控制柜芯線分布電容對熱工保護的影響及防范措施

呂勝利，劉衛(wèi)東，張德寬，劉彥肖，李俊偉

（1.國電菏澤發(fā)電廠，山東 菏澤 274000；2.華能濟寧電廠，山東 濟寧 272100；3.華能沾化熱電廠，山東 沾化 256800）

0 引言

隨著熱工保護技術的發(fā)展,DCS及PLC等微電子產(chǎn)品在熱控系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，其中機側(cè)大、小機ETS系統(tǒng)普遍采用運算速度較快且硬件更可靠的PLC來實現(xiàn)其保護功能。但在某些保護柜中強電回路與弱電回路同時存在，強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，當兩個電路之間電位差發(fā)生波動，就會有由電位差產(chǎn)生的電流流過它們之間的絕緣介質(zhì)，這時彼此相臨的兩條線路可以看作是一個電容器的兩極，這就是芯線之間的耦合電容。當強電系統(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，會將干擾通過信號線引入熱工保護回路，此時若采樣電源與干擾信號能夠構(gòu)成回路，就會將干擾電壓引入到基于微電子設備的熱控保護回路，造成保護誤動作。下面以在某300 MW機組發(fā)生的一起電跳機保護誤動事故為例進行介紹。

1 事故經(jīng)過

某機組正在正常運行，突然機組解列，汽機保護系統(tǒng)首出顯示為發(fā)電機故障動作，發(fā)電機保護顯示為主汽門關閉動作，光子牌報電氣直流系統(tǒng)接地，兩套保護系統(tǒng)首出原因互相矛盾。

2 事故原因分析

事故發(fā)生后熱工、電氣保護人員檢查各自回路及跳閘信息，發(fā)現(xiàn)三個情況:①SOE記錄首先主汽門關閉，然后油開關跳閘。②當天天氣陰有小雨，事故發(fā)生時造成電氣直流110 V+接地，SOE記錄到的頻率最高有50 Hz左右，實際某些未記下頻率應當高出許多。③檢查大機ETS系統(tǒng)采樣用直流24 V電壓，對大地為24 V，說明24 V負端接地，經(jīng)檢查測量確認一根負端芯線絕緣層被擠破接地。

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

綜合熱工、電氣回路畫出電跳機保護回路圖，圖1為電氣柜保護板件繼電器圖，圖2為電氣保護柜內(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電跳機保護等效電路圖。

圖1 電氣柜保護板件繼電器圖

圖2 電氣保護柜內(nèi)板件至端子排示意圖

圖3 電跳機保護等效電路圖

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，但為負電壓，因此對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直流電源負端接地，電氣直流系統(tǒng)也通過檢測大電阻接地，因此兩個電源為共地系統(tǒng)。對圖3簡化得到圖4，對圖4進一步簡化得到圖5，這時會發(fā)現(xiàn)圖5實際為經(jīng)典的一階RC微分電路。

圖4 進一步簡化等效電路圖

圖5 最終簡化等效電路圖

圖6為典型微分電路輸入輸出響應曲線，下面僅就輸入信號上升沿做簡要說明：由微分電路基本原理可知，在輸入端電壓突然上升時，由于電容電壓不能突變，在0時刻可理解為短路，此時輸出電壓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。即當輸入端有一電壓突變時，在微分電路的輸出端會有一寬度為3 τ的電壓脈沖。

圖6 微分回路輸入輸出響應

下面以圖5、圖6為基礎進行定性分析：

根據(jù)當時事故后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，在實際的直流接地中會出現(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。

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)驗值為平行電纜芯線間400 PF/M，實際測量值為180 PF/M。電氣柜內(nèi)線把長度大約在1.5 M左右，因此圖5中分布電容C3≈270 PF。

ETS保護柜卡件DI通道相關參數(shù)及檢測情況：①輸入阻抗R，在無電流情況下測量阻抗約為0.99 MΩ。②事故后實際測試ETS保護柜PLC卡件DI輸入通道動作參數(shù)：動作電壓為7.2 V（門檻電壓），電流為4.14 mA，通道啟動功率為0.0298 W，說明該裝置門檻電壓較低，啟動功率極小。③根據(jù)該裝置系統(tǒng)動作時間測試報告（SOE記錄），輸入信號與跳閘輸出信號最小時間間隔為2 ms，說明輸入通道的采樣時間，在考慮到CPU運算、輸出通道時間、DCS系統(tǒng)SOE采樣時間等情況下，要遠遠小于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，就會使通道翻轉(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柜中采樣電源負端接地四個方面，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)，造成保護誤動作的可能性最大。

3 模擬試驗

在電氣保護柜內(nèi)進行模擬。當電氣直流+110 V拉弧高頻接地時，利用示波器觀察至ETS系統(tǒng)信號線上的信號，有向上、向下的尖脈沖信號存在。由于信號難以撲捉，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造成了脈沖信號被引入ETS控制系統(tǒng)。

圖7 在電氣保護柜內(nèi)模擬直流接地撲捉到的脈沖信號

4 結(jié)語

在熱工保護中，對于取自電氣系統(tǒng)的信號，由于信號源側(cè)強電較多，電磁環(huán)境復雜，在熱工保護柜內(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；對于采樣用直流電源負端接地，可能會與干擾源構(gòu)成回路聯(lián)系，釀成保護誤動事故。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，當電氣熱工控制回路電壓產(chǎn)生突變，聯(lián)絡芯線之間有電位差時，分布電容的存在造成信號之間的相互干擾。②當前PLC控制系統(tǒng)輸入通道啟動功率較小，無法抵抗較強干擾。③ETS系統(tǒng)采樣用直流電源負端接地，致使與干擾信號構(gòu)成回路，導致干擾信號竄入。

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保護柜內(nèi)增加大功率隔離繼電器，以增強抗干擾能力；ETS柜內(nèi)采樣用直流電源負端浮空，防止與外部干擾信號構(gòu)成回路，避免干擾信號竄入。