孔慶強(qiáng)，廖桂豫

（廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東　珠?！?19050）

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提升400?V?MCC低電壓穿越能力的研究與實(shí)踐

孔慶強(qiáng)，廖桂豫

（廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東珠海519050）

〔摘 要〕分析了某大型燃煤機(jī)組400V MCC低電壓故障的典型案例及原因。通過(guò)比較2種提升400V MCC低電壓穿越能力方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用具備自動(dòng)重啟動(dòng)和低電壓檢測(cè)功能的智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置的改造方案，完善了400V MCC保護(hù)的配置。改造方案實(shí)施后，400V MCC能可靠地實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

〔關(guān)鍵詞〕電動(dòng)機(jī)控制中心；低電壓穿越；電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置；自動(dòng)重啟動(dòng)

0　引言

大型燃煤機(jī)組低壓廠用電系統(tǒng)通常采用動(dòng)力中心（PC）—電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）接線(xiàn)方式供電，簡(jiǎn)稱(chēng)PC-MCC。在該供電方式中成對(duì)的PC母線(xiàn)由互為備用的2臺(tái)6kV/400V低壓廠用變壓器供電，當(dāng)其中1段PC母線(xiàn)因上級(jí)變壓器停運(yùn)或其他原因失電時(shí)，另外一段工作電源則會(huì)自動(dòng)投入，以保證PC不失電。MCC由對(duì)應(yīng)的PC單電源供電。2段MCC之間可設(shè)母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，也可不設(shè)母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

某電廠MCC開(kāi)關(guān)通過(guò)西門(mén)子公司的低壓電動(dòng)機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)（SAMMS-LVX）實(shí)現(xiàn)可編程的電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)。SAMMS-LVX系統(tǒng)具備可編程的瞬間失電穿越功能，適用于在雙接點(diǎn)控制回路中實(shí)現(xiàn)不超過(guò)1s的失電穿越。在低電壓故障或電源短暫失去時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行，那么主接觸器M主觸點(diǎn)斷開(kāi)以避免頻繁彈跳，一旦電源在1s內(nèi)恢復(fù)，則主接觸器M主觸點(diǎn)重新閉合，電動(dòng)機(jī)得以繼續(xù)運(yùn)行。

大型火電燃煤機(jī)組一般在電氣系統(tǒng)內(nèi)部或外部故障、雷擊、電氣設(shè)備短路或接地等時(shí)，都會(huì)引起廠用電系統(tǒng)電壓瞬間降低。該電廠曾出現(xiàn)幾次MCC重要負(fù)荷在低電壓期間跳閘的現(xiàn)象，甚至還造成了跳機(jī)事故，表明400V MCC低電壓穿越能力較弱。

1　案例分析

1.1案例1

1.1.1事件經(jīng)過(guò)

該電廠2臺(tái)機(jī)組均帶滿(mǎn)負(fù)荷，220kV雙母線(xiàn)按正常方式運(yùn)行。因區(qū)外220kV系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的三相故障，系統(tǒng)220kV母線(xiàn)電壓三相突然同時(shí)降低，均由134kV左右降至63kV，持續(xù)時(shí)間約120ms；4段6kV廠用電系統(tǒng)電壓全部同步降低，其中2A1段三相電壓由6.12kV降為4.26kV左右，2B1段三相電壓由6.13kV降為4.25kV左右。120ms后，電壓開(kāi)始逐漸上升；200ms恢復(fù)到額定電壓的90％；320ms，2A1段、2B1段三相電壓恢復(fù)至6kV左右；400ms恢復(fù)至額定電壓。

故障期間2A小機(jī)1號(hào)潤(rùn)滑油泵、2B小機(jī)2號(hào)潤(rùn)滑油泵、2B定子冷卻水泵、2號(hào)輕油輸送泵等部分400V輔機(jī)負(fù)荷發(fā)出故障信號(hào)。

廠用電系統(tǒng)電壓降低發(fā)生2 741ms后，2號(hào)機(jī)組因發(fā)電機(jī)定子水進(jìn)出口差壓低，發(fā)變組保護(hù)C柜非電量保護(hù)發(fā)“定子冷卻水跳閘”指令；2號(hào)機(jī)—主變220kV開(kāi)關(guān)跳閘。

1.1.2原因分析

此次跳機(jī)事件的直接原因是：在廠用電系統(tǒng)低電壓期間，正在運(yùn)行的2B定子冷卻水泵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，泵停止運(yùn)行，而后自啟動(dòng)成功（MCC的1s失電穿越功能）；然后2A定子冷卻水泵聯(lián)鎖（定子冷卻水的進(jìn)出口壓力低聯(lián)鎖信號(hào)）啟動(dòng)成功，但定子冷卻水已失壓超過(guò)2s，發(fā)電機(jī)定子冷卻水進(jìn)出口差壓低（3取2）持續(xù)時(shí)間超過(guò)2s，導(dǎo)致“發(fā)電機(jī)定子冷卻水進(jìn)出口差壓低”保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)跳閘。

定子冷卻水泵電動(dòng)機(jī)動(dòng)力回路如圖1所示。由圖1可知，因2B定子冷卻水泵MCC控制電源取自動(dòng)力回路電源本身，一旦上級(jí)發(fā)生低電壓故障導(dǎo)致動(dòng)力回路電源電壓降低，主接觸器線(xiàn)圈無(wú)法保持，仍會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)跳閘。本次低電壓持續(xù)時(shí)間未超過(guò)1s，主接觸器能恢復(fù)閉合狀態(tài)，但負(fù)荷失去動(dòng)力的實(shí)際時(shí)間超過(guò)1s，且在電氣邏輯上會(huì)判斷2B定子冷卻水泵沒(méi)有跳閘，造成電氣聯(lián)鎖的備用2A電動(dòng)機(jī)無(wú)法及時(shí)投入，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)冷卻水壓無(wú)法維持而跳機(jī)。

圖1　定子冷卻水泵電動(dòng)機(jī)動(dòng)力回路

在本次低電壓故障中，廠用電系統(tǒng)電壓在400ms時(shí)恢復(fù)至額定電壓，并未超過(guò)400V MCC瞬間失電穿越功能1s的限時(shí)。根據(jù)SOE事件記錄分析，2B定子冷卻水泵并未發(fā)出MCC TROUBLE報(bào)警閉鎖REMOTE START信號(hào)，400ms時(shí)電源電壓恢復(fù)后SAMMS-LVX重新啟動(dòng)自檢，整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間約為1 500ms（400ms廠用電系統(tǒng)低電壓故障時(shí)間+1 000ms SAMMS-LVX自檢時(shí)間+100ms主接觸器吸合時(shí)間）；但定子冷卻水系統(tǒng)實(shí)際是失壓的，依靠定子冷卻水的進(jìn)出口壓力低聯(lián)鎖信號(hào)才聯(lián)鎖啟動(dòng)2A定子冷卻水泵，雖然2臺(tái)定子冷卻水泵均啟動(dòng)成功，但由于“發(fā)電機(jī)定子冷卻水進(jìn)出口差壓低”保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)跳閘。

本次低電壓故障證明：通過(guò)SAMMS-LVX實(shí)現(xiàn)的可編程瞬間失電穿越功能并不能可靠實(shí)現(xiàn)MCC低電壓穿越。其原因是控制回路電源與SAMMS-LVX的CPU電源取自動(dòng)力回路電源本身，即使MCC有1s的失壓穿越功能，也會(huì)造成MCC開(kāi)關(guān)跳合1次， 出現(xiàn)CRT雖顯示正常但負(fù)荷實(shí)際已失壓的現(xiàn)象。機(jī)組的重要負(fù)荷（如定子冷卻水泵）發(fā)生此現(xiàn)象，將直接跳機(jī)。這也在故障發(fā)生后多次對(duì)MCC開(kāi)關(guān)與SAMMS-LVX的低電壓試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

1.2案例2

1.2.1事件經(jīng)過(guò)

某電廠2號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行中，因設(shè)備故障檢修，運(yùn)行人員需要將PC 2A12段由進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)切換到聯(lián)絡(luò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)。在切換完成數(shù)分鐘后，因母聯(lián)開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)繼電器故障誤動(dòng)跳開(kāi)母聯(lián)開(kāi)關(guān)，PC 2A12及下級(jí)MCC 2A121失電，其上所有輔機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷跳閘。故障前2號(hào)保安ⅡA段PC 2DG2由PC 2A12供電；PC 2A12失電后，PC 2DG2電源成功切換至PC 2B11供電（見(jiàn)圖2），但2號(hào)保安ⅡB段MCC 2DG21所有輔機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷跳閘。

圖2　保安段PC—MCC接線(xiàn)

跳閘的400V輔機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷包括：2A空預(yù)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、2B引風(fēng)機(jī)2號(hào)潤(rùn)滑油泵。2B引風(fēng)機(jī)1號(hào)潤(rùn)滑油泵（電源取自MCC 2B221）聯(lián)鎖啟動(dòng)，但未能成功建立油壓，導(dǎo)致2B引風(fēng)機(jī)跳閘；2A空預(yù)器跳閘導(dǎo)致2A引風(fēng)機(jī)跳閘。2臺(tái)引風(fēng)機(jī)跳閘后，鍋爐MFT，機(jī)組跳閘。

1.2.2原因分析

保安段電源的自動(dòng)切換邏輯是：工作電源電壓低（400V PC母線(xiàn)電壓低于70％ UN）→啟動(dòng)時(shí)間繼電器27TR/B經(jīng)0.5 s出口→送電源故障信號(hào)到柴油發(fā)電機(jī)PLC→PLC一方面發(fā)出跳閘命令跳開(kāi)工作電源開(kāi)關(guān)，另一方面對(duì)備用電源進(jìn)行判斷→如果備用電源正常（電壓正常，斷路器在工作位置），則在1.6 s內(nèi)給備用電源開(kāi)關(guān)發(fā)出3次合閘命令→如果在1.6 s內(nèi)備用電源開(kāi)關(guān)合閘不成功，則啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。保安段母線(xiàn)的2路正常電源是互為備用的，切換邏輯相同。保安段電源低電壓切換設(shè)定為：70％ UN，延時(shí)0.5s。

從上述分析可知，即使是正常的切換過(guò)程，保安段PC電源低電壓自動(dòng)切換整個(gè)過(guò)程也需要2-3s，PC 2DG2-MCC 2DG21所有400V輔機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷失電的時(shí)間遠(yuǎn)大于SAMMS-LVX實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)失電穿越功能的1s。因此，一旦電源低電壓故障時(shí)間超過(guò)1s，即使保安段PC電源切換成功，電源恢復(fù)，位于保安段MCC 2DG21上的所有400V輔機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷也會(huì)全部跳閘，無(wú)法恢復(fù)。

2　提升MCC低電壓穿越能力方法的探討

綜合以上2個(gè)案例可以看出，對(duì)于此類(lèi)400V MCC的控制與保護(hù)配置，采用1s失電穿越功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)低電壓故障下的可靠穿越。最直接的原因是MCC開(kāi)關(guān)主接觸器的線(xiàn)圈控制電源取自動(dòng)力回路電源本身，當(dāng)?shù)蛪旱偷骄€(xiàn)圈的最低吸合電壓定值下，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷實(shí)際失壓，低電壓時(shí)間低于1s會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷無(wú)動(dòng)力且聯(lián)鎖不啟動(dòng)，高于1s會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)直接跳閘。因此，必須采取措施提升MCC低電壓穿越能力。

2.1思路1

借鑒6kV真空斷路器開(kāi)關(guān)柜和400V PC空氣斷路器開(kāi)關(guān)柜的分合閘模式，采用帶機(jī)械自鎖和脫扣功能的雙線(xiàn)圈接觸器，合閘回路控制電源仍取自動(dòng)力回路電源本身，跳閘回路使用直流控制電源。啟動(dòng)時(shí)DCS發(fā)出REMOTE START指令，合閘線(xiàn)圈充電使主接觸器合閘并自鎖，無(wú)論低電壓故障或者合閘控制電源失去，主接觸器均保持在合閘狀態(tài)，當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)即可重新啟動(dòng)。停運(yùn)則由DCS發(fā)出REMOTE STOP指令通過(guò)可靠的直流控制電源使脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作跳開(kāi)接觸器。但是這種方法存在如下弊端。

（1）目前400V重要輔機(jī)負(fù)荷大多成對(duì)配置且互為備用，采用2級(jí)聯(lián)鎖。第1級(jí)聯(lián)鎖是電氣聯(lián)鎖，即運(yùn)行負(fù)荷主接觸器的輔助接點(diǎn)接入DCS，一旦主接觸器分閘，其輔助接點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，DCS判斷電動(dòng)機(jī)處于“OFF”狀態(tài)，則給出備用負(fù)荷的啟動(dòng)指令。第2級(jí)聯(lián)鎖則是通過(guò)定子冷卻水的進(jìn)出口壓力低聯(lián)鎖信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖啟動(dòng)備用負(fù)荷，一旦低電壓故障無(wú)法恢復(fù)，則運(yùn)行負(fù)荷的主接觸器由于未接到跳閘指令而無(wú)法斷開(kāi)，無(wú)法聯(lián)動(dòng)備用負(fù)荷，將通過(guò)定子冷卻水的進(jìn)出口壓力低聯(lián)鎖信號(hào)啟動(dòng)備用負(fù)荷，大大延長(zhǎng)了聯(lián)動(dòng)時(shí)間，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在較大的隱患。此外，長(zhǎng)時(shí)間的低電壓會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在欠壓狀態(tài)，可能對(duì)電動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生破壞性的損傷。

因此，必須進(jìn)一步完善400V MCC母線(xiàn)保護(hù)的配置，為400V MCC配備低電壓保護(hù)功能。母線(xiàn)低電壓保護(hù)延時(shí)的配合，既要確保在低電壓故障無(wú)法恢復(fù)的情況下及時(shí)跳開(kāi)母線(xiàn)上所有400V輔機(jī)電動(dòng)機(jī)，又要確保躲開(kāi)廠用電切換（包括保安段電源低電壓切換）的動(dòng)作時(shí)間和220kV系統(tǒng)區(qū)外故障的電源恢復(fù)時(shí)間。

（2）帶機(jī)械自鎖和脫扣功能的雙線(xiàn)圈接觸器電氣回路和機(jī)械機(jī)構(gòu)都比較復(fù)雜。尤其是其機(jī)械自鎖和脫扣機(jī)構(gòu)，一旦發(fā)生故障，極易發(fā)生頻繁彈跳或無(wú)法跳閘的情況，造成設(shè)備損壞和故障范圍擴(kuò)大。

2.2思路2

采用可靠的直流電源或UPS電源作為MCC開(kāi)關(guān)的控制電源及SAMMS-LVX的CPU電源。

案例1是低電壓故障比較嚴(yán)重，電壓低、時(shí)間長(zhǎng)，造成SAMMS-LVX CPU失電，當(dāng)電源恢復(fù)后，SAMMS-LVX的重啟自檢時(shí)間延長(zhǎng)了定子冷卻水泵的啟動(dòng)時(shí)間，造成“發(fā)電機(jī)定子冷卻水進(jìn)出口差壓低”保護(hù)動(dòng)作。案例2是保安段電源低電壓切換時(shí)間超出SAMMS-LVX瞬間失電穿越功能的1s限制，同時(shí)觸發(fā)DCS發(fā)出MCC TROUBLE報(bào)警閉鎖REMOTE START指令。這2個(gè)案例問(wèn)題的根源都在于MCC開(kāi)關(guān)控制電源取自動(dòng)力回路電源本身的不可靠性，若采用可靠的直流電源或UPS電源作為MCC開(kāi)關(guān)的控制電源，使SAMMSLVX的CPU電源與控制回路電源不受動(dòng)力回路電源低電壓故障的影響，則可從根本上解決問(wèn)題。

當(dāng)然，將MCC開(kāi)關(guān)的控制電源獨(dú)立于動(dòng)力電源，一旦發(fā)生低電壓故障且未能及時(shí)恢復(fù)，則思路1中不能實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期欠壓運(yùn)行的狀況也同樣會(huì)發(fā)生。

3　改造方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

綜合上述分析可得出結(jié)論：必須完善400V MCC保護(hù)的配置。改造方案設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下要點(diǎn)。

（1）MCC開(kāi)關(guān)接觸器線(xiàn)圈控制回路取自動(dòng)力回路電源本身，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，線(xiàn)圈失電斷開(kāi)主接觸器，以便啟動(dòng)電氣聯(lián)動(dòng)備用負(fù)荷，同時(shí)防止電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間欠壓運(yùn)行；在一定時(shí)限內(nèi)電壓恢復(fù)后應(yīng)立即重新啟動(dòng)。

（2）控制回路電源采用可靠的直流或UPS電源，以確保MCC保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，防止因掉電而導(dǎo)致的無(wú)保護(hù)和失去控制狀態(tài)。

（3）400V MCC啟?？刂苹芈凡捎秒p接點(diǎn)控制方式，合閘回路設(shè)計(jì)為電氣自保持回路，避免因DCS故障失去啟動(dòng)指令誤跳重要負(fù)荷。

（4）采用具備自動(dòng)重啟動(dòng)和低電壓檢測(cè)功能的智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置，且自動(dòng)重啟動(dòng)與低電壓故障檢測(cè)的時(shí)限可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，從而可以適應(yīng)不同的廠用電切換時(shí)間，并確保在低電壓故障無(wú)法恢復(fù)的情況下可靠跳閘。

4　改造方案設(shè)備選型

根據(jù)改造方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，對(duì)提升低電壓穿越能力的MCC控制回路設(shè)計(jì)與智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置的選型如下。

4.1MCC控制回路設(shè)計(jì)

（1）控制回路電源采用可靠的220V直流系統(tǒng)；智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置的工作電源24V DC來(lái)自于110V直流系統(tǒng)，通過(guò)2個(gè)并聯(lián)的電源模塊轉(zhuǎn)化為24V直流電源。

（2）開(kāi)關(guān)接觸器采用單線(xiàn)圈接觸器，以減少機(jī)構(gòu)故障的幾率；接觸器的線(xiàn)圈電源取自動(dòng)力回路電源本身，在低電壓故障情況下，當(dāng)電壓不足以滿(mǎn)足線(xiàn)圈吸合要求時(shí)斷開(kāi)主觸點(diǎn)，以盡快實(shí)現(xiàn)備用負(fù)荷的電氣聯(lián)動(dòng)，并防止長(zhǎng)期欠壓運(yùn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害。

4.2智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置選型

經(jīng)調(diào)研，智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置選擇ABB公司的M102。

該裝置除具備常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制裝置的熱過(guò)載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)、斷相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、接地故障保護(hù)等功能外，還具備自動(dòng)重啟動(dòng)功能，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)且系統(tǒng)電壓瞬間降低時(shí)，可以重新啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。自動(dòng)重新啟動(dòng)最長(zhǎng)時(shí)間可以設(shè)定為5 000ms。

5　結(jié)束語(yǔ)

改造方案實(shí)施后，經(jīng)過(guò)多次模擬低電壓故障和廠用電切換試驗(yàn)，400V MCC能可靠地實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

對(duì)于大型燃煤機(jī)組的廠用電系統(tǒng)，大多數(shù)低壓電動(dòng)機(jī)，包括直接影響主機(jī)、重要輔機(jī)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的400V重要輔機(jī)，由400V MCC供電。但400V MCC的設(shè)計(jì)不如10kV或6kV等級(jí)廠用電系統(tǒng)那樣完善，電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)配置也比較簡(jiǎn)單，而且MCC不具備低電壓穿越能力或低電壓穿越能力較弱。如果突發(fā)接地、短路或低電壓故障，重要輔機(jī)的跳閘將給機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行造成重大威脅。

因此，建議對(duì)于MCC上的重要負(fù)荷，必須更改其控制與保護(hù)原有設(shè)計(jì)，使其具備低電壓穿越的能力；對(duì)于影響機(jī)組、重要輔機(jī)安全和穩(wěn)定運(yùn)行較少的次要負(fù)荷，保留原有設(shè)計(jì)不變。這樣，重要負(fù)荷可滿(mǎn)足低電壓穿越的要求，確保機(jī)組安全運(yùn)行；次要負(fù)荷即使發(fā)生低電壓跳閘，也不會(huì)造成大的損失，在電壓恢復(fù)后重新啟動(dòng)即可，從而可降低改造的成本。

參考文獻(xiàn)：

1 國(guó)家能源局.DL/T5153—2014火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

收稿日期：2016-03-01。

作者簡(jiǎn)介：

孔慶強(qiáng)（1973-），男，工程師，主要從事MCC雙接點(diǎn)控制回路改造工程工作，email：13823025099@163.com。

廖桂豫（1973-），男，高級(jí)工程師，主要從事MCC雙接點(diǎn)控制回路改造工程工作。