火電機組主保護硬回路典型設計及可靠性分析

劉文豐，尋新，劉復平

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007)

熱工保護系統是發(fā)電廠熱工自動化的重要組成部分，其設計應針對機組特點，選用技術先進、質量可靠的設備和元器件。雖然目前熱控系統自動化程度越來越高，但熱工保護誤動和拒動的情況還是時有發(fā)生，如何防止DCS 系統失靈和熱工保護誤動、拒動，仍是當前火力發(fā)電廠關注的焦點。針對目前火電機組機、爐主保護硬回路設計特點和應用現狀，著重介紹鍋爐MFT 和汽機ETS 硬跳閘回路典型設計原理，簡要分析主保護跳閘回路可靠性。

1 主保護系統電源及其硬回路

依據文獻〔1〕第5.1.2 要求，所有保護裝置2 路電源互為備用，且能自動切換，切換時間間隔應不影響保護系統的正常功能。對電廠機組主保護的跳閘電氣回路，無論是直流還是交流系統，均應保證有2 路不同源頭的冗余驅動電源。當其中1 路電源喪失時，主保護回路不會誤動作;當跳閘條件成立時，控制回路能有效實現停爐或停機。

另外，按文獻〔1〕第5.2.1 要求，熱工保護系統的設計應有防止誤動和拒動的措施，系統內單一部分的故障不應引起保護的誤動和拒動，保護系統電源中斷或恢復時不會誤發(fā)動作指令。該條款應主要針對MFT 和ETS 設計中帶電動作硬回路而言，當硬回路驅動電源失去時，主保護均不會誤動作，而DCS/PLC 控制系統邏輯輸出仍能有效地實現主保護正確動作而停止各重要設備。該設計方式增加了保護回路拒動的風險，在硬驅動回路失電情況下，一旦MFT 或ETS 所在控制器或邏輯輸出卡件、端子板出現故障，就不能可靠實現安全停機、停爐。因此，在現代大型火電機組機、爐主保護硬回路設計中，開始考慮將帶電動作硬回路設計成冗余配置的2 套回路，從硬回路的電源、開關、保險、驅動回路到跳閘繼電器，2 套回路完全獨立，當其中一套回路某個部分出現故障時，主保護硬回路仍能正常動作，有效規(guī)避主保護拒動的風險。

對主保護設計為失電動作的硬回路，設計理念就是回路中驅動電源失去后，各保護繼電器失電動作去跳閘鍋爐重要設備停爐或者去汽機AST 電磁閥失電停機。該設計方式增加保護回路誤動的風險，如果硬保護回路出現電源開關跳閘、驅動回路接線松動、保險絲熔斷或者繼電器燒毀等故障，均會導致硬回路失電主保護誤動作。因此，在機、爐主保護硬回路設計中，對帶電動作回路，應著重考慮降低回路保護誤動風險，如將硬回路驅動電源采用冗余無擾切換的直流電源、使用足夠容量電源開關、取消驅動回路內保險、采用高可靠性跳閘繼電器等，同時也應避免回路改造帶來保護拒動的風險。

對于電廠新投產的發(fā)電機組，無論設計采用何種機、爐主保護跳閘回路，都應嚴格分析其造成保護誤動、拒動的風險，經過鑒定或其它適當的評價合格后，方可在設計中采用。對采用新保護回路存在的各種誤動、拒動因素，均應經過全面地模擬試驗驗證，確保保護系統的安全可靠性。

2 MFT 主保護硬回路典型設計及分析

2.1 失電動作回路

大多數大機組將爐膛安全監(jiān)控系統(FSSS)設計為DCS 的子控制系統，其中MFT 是FSSS 的核心部分。MFT 包括DCS 軟邏輯跳閘回路與后備硬跳閘回路兩部分，MFT 后備硬跳閘回路同時接受DCS 軟邏輯跳閘信號與手動跳閘信號，可在FSSS控制器故障失效或緊急情況下手動停爐，直接切斷燃料。

以某典型的MFT 回路設計為例，操作臺上安裝有2 個手動MFT 按鈕(MFT-PB1，MFT-PB2)，每個按鈕有4 副觸點(3NO，1NC)，每個按鈕各取一常開NO 節(jié)點串聯后，分別通過3 路DI 進FSSS 控制系統，實現3 取2 跳閘邏輯，發(fā)2 s 脈沖去動作MFT，手動MFT 按鈕接線如圖1;對其中一副常閉NC 觸點，2 個按鈕并聯后，再串入MFT電氣硬跳閘回路。

由圖1 可知，按下任意一個手動MFT 按鈕，3個MFT 的DI 均不會有輸入，可以有效防止保護誤動;在電氣硬跳閘回路中，按下任意一個MFT 按鈕，同樣整個跳閘驅動回路也不會失電誤動作。

為了保證跳閘回路的可靠性，采用手動跳閘和DCS 輸出指令并行的設計原則，即:正常情況下由DCS 系統邏輯判斷產生MFT 條件，并分別通過3塊不同的DO 端子板輸出1，2，3 號繼電器，每個繼電器取2 對相互獨立的常閉干節(jié)點A，B，共6對DO 節(jié)點實現3 取2 硬邏輯，產生MFT;緊急情況或DCS 失去控制的情況下，由操作員操作MFT雙跳閘按鈕產生MFT，該按鈕通過MFT 電氣跳閘回路即可驅動相應的跳閘對象。MFT 失電動作電氣回路如圖2。

由圖2 可知，控制器MFT 邏輯判斷DO 輸出串入電氣硬跳閘回路，當任意一個輸出的卡件或端子板故障，使DO 輸出的2 對干節(jié)點保持常閉時，另外2 個DO 繼電器共4 對節(jié)點正確動作斷開后，仍能使硬回路失電動作，并不會造成主保護拒動。當任意一個輸出的繼電器故障或接線松動，造成DO 繼電器的2 對干節(jié)點保持常開時，另外2 個DO繼電器正確動作斷開后，同樣能使硬回路失電動作，也不會造成主保護誤動。(注:后面所有MFT硬跳閘回路原理圖中，電源開關、保險、復位、自保持和電源監(jiān)視回路均已省略)。

關于MFT 輸出至跳閘各設備的原理，以磨煤機為例，如圖3。去跳閘磨煤機A 的電氣6 kV 開關，采用MFT 硬回路繼電器輸出的常閉節(jié)點和FSSS 邏輯判斷輸出的DO 常開節(jié)點并聯后，再串入110 V 直流跳磨驅動回路。當FSSS 控制器邏輯判斷DO 動作或者MFT 硬回路動作，均會使驅動回路閉合帶電，去跳閘磨煤機。

2.2 帶電動作回路

MFT 帶電動作硬回路與失電動作回路最大的不同之處在于其有保護拒動的風險，一般對其硬跳閘回路設計有2 套完全獨立的冗余回路，其中一回路帶電后硬回路MFT 保護均會輸出。對只有1 套跳閘電氣回路的原理如圖4 和圖5，由圖4 可知，如果主驅動回路電源失去、保險絲熔斷或回路接線松斷，均會造成MFT 硬回路輸出拒動。

以磨煤機為例，在圖5 中，去跳閘磨煤機A的6 kV 開關，采用MFT 帶電動作單硬跳閘回路輸出繼電器的常開節(jié)點和FSSS 邏輯判斷輸出的DO常開節(jié)點并聯后，再串入110 V 直流跳磨驅動回路。當FSSS 控制器邏輯判斷DO 動作或MFT 硬回路動作，均會使驅動回路閉合帶電，去跳閘磨煤機。

如果是冗余配置完全獨立的電氣硬跳閘回路，如圖6 所示，對串入回路的手動MFT 按鈕接線，則采用各取1 個按鈕上的1 對常開節(jié)點串聯后接入電氣回路。按下任意一個MFT 按鈕，2 套硬驅動回路均不會帶電;只有同時按下2 個按鈕后，MFT硬回路才會動作。

由DCS 系統邏輯判斷產生MFT 條件，并分別通過3 塊不同的DO 端子板輸出至#1—#3 繼電器，每個繼電器取2 對相互獨立的常開干節(jié)點A，B，共6 對DO 節(jié)點去硬回路1 實現3 取2 硬邏輯，主驅動回路1 閉合帶電產生MFT;另外，由邏輯判斷MFT 輸出分別通過3 塊不同的DO 端子板輸出至#4—#6 繼電器，每個繼電器取2 對相互獨立的常開干節(jié)點A 和B，共6 對DO 節(jié)點去硬回路2 實現3取2 硬邏輯，主驅動回路2 閉合帶電產生MFT。與前文圖2 回路邏輯輸出原理類似，任意一個輸出的卡件故障、端子板故障、輸出繼電器故障或接線松動，都不會造成控制器邏輯判斷主保護輸出至硬回路誤動、拒動。

其中MFT 輸出去跳閘各設備的原理，以磨煤機為例，如圖7。去跳閘磨煤機A 的6 kV 開關，采用2 套MFT 硬回路輸出繼電器的常開節(jié)點和FSSS 邏輯輸出的DO 常開節(jié)點并聯后，再串入110 V 直流跳磨驅動回路。當FSSS 邏輯判斷輸出DO動作或者任意一套MFT 硬回路動作，均會使驅動回路閉合帶電，去跳閘磨煤機。

3 ETS 主保護硬回路典型設計及分析

汽機本體危急遮斷保護系統(ETS)，主要功能是實時監(jiān)控影響汽機安全穩(wěn)定運行的參數，當其超過設定值時控制就地汽輪機遮斷電磁閥動作，快速泄掉AST 油管油壓，實現緊急停機，以避免重大事故發(fā)生。

傳統的ETS 保護邏輯控制實現一般采用冗余配置且獨立于DCS 系統的PLC 來實現，任意一套PLC 故障或失電，均不會引起汽輪機跳閘。對于手動停機回路一般采用停機信號進PLC 的開關量輸入通道，邏輯判斷輸出;為了滿足規(guī)程要求，部分電廠同時將手動停機按鈕常閉干節(jié)點輸出，直接串入AST 電磁閥回路，來實現硬回路打閘停機。

目前新建火電廠中，開始將ETS 保護的控制實現納入DCS 一體化設計，如鍋爐主保護一樣，ETS 主保護回路同樣也有了明確意義上的軟、硬保護回路。典型的ETS 電氣硬回路原理如圖8，控制回路設計同樣需充分考慮電源及回路接線等因素引起的誤動、拒動風險。

在圖8 的ETS 動作跳閘電氣回路中，集控室來手動停機按鈕各取2 組常開結節(jié)點，并聯后再串入繼電器驅動回路，按下任意一個按鈕，保護均不會動作。ETS 邏輯判斷輸出分別通過3 塊不同的DO 端子板輸出至#1—#3 繼電器，每個繼電器各取2 對相互獨立的常開干節(jié)點A 和B 共6 對DO 節(jié)點，串入繼電器驅動回路實現3 取2 硬邏輯，與前文圖2回路邏輯輸出原理類似，任意一個輸出的卡件故障、端子板故障、輸出繼電器故障或接線松動，都不會造成控制器邏輯判斷輸出至硬回路誤動、拒動。

主驅動回路閉合帶電使繼電器JR1—JR8 動作，AST1—AST4 電磁閥失電跳機。其中AST1 和AST3 任意一個電磁閥失電，且AST2 和AST4 任意一個電磁閥失電，就地AST 裝置泄油壓跳機。另外，從ETS 輸出的試驗1 至試驗4 的DO 節(jié)點直接串入AST 電磁閥回路，既可以實現單個電磁閥的在線試驗，又可以同時實現跳機保護，其中試驗1、試驗3 輸出DO 點取自1 塊端子板及模件，試驗2、試驗4 輸出DO 點取自另外1 塊端子板及模件。當任意一塊DO 端子板或模件故障時，不會造成跳機主保護誤動。

一路UPS 電源給AST1，AST3 電磁閥供電，另一路保安電源給AST2，AST4 電磁閥供電，任意一路電源失去后，繼電器驅動回路不會失電，汽輪機也不會誤動跳機。如果UPS 電源和保安電源均失去，繼電器驅動回路會失去供電，同時去就地AST1—AST4 電磁閥全部失電動作停機。綜合看來，圖8 的ETS 動作跳閘電氣回路保護基本無保護拒動風險，造保護誤動的風險也較小。

4 常見問題及建議

1)對主保護硬回路所使用的兩路電源，無論是直流還是交流，都應取自不同的源頭，DCS 應有任意一路電源失去的聲光報警，電源監(jiān)視點應取自電源空氣開關輸出并經過保險絲之后。特別是對失電保護動作回路，電源設計的可靠性尤為重要。

2)多數機、爐主保護硬回路中，都有串入保險絲，防止回路中過流。對失電動作保護的硬回路，一旦保險絲熔斷，控制回路就會動作導致保護誤動。因此，建議僅保留足夠容量的空氣開關，將保險絲置于切換裝置之前或取消保險絲環(huán)節(jié)。

3)關于硬回路的冗余配置，單一失電動作硬回路，有保護誤動風險，如果設置冗余控制回路，其中任意一回路失電均會動作主保護，則會進一步增大誤動風險;如果冗余回路設計成兩路同時失電后才動作主保護，又容易引起保護拒動，因此應重點從提高單一硬回路可靠性的角度來考慮設計。

4)DCS 輸出去主保護硬回路中，一般會設計用DO 輸出硬回路實現3 取2。對新建機組的主保護硬回路，從DCS 邏輯判斷輸出DO 至硬回路動作，應確認所有輸出節(jié)點的有效性，考慮不會因控制器故障或者端子板失電等因素，引起硬保護回路誤動。

5)在大型汽輪機組安全油保護系統中，ETS主保護一般采用AST 電磁閥失電跳機。對就地4個AST 電磁閥的工作電源應分成2 組，任意一路電源失去均不應引起保護誤動。特別應注意的是，對設計有ETS 硬回路的驅動電源與就地AST 工作電源應具有獨立性，相互不干擾。當就地電磁閥回路短路時，不應引起硬保護回路的驅動電源喪失，避免主保護的誤動、拒動。

5 結束語

現代火電廠機、爐主保護系統是保障機組安全重要組成部分，根據機組的實際特點，對MFT 和ETS 硬回路選用科學、合理的設計方式，能有效降低因保護回路故障引起誤動、拒動的風險，保障機組的安全、可靠運行。

〔1〕國家能源局. DL/T 5428—2009 火力發(fā)電廠熱工保護系統設計技術規(guī)定〔S〕. 北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕靳允立. 大機組MFT 硬跳閘回路設計分析〔J〕. 熱力發(fā)電.2010，39 (11):73-76.

〔3〕賈新蕊，董雄鷹. 汽輪機ETS 系統的控制原理及改進〔J〕.華北電力技術，2007，S2:41-44.