李國浩，屈佳賓，李仁政

（1.神華國華三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 三河 065201；2.神華內(nèi)蒙古國華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 033399）

300MW火電機(jī)組保安電源系統(tǒng)控制優(yōu)化

李國浩1，屈佳賓2，李仁政2

（1.神華國華三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 三河 065201；2.神華內(nèi)蒙古國華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 033399）

本文主要對某300MW火電機(jī)組保安電源系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了其二次控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在的問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)方案，對保安電源系統(tǒng)二次側(cè)PLC裝置判據(jù)單一、檢修狀態(tài)下PLC裝置切換邏輯無法執(zhí)行等問題進(jìn)行了完善，優(yōu)化后的保安電源系統(tǒng)二次側(cè)控制具有功能完整、可靠性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

保安電源；PLC；控制邏輯；電壓異常；保護(hù)

所謂保安負(fù)荷，是指為保證機(jī)組安全，在發(fā)電機(jī)組事故停機(jī)、單元系統(tǒng)停機(jī)時(shí)必須保持運(yùn)行的負(fù)荷，主要包括熱控控制系統(tǒng)電源、交流不間斷電源、汽輪機(jī)交流潤滑油泵電源、汽輪機(jī)盤車油泵電源、發(fā)電機(jī)密封油泵電源及事故照明電源等。一旦發(fā)生保安負(fù)荷停運(yùn)，則會引起機(jī)組主設(shè)備損壞、自動控制系統(tǒng)失靈等嚴(yán)重問題，造成機(jī)組的非正常停運(yùn)，延遲機(jī)組恢復(fù)供電時(shí)間，其經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響不可估量?！洞笾行突鹆Πl(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50660-2011）中規(guī)定：容量為200MW及以上的機(jī)組應(yīng)設(shè)置交流保安電源?；鹆Πl(fā)電廠中的保安電源為發(fā)電機(jī)組保安負(fù)荷提供交流電源，是保障電廠安全運(yùn)行的重要電源，具有非常重要的作用。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，由400V低壓廠用電系統(tǒng)對保安段負(fù)荷供電，當(dāng)廠用電中斷時(shí)，要求保安備用電源系統(tǒng)必須可靠切換，保證保安負(fù)荷的持續(xù)供電，防止重要設(shè)備發(fā)生損壞，以確保安全停機(jī)和保證機(jī)組主設(shè)備的安全。本文針對某電廠二期300MW機(jī)組保安電源切換邏輯設(shè)計(jì)、二次側(cè)控制回路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制與保護(hù)之間的配合進(jìn)行深入分析，找出缺陷的根本原因，通過對邏輯與控制回路進(jìn)行優(yōu)化、合理配置保護(hù)，改善提高了保安電源切換的可靠性。

1 廠用保安電源接線運(yùn)行方式

某電廠二期#3、#4兩臺300MW發(fā)電機(jī)組，每臺發(fā)電機(jī)組由高廠變?yōu)閮啥?kV廠用工作段供電，每段6kV廠用段設(shè)置兩臺工作變，分別為#3機(jī)組400V低壓廠用工作PC1、2段，#4機(jī)組400V低壓廠用工作PC1、2段供電。在正常運(yùn)行時(shí)，由各自工作PC段為400V保安31、32段，保安41、42段負(fù)荷供電。其中#3機(jī)組400V低壓廠用工作PC1、2段至保安段兩路電源進(jìn)線開關(guān)互為備用；#4機(jī)組400V低壓廠用工作PC1、2段至保安段兩路電源進(jìn)線開關(guān)互為備用。400V保安31、32段，41、42段第二工作備用進(jìn)線分別取自一期#1、#2機(jī)組6kV公用01、02段，經(jīng)各自保安變后為保安系統(tǒng)進(jìn)行供電。

2 系統(tǒng)原設(shè)計(jì)概況

以#4機(jī)組保安41段運(yùn)行為例，保安41段工作電源進(jìn)線開關(guān)來自#4機(jī)組400V低壓廠用工作PC1段的工作電源進(jìn)線A開關(guān)，備用電源進(jìn)線開關(guān)來自#4機(jī)組400V低壓廠用工作PC2段工作電源進(jìn)線B開關(guān)。從一期6kV公用02段經(jīng)保安變的工作電源進(jìn)線C開關(guān)作為第二備用工作電源進(jìn)線開關(guān)。系統(tǒng)接線情況如圖1所示。

圖1 #4機(jī)組保安41段一次系統(tǒng)圖

#4機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，400V保安41段由400V低壓廠用工作PC1段供電，工作電源進(jìn)線A開關(guān)處于合閘位置。兩個備用工作電源進(jìn)線開關(guān)處于分閘位置作為備用。若發(fā)生工作電源進(jìn)線開關(guān)跳閘，PLC控制系統(tǒng)向第一備用電源開關(guān)發(fā)出合閘信號并立即合閘，若第一備用電源開關(guān)在設(shè)定范圍時(shí)間內(nèi)未能合閘，則PLC控制系統(tǒng)向第二備用電源開關(guān)發(fā)出合閘信號并立即合閘。PLC控制系統(tǒng)還通過加裝在電源進(jìn)線、保險(xiǎn)下口的電壓變送器對系統(tǒng)線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如檢測到保安段母線電壓較低，也會跳開工作電源開關(guān)，同時(shí)向第一備用電源開關(guān)發(fā)出合閘信號并立即合閘。當(dāng)?shù)谝粋溆秒娫撮_關(guān)合閘后母線電壓較低，則跳開第一備用電源開關(guān)，同時(shí)向第二備用電源開關(guān)發(fā)出合閘信號并立即合閘，保證對保安段的不間斷供電。400V保安41段切換邏輯如圖2所示。

圖2 工作電源進(jìn)線開關(guān)合閘邏輯關(guān)系圖

這里需要說明的是，備用工作電源進(jìn)線開關(guān)的合閘條件必須檢測到工作電源進(jìn)線開關(guān)已在分閘位置，備用電源進(jìn)線開關(guān)自身在分閘位置無相關(guān)故障信號，且開關(guān)進(jìn)線上口線電壓正常。根據(jù)PLC控制邏輯，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)手動拉開工作電源進(jìn)線開關(guān)或工作電源進(jìn)線開關(guān)跳閘以后，備用電源進(jìn)線開關(guān)應(yīng)自動合閘。而第二備用工作電源進(jìn)線開關(guān)的合閘條件為工作電源進(jìn)線開關(guān)和備用電源進(jìn)線開關(guān)已跳閘，一期6kV公用02段電壓大于第二備用工作電源進(jìn)線開關(guān)啟動電壓值，且開關(guān)自身在分閘位置無相關(guān)故障信號。

3 事故概況及主要原因分析

3.1 廠用保安電源失電過程

#4機(jī)組在某次檢修期間，機(jī)組41保安段由工作電源進(jìn)線A開關(guān)合閘供電，備用工作電源進(jìn)線B開關(guān)處于檢修狀態(tài)，第二備用電源進(jìn)線C開關(guān)處于熱備用狀態(tài)。事發(fā)時(shí)因工作電源進(jìn)線A開關(guān)電壓變送器故障導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)誤判斷保安系統(tǒng)母線電壓異常，隨后跳開工作電源進(jìn)線A開關(guān)并執(zhí)行切換程序，而第二備用電源進(jìn)線C開關(guān)也未能合閘，最終造成了#4機(jī)組41保安段失電。

3.2 問題原因分析

（1）PLC控制系統(tǒng)判據(jù)單一

PLC控制系統(tǒng)對于400V保安段母線低電壓異?，F(xiàn)象存在判據(jù)單一、邏輯簡單的問題。工作電源進(jìn)線A開關(guān)、備用電源進(jìn)線B開關(guān)和第二備用電源進(jìn)線C開關(guān)在各自進(jìn)線上均安裝有電壓變送器，對各自開關(guān)進(jìn)線的A、C兩相電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，計(jì)算出線電壓值并輸出二次值至PLC控制系統(tǒng)作為母線電壓異常判據(jù)。當(dāng)母線真正發(fā)生電壓異常情況時(shí)，此設(shè)計(jì)可以保證開關(guān)間的正常切換，但當(dāng)電源開關(guān)進(jìn)線處電壓回路中保險(xiǎn)熔斷、或電壓變送器發(fā)生故障，而實(shí)際母線電壓正常時(shí)，則會造成PLC控制系統(tǒng)誤跳電源進(jìn)線開關(guān)，并啟動備用電源投入。而備用電源所供電壓與保安段母線電壓多少會存在一定角度差，這樣會對保安段母線電壓以及負(fù)荷造成沖擊。

（2）聯(lián)啟回路設(shè)計(jì)不合理

A、B、C三路電源進(jìn)線開關(guān)合閘回路在設(shè)計(jì)時(shí)均串接入了另外兩個開關(guān)的跳位常開接點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)分閘時(shí)接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)。以工作電源進(jìn)線A開關(guān)運(yùn)行為例，此時(shí)的備用電源進(jìn)線B開關(guān)和第二備用電源進(jìn)線C開關(guān)處于分閘狀態(tài)，則保證了工作電源進(jìn)線A開關(guān)的合閘回路時(shí)刻保持連通，而B、C開關(guān)的合閘回路中因串接了A開關(guān)的接點(diǎn)，所以處于斷路狀態(tài)。當(dāng)保安電源進(jìn)行切換時(shí)，PLC控制系統(tǒng)首先會發(fā)出A開關(guān)跳閘指令，A開關(guān)跳閘后，串接在B、C開關(guān)合閘回路中的A開關(guān)跳位接點(diǎn)此時(shí)會閉合，隨后PLC控制系統(tǒng)會發(fā)出B開關(guān)合閘指令，同時(shí)B開關(guān)合閘完成切換。但此設(shè)計(jì)存在的問題是，當(dāng)任一開關(guān)處于檢修狀態(tài)時(shí)會使其串接在其它開關(guān)的接點(diǎn)處于打開狀態(tài)，這樣會造成另兩臺開關(guān)合閘回路斷路，當(dāng)保安電源需要切換時(shí)無法完成切換。工作電源進(jìn)線A開關(guān)二次側(cè)接線圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前工作電源進(jìn)線開關(guān)二次側(cè)接線圖

上述兩個問題是造成本次#4機(jī)組保安41段失電的主要原因。

4 解決問題的可行性優(yōu)化方案

（1）對于保安段母線低電壓異常問題，我們必須清楚當(dāng)A、B、C開關(guān)中任一開關(guān)處于合閘狀態(tài)，且出現(xiàn)開關(guān)電壓回路中的保險(xiǎn)絲熔斷或電壓變送器故障等問題時(shí)，如果此時(shí)400V母線電壓正常，開關(guān)是不必切換的。所以在保安PC段母線處新加裝了一組電壓變送器，從保安PC母線上抽取A、C相電壓作為模擬量送至新增變送器，目的是為了對母線A、C相電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并輸出二次值至PLC控制系統(tǒng)，與原有的進(jìn)線電壓判據(jù)構(gòu)成組合判據(jù)。只有當(dāng)兩個判據(jù)同時(shí)滿足，PLC控制系統(tǒng)才會發(fā)出切換指令，而任一電壓元件出現(xiàn)故障時(shí)只會發(fā)出報(bào)警，不會發(fā)生誤跳工作電源開關(guān)。同時(shí)對于各備用電源進(jìn)線開關(guān)來說，參與合閘判別條件中補(bǔ)充了開關(guān)進(jìn)線所在母線電壓檢測條件，與開關(guān)進(jìn)線上口電壓檢測構(gòu)成了組合判據(jù)。

（2）保安電源系統(tǒng)增加電壓異常判據(jù)條件后，對于電壓元件發(fā)生的故障需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，所以在保安電源進(jìn)線柜處增加母線電壓異常報(bào)警繼電器JMX，將報(bào)警信號傳送至機(jī)組DCS控制系統(tǒng)中，同時(shí)在DCS控制系統(tǒng)的保安電源系統(tǒng)監(jiān)視畫面中增加報(bào)警信息窗口。當(dāng)A、B、C三路保安電源任意一路母線處出現(xiàn)電壓異常狀況時(shí)發(fā)出報(bào)警，運(yùn)行值班人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并根據(jù)報(bào)警信息準(zhǔn)確做出判斷，隨后通知維護(hù)人員迅速處理故障，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，避免事故的繼續(xù)擴(kuò)大。

（3）針對電源開關(guān)合閘回路接點(diǎn)問題，現(xiàn)在A、B、C三路電源進(jìn)線開關(guān)處各加裝一多接點(diǎn)兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)，其兩位置狀態(tài)分別定義為“開關(guān)工作、試驗(yàn)位置”和“開關(guān)檢修位置”，并做好標(biāo)識，在新增轉(zhuǎn)換開關(guān)取兩對常開接點(diǎn)配二次線至端子排，并接在本路開關(guān)至其他兩臺開關(guān)的跳位接點(diǎn)上。當(dāng)任一開關(guān)檢修需要將開關(guān)拉至檢修位置前，將轉(zhuǎn)換開關(guān)切至“開關(guān)檢修位置”，即可短接另外兩臺開關(guān)合閘回路中的跳位閉鎖接點(diǎn)，使其合閘回路仍然貫通。如此即可正確執(zhí)行PLC切換命令。優(yōu)化后的工作電源進(jìn)線開關(guān)二次側(cè)接線圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后工作電源進(jìn)線開關(guān)二次側(cè)接線圖

上述優(yōu)化完成后，當(dāng)參與PLC控制系統(tǒng)低電壓邏輯判據(jù)的單一電壓元件故障時(shí)，不會出現(xiàn)誤跳所屬開關(guān)的情況，而只發(fā)報(bào)警信號。當(dāng)工作電源開關(guān)上級電壓異常且伴隨母線電壓異常時(shí)才會發(fā)出跳閘指令，并執(zhí)行下一步切換程序；如A、B、C三路電源開關(guān)任一路開關(guān)進(jìn)行檢修時(shí)，只需將新增位置轉(zhuǎn)換開關(guān)投至“開關(guān)檢修位置”，從而保證了其余開關(guān)能夠繼續(xù)正確的執(zhí)行PLC切換指令。

5 控制邏輯與保護(hù)配合研究

#3、#4機(jī)組廠用電系統(tǒng)低壓廠用變壓器中性點(diǎn)采取經(jīng)高阻接地方式，屬于小電流接地系統(tǒng)。以保安段為例，當(dāng)某一負(fù)荷出現(xiàn)單相接地短路故障時(shí)，由于系統(tǒng)電壓對稱性并未被破壞，流經(jīng)故障點(diǎn)的電流也僅為系統(tǒng)的電容電流，所以故障電流數(shù)值較小，即便發(fā)生故障后系統(tǒng)也可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，非故障相對電壓的升高很可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣擊穿，從而演變成相間短路、兩相或多相接地。當(dāng)發(fā)生相間短路、多相接地短路故障時(shí)，則會出現(xiàn)短路電流增大、線電壓降低現(xiàn)象，這時(shí)用于保護(hù)負(fù)荷的快速過流保護(hù)就會啟動并動作以切除故障點(diǎn)。與此同時(shí)，由于故障點(diǎn)處電壓的降低會導(dǎo)致保安段母線電壓降低，當(dāng)達(dá)到PLC控制系統(tǒng)母線低電壓判據(jù)動作值時(shí)，PLC控制邏輯判斷保安段母線電壓異常，從而發(fā)出切換保安電源的指令。

5.1 保護(hù)配置情況

目前保安段系統(tǒng)保護(hù)配置情況如下：電源進(jìn)線開關(guān)使用施耐德MT型框架斷路器，配置長、短延時(shí)過流保護(hù)，其中短延時(shí)過流保護(hù)延時(shí)0.3秒動作；負(fù)荷類開關(guān)使用施耐德NS型塑殼斷路器，配置瞬時(shí)過流保護(hù)實(shí)現(xiàn)無延時(shí)動作，部分負(fù)荷還裝設(shè)有馬達(dá)控制器保護(hù)裝置，所配置保護(hù)種類包括過負(fù)荷保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、剩余電流保護(hù)、啟動超時(shí)保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、失壓重啟動保護(hù)。保安系統(tǒng)中還有一部分負(fù)荷，如磨煤機(jī)潤滑油泵、空預(yù)器油泵、火檢風(fēng)機(jī)等，在二期機(jī)組建設(shè)初期設(shè)計(jì)階段并未考慮進(jìn)行保護(hù)配置，當(dāng)上述負(fù)荷處出現(xiàn)多點(diǎn)接地及相間短路等復(fù)合型故障時(shí)，只能依靠該段電源進(jìn)線開關(guān)處的短延時(shí)過流保護(hù)動作跳閘，以達(dá)到切除故障點(diǎn)的目的。

5.2 存在的主要問題

從圖2可以看出，保安段切換邏輯由工作電源進(jìn)線開關(guān)自身跳閘，或因母線電壓異常導(dǎo)致工作電源進(jìn)線開關(guān)分閘中的任一方式啟動并驅(qū)使進(jìn)行。此時(shí)無論是因故障短路電流增大導(dǎo)致保護(hù)動作。還是因故障致使的母線電壓降低造成的電源開關(guān)切換，在切換完成后因故障點(diǎn)依舊存在。備用電源開關(guān)的合閘條件經(jīng)優(yōu)化后，開關(guān)進(jìn)線上口及母線電壓均正常并滿足要求，所以在故障點(diǎn)不會被切除的情況下保安電源會循環(huán)進(jìn)行切換，這樣勢必會造成故障越級，擴(kuò)大事故影響范圍，甚至?xí)斐芍匾O(shè)備的損壞及機(jī)組停運(yùn)。

若保安段母線處出現(xiàn)故障點(diǎn)時(shí)，需要靠工作電源進(jìn)線開關(guān)的短延時(shí)過流保護(hù)動作以切除故障母線。PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯切換脈沖指令發(fā)出時(shí)間約為5毫秒，控制回路中用于合閘和分閘的中間繼電器動作時(shí)間各為20毫秒，開關(guān)合閘時(shí)間約為100毫秒，分閘時(shí)間約50毫秒，所以整體切換時(shí)間約為0.3秒左右，與保護(hù)的延時(shí)動作時(shí)間基本相同，也就是說當(dāng)實(shí)際情況發(fā)生時(shí)電源開關(guān)切換會優(yōu)先于保護(hù)動作。同時(shí)，頻繁的切換也會使故障點(diǎn)因失去電源而影響到故障電流的大小，未必能滿足保護(hù)動作條件。綜上所述，目前的保護(hù)與控制系統(tǒng)存在時(shí)間級差配合不當(dāng)?shù)膯栴}。

除此之外，當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)可能會引起保安段母線電壓的降低并達(dá)到切換動作值，PLC邏輯判斷時(shí)間過短會造成保安段的無事故切換。

5.3 改進(jìn)處理措施

對于自身無任何保護(hù)的保安負(fù)荷，為了避免在發(fā)生復(fù)合性故障時(shí)自身無保護(hù)問題，應(yīng)按照目前已配置的保護(hù)方案加以配置，確保當(dāng)故障出現(xiàn)后第一時(shí)間做出響應(yīng)并迅速切除故障，避免故障越級跳閘，降低保安電源系統(tǒng)的可靠性。針對保安電源母線上出現(xiàn)的故障，以及發(fā)生區(qū)外故障時(shí)切換過于靈敏的問題，需要在PLC切換指令邏輯中增加不低于0.7秒的延時(shí)時(shí)間，這樣使切換指令從發(fā)出至電源完成切換的時(shí)間不少于1秒。保證切換控制與瞬時(shí)過流保護(hù)、短延時(shí)過流保護(hù)、區(qū)外過流保護(hù)之間滿足級差時(shí)間上的要求，達(dá)到保護(hù)先于切換動作的效果。

對于上述改進(jìn)需要說明的是，當(dāng)保安電源切換邏輯增加延時(shí)后，保安負(fù)荷在實(shí)際切換過程中能夠依靠馬達(dá)控制器保護(hù)裝置中的失壓重啟動保護(hù)功能完成自啟動，不必?fù)?dān)心因切換時(shí)間過長導(dǎo)致的保安負(fù)荷失去問題。同時(shí)，保安負(fù)荷在設(shè)計(jì)時(shí)遵循冗余配置原則，當(dāng)工作負(fù)荷因故障跳閘時(shí)，機(jī)組DCS系統(tǒng)執(zhí)行保安負(fù)荷聯(lián)啟邏輯控制備用負(fù)荷實(shí)現(xiàn)無延時(shí)啟動。當(dāng)維護(hù)人員完成對工作負(fù)荷的檢查處理后，由運(yùn)行人員操作將其投入至熱備用狀態(tài)，此時(shí)的工作負(fù)荷則作為備用繼續(xù)參與聯(lián)啟邏輯。

6 結(jié)語

發(fā)電機(jī)組保安電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行一直是電氣專業(yè)非常重視的問題。本文所介紹的2×300MW發(fā)電機(jī)組保安電源系統(tǒng)利用了PLC控制系統(tǒng)邏輯配置靈活、組態(tài)方便的優(yōu)勢特點(diǎn)，通過與保護(hù)之間進(jìn)行合理配合，并結(jié)合DCS系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制來實(shí)現(xiàn)保安電源的可靠備用自動投入。系統(tǒng)經(jīng)過上述技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化后，電源開關(guān)的動作和切換更可靠、更靈活，同時(shí)也完善了備用電源自投退功能。改進(jìn)后的切換邏輯及回路功能經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試及多次試驗(yàn)后已成功應(yīng)用于二期兩臺機(jī)組。下一步工作需結(jié)合機(jī)組檢修對保安系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)配置上的完善，并通過模擬試驗(yàn)加以驗(yàn)證，為機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

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