呂勝利，劉衛(wèi)東，張德寬，劉彥肖，李俊偉

（1.國(guó)電菏澤發(fā)電廠，山東 菏澤 274000；2.華能濟(jì)寧電廠，山東 濟(jì)寧 272100；3.華能沾化熱電廠，山東 沾化 256800）

0 引言

隨著熱工保護(hù)技術(shù)的發(fā)展,DCS及PLC等微電子產(chǎn)品在熱控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其中機(jī)側(cè)大、小機(jī)ETS系統(tǒng)普遍采用運(yùn)算速度較快且硬件更可靠的PLC來實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。但在某些保護(hù)柜中強(qiáng)電回路與弱電回路同時(shí)存在，強(qiáng)電回路用繼電器與弱電回路用繼電器在同一板件中無法有效分離，當(dāng)兩個(gè)電路之間電位差發(fā)生波動(dòng)，就會(huì)有由電位差產(chǎn)生的電流流過它們之間的絕緣介質(zhì)，這時(shí)彼此相臨的兩條線路可以看作是一個(gè)電容器的兩極，這就是芯線之間的耦合電容。當(dāng)強(qiáng)電系統(tǒng)受到干擾，如出現(xiàn)直流接地的情況下，雖然熱工與電氣相聯(lián)系的信號(hào)電纜通過屏蔽層單端接地等措施有效地抵抗了電纜通道上的干擾，但是由于控制柜內(nèi)布線之間的分布電容及板件上印刷線路之間分布電容的存在，會(huì)將干擾通過信號(hào)線引入熱工保護(hù)回路，此時(shí)若采樣電源與干擾信號(hào)能夠構(gòu)成回路，就會(huì)將干擾電壓引入到基于微電子設(shè)備的熱控保護(hù)回路，造成保護(hù)誤動(dòng)作。下面以在某300 MW機(jī)組發(fā)生的一起電跳機(jī)保護(hù)誤動(dòng)事故為例進(jìn)行介紹。

1 事故經(jīng)過

某機(jī)組正在正常運(yùn)行，突然機(jī)組解列，汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)首出顯示為發(fā)電機(jī)故障動(dòng)作，發(fā)電機(jī)保護(hù)顯示為主汽門關(guān)閉動(dòng)作，光子牌報(bào)電氣直流系統(tǒng)接地，兩套保護(hù)系統(tǒng)首出原因互相矛盾。

2 事故原因分析

事故發(fā)生后熱工、電氣保護(hù)人員檢查各自回路及跳閘信息，發(fā)現(xiàn)三個(gè)情況:①SOE記錄首先主汽門關(guān)閉，然后油開關(guān)跳閘。②當(dāng)天天氣陰有小雨，事故發(fā)生時(shí)造成電氣直流110 V+接地，SOE記錄到的頻率最高有50 Hz左右，實(shí)際某些未記下頻率應(yīng)當(dāng)高出許多。③檢查大機(jī)ETS系統(tǒng)采樣用直流24 V電壓，對(duì)大地為24 V，說明24 V負(fù)端接地，經(jīng)檢查測(cè)量確認(rèn)一根負(fù)端芯線絕緣層被擠破接地。

初步判斷為汽輪機(jī)先跳，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)解列，汽機(jī)跳閘原因與電氣直流接地有關(guān)。

綜合熱工、電氣回路畫出電跳機(jī)保護(hù)回路圖，圖1為電氣柜保護(hù)板件繼電器圖，圖2為電氣保護(hù)柜內(nèi)板件至端子排示意圖，綜合圖1、圖2、及熱工回路得到圖3電跳機(jī)保護(hù)等效電路圖。

圖1 電氣柜保護(hù)板件繼電器圖

圖2 電氣保護(hù)柜內(nèi)板件至端子排示意圖

圖3 電跳機(jī)保護(hù)等效電路圖

圖 3 中的 C1、C2、C3、C4 為電氣柜內(nèi)板件印刷線路之間與芯線之間的分布電容。讀圖可知，C1、C2耦合的電壓加在了24 V正端對(duì)ETS系統(tǒng)PLC輸入通道無影響，可不予以考慮；C4耦合的電壓雖加在了通道正端，但為負(fù)電壓，因此對(duì)PLC輸入通道亦無影響，可不予以考慮；因此，最后只剩下耦合電容C3的作用。又由于在檢查中發(fā)現(xiàn)PLC采樣24 V直流電源負(fù)端接地，電氣直流系統(tǒng)也通過檢測(cè)大電阻接地，因此兩個(gè)電源為共地系統(tǒng)。對(duì)圖3簡(jiǎn)化得到圖4，對(duì)圖4進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到圖5，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)圖5實(shí)際為經(jīng)典的一階RC微分電路。

圖4 進(jìn)一步簡(jiǎn)化等效電路圖

圖5 最終簡(jiǎn)化等效電路圖

圖6為典型微分電路輸入輸出響應(yīng)曲線，下面僅就輸入信號(hào)上升沿做簡(jiǎn)要說明：由微分電路基本原理可知，在輸入端電壓突然上升時(shí)，由于電容電壓不能突變，在0時(shí)刻可理解為短路，此時(shí)輸出電壓VR大小等于輸入電壓，隨后電容被快速充電大約經(jīng)過3 τ（微分電路時(shí)間常數(shù)τ=RC3）后VC電壓與輸入電壓相等，輸出電壓VR降低到零。即當(dāng)輸入端有一電壓突變時(shí)，在微分電路的輸出端會(huì)有一寬度為3 τ的電壓脈沖。

圖6 微分回路輸入輸出響應(yīng)

下面以圖5、圖6為基礎(chǔ)進(jìn)行定性分析：

根據(jù)當(dāng)時(shí)事故后SOE記錄情況，在事故發(fā)生前電氣直流+110 V頻繁接地，頻率有50 Hz左右，在實(shí)際的直流接地中會(huì)出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，頻率要高出很多，因此在圖5中Vi可以看做是幅值為+110 V，寬度tw為從20 ms至可能小于1 ms的一系列脈沖信號(hào)。

電容C3的大小根據(jù)《施耐德PLC系統(tǒng)接地與電磁兼容性》提供的數(shù)據(jù)為100 PF/M（1 mm芯線緊密相靠、最大），我們的經(jīng)驗(yàn)值為平行電纜芯線間400 PF/M，實(shí)際測(cè)量值為180 PF/M。電氣柜內(nèi)線把長(zhǎng)度大約在1.5 M左右，因此圖5中分布電容C3≈270 PF。

ETS保護(hù)柜卡件DI通道相關(guān)參數(shù)及檢測(cè)情況：①輸入阻抗R，在無電流情況下測(cè)量阻抗約為0.99 MΩ。②事故后實(shí)際測(cè)試ETS保護(hù)柜PLC卡件DI輸入通道動(dòng)作參數(shù)：動(dòng)作電壓為7.2 V（門檻電壓），電流為4.14 mA，通道啟動(dòng)功率為0.0298 W，說明該裝置門檻電壓較低，啟動(dòng)功率極小。③根據(jù)該裝置系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間測(cè)試報(bào)告（SOE記錄），輸入信號(hào)與跳閘輸出信號(hào)最小時(shí)間間隔為2 ms，說明輸入通道的采樣時(shí)間，在考慮到CPU運(yùn)算、輸出通道時(shí)間、DCS系統(tǒng)SOE采樣時(shí)間等情況下，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 ms

通過以上參數(shù)及檢查數(shù)據(jù)說明PLC卡件DI輸入通道輸入端電壓VR（即圖5中微分回路輸出電壓）超過+7.2 V，且脈寬不超過1 ms時(shí)，就會(huì)使通道翻轉(zhuǎn)。

結(jié)合圖 5、圖 6，τ=RC3≈0.27 ms，符合構(gòu)成微分電路的必要條件 τ=RC3＜（1/5～1/10）tw。其中，VR寬度（3 τ）大約為 0.81 ms。

綜合上定性分析可知，干擾源、芯線及板件的分布電容、PLC輸入通道的輸入阻抗、ETS柜中采樣電源負(fù)端接地四個(gè)方面，滿足了構(gòu)成微分回路條件，亦滿足了使ETS系統(tǒng)中PLC通道動(dòng)作的條件。因此此次事故由電氣直流系統(tǒng)接地產(chǎn)生干擾，干擾被引入ETS系統(tǒng)，造成保護(hù)誤動(dòng)作的可能性最大。

3 模擬試驗(yàn)

在電氣保護(hù)柜內(nèi)進(jìn)行模擬。當(dāng)電氣直流+110 V拉弧高頻接地時(shí)，利用示波器觀察至ETS系統(tǒng)信號(hào)線上的信號(hào)，有向上、向下的尖脈沖信號(hào)存在。由于信號(hào)難以撲捉，僅鎖定住向下的脈沖，如圖7所示，說明了電氣直流高頻接地確實(shí)造成了脈沖信號(hào)被引入ETS控制系統(tǒng)。

圖7 在電氣保護(hù)柜內(nèi)模擬直流接地?fù)渥降降拿}沖信號(hào)

4 結(jié)語

在熱工保護(hù)中，對(duì)于取自電氣系統(tǒng)的信號(hào)，由于信號(hào)源側(cè)強(qiáng)電較多，電磁環(huán)境復(fù)雜，在熱工保護(hù)柜內(nèi)，往往忽視控制柜芯線及板件分布電容的影響，不注意采取防范措施；對(duì)于采樣用直流電源負(fù)端接地，可能會(huì)與干擾源構(gòu)成回路聯(lián)系，釀成保護(hù)誤動(dòng)事故。從前面的分析不難看出,造成此次事故的主要原因除去電氣直流接地外，還有三個(gè)方面：①控制柜內(nèi)芯線之間及板件電路之間存在分布電容，當(dāng)電氣熱工控制回路電壓產(chǎn)生突變，聯(lián)絡(luò)芯線之間有電位差時(shí)，分布電容的存在造成信號(hào)之間的相互干擾。②當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)輸入通道啟動(dòng)功率較小，無法抵抗較強(qiáng)干擾。③ETS系統(tǒng)采樣用直流電源負(fù)端接地，致使與干擾信號(hào)構(gòu)成回路，導(dǎo)致干擾信號(hào)竄入。

由于電氣直流接地、控制柜芯線及板件之線路之間的分布電容由于各種原因不可避免，防范措施為：在ETS保護(hù)柜內(nèi)增加大功率隔離繼電器，以增強(qiáng)抗干擾能力；ETS柜內(nèi)采樣用直流電源負(fù)端浮空，防止與外部干擾信號(hào)構(gòu)成回路，避免干擾信號(hào)竄入。