(jiǎn)稱(chēng)備用電源）經(jīng)耦合二極管串聯(lián)接觸器兒觸點(diǎn)（直流電源專(zhuān)用切換裝置輸出的接點(diǎn)）并聯(lián)到輸出端。2個(gè)獨(dú)立的輔助電源輸入端分別取自電氣直流l和電氣直流2為裝置內(nèi)部的邏輯回路供電，以保證任何一路輸入失電時(shí)，裝置內(nèi)部邏輯不受影響。

    裝置正常工作時(shí)，主電源經(jīng)防反二極管Dl直接輸出．備用電源處于斷開(kāi)狀態(tài)即直流接觸器Jl斷開(kāi)。直流電源專(zhuān)用切換裝置的DC/DC處于熱備用狀態(tài)、輸出低于額定電壓5 010的電壓（110 V約105 V, 220 V約217 V）；當(dāng)處于工作狀態(tài)的主電源故障造成電壓跌落或失電時(shí)，直流電源切換裝置內(nèi)的DC/DC回路將輸出端電壓維持在額定電壓的95%以上：當(dāng)電壓值跌落到額定電壓的75%～80%時(shí)，裝置判斷該路電源出現(xiàn)故障，發(fā)出切換命令，切換過(guò)程中負(fù)載由DC/DC不間斷給負(fù)載供電，待接觸器Jl觸點(diǎn)閉合后，將輸出電壓切換到備用電源上，整個(gè)切換過(guò)程約為20 ms（見(jiàn)圖7）。

采用接觸器Jl的目的是保證負(fù)荷有足夠的短路容量并滿(mǎn)足直流系統(tǒng)斷路器或熔斷器配合的需要，且備用電源運(yùn)行時(shí)在熱控側(cè)直流接地通過(guò)兒觸點(diǎn)由電氣的絕緣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)視報(bào)警。

    利用直流電源專(zhuān)用切換裝置對(duì)在役機(jī)組熱控直流電源系統(tǒng)采用圖6或圖8的方案進(jìn)行改造。

    (1)在原兩路直流電源采用二極管耦合方式的基礎(chǔ)上．增加一路專(zhuān)用的直流電源專(zhuān)用切換裝置（見(jiàn)圖6）。圖6中切換裝置內(nèi)的DC/DC實(shí)現(xiàn)直流隔離作用，用來(lái)給負(fù)載提供不問(wèn)斷的直流電源輸出，電源監(jiān)視、故障檢測(cè)、失電報(bào)警是直流電源切換裝置內(nèi)的控制功能，二極管Dl、D2為實(shí)現(xiàn)直流無(wú)擾切換而設(shè)計(jì)：ZK1、ZK2是原有斷路器．ZK3是新增斷路器，正常運(yùn)行時(shí)三者均閉合。(2)原直流電源系統(tǒng)無(wú)二極管耦合，增加一路專(zhuān)用的直流電源隔離裝置（見(jiàn)圖8），原理同上。

3.2熱控電源系統(tǒng)采用全交流供電方案

    鑒于熱控系統(tǒng)主要采用交流供電，采用直流供電的設(shè)備很少，且大部分工程熱控系統(tǒng)采用兩路UPS供電，能保證全廠交流電源消失后一定時(shí)間內(nèi)的供電。通過(guò)調(diào)研論證，新建工程熱控系統(tǒng)宜全部采用交流供電，以簡(jiǎn)化熱控電源系統(tǒng)，減少電氣和熱控電源的交叉，減少電源系統(tǒng)造成的故障。熱控系統(tǒng)全部采用交流供電后，主要控制回路宜按下述配置。

    (1)鍋爐主燃料跳閘(MFT)繼電器回路

    采用雙通道交流供電（見(jiàn)圖9），兩路交流電源分別供兩套繼電器跳閘邏輯系統(tǒng)，當(dāng)一路電源異常時(shí)不會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)，當(dāng)機(jī)組故障時(shí)2套繼電器邏輯均動(dòng)作、觸發(fā)機(jī)組跳閘。

    (2)汽輪機(jī)跳閘電磁閥電源

采用雙通道交流控制電源，如圖10所示。

(3)汽輪機(jī)OPC電磁閥電源

采用雙通道交流或雙路直流24 V控制電源．如圖1 1所示。

    (4)雙通道跳閘回路設(shè)計(jì)

    采用雙通道設(shè)計(jì)后，如果執(zhí)行部件（如開(kāi)關(guān)、電磁閥等）是一個(gè)跳閘通道時(shí)，則雙通道出口繼電器與設(shè)備跳閘回路應(yīng)采用2個(gè)通道相“與”后再相“或”到設(shè)備的跳閘回路，既防止誤動(dòng)，又防拒動(dòng)。圖12左側(cè)是帶電動(dòng)作型跳閘回路、右側(cè)是失電動(dòng)作型。

    (5)其他系統(tǒng)

    如果不是雙通道設(shè)計(jì)的其他系統(tǒng)，除根據(jù)重要程度選用經(jīng)過(guò)交流切換裝置后的電源作為控制電源外，還應(yīng)保證交流電源切換裝置的切換時(shí)間滿(mǎn)足快速電磁閥（如抽氣逆止門(mén)、小汽輪機(jī)、汽輪機(jī)、鍋爐各種電磁閥等）的切換要求。

4結(jié)語(yǔ)

    本文針對(duì)火力發(fā)電廠熱控電源故障引起的機(jī)組跳閘事件和異常運(yùn)行現(xiàn)狀，分析其故障機(jī)理，制定了在役機(jī)組提高熱控直流電源可靠性的技術(shù)方案：提出了新建機(jī)組熱控電源全部采用交流供電的解決方案，即：

    (1)在役機(jī)組采用專(zhuān)用直流電源切換裝置，消除采用二極管耦合對(duì)直流電源系統(tǒng)的影響；

    (2)新建機(jī)組熱控電源優(yōu)先全部采用交流供電方案．簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)，提高全廠可靠性；

    (3)結(jié)合相關(guān)規(guī)程和反事故措施、制定定期工作標(biāo)準(zhǔn)，確保熱控電源系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。5摘要：針對(duì)火力發(fā)電廠由熱控電源故障引起的機(jī)組跳閘事件和異常運(yùn)行狀況，分析了其故障機(jī)理，并對(duì)熱控直流電源可靠性進(jìn)行了分析：在此基礎(chǔ)上，提出對(duì)在役機(jī)組采用專(zhuān)用直流電源切換裝置消除二極管耦合對(duì)直流電源可靠性的影響、對(duì)新建機(jī)組采用交流電源作為熱控控制電源的解決方案。