火力發(fā)電廠熱工電源的可靠性分析

樓杰力，曹武中

（1.浙江興源投資有限公司，杭州 310007；2.珠海中瑞電力科技有限公司，廣東 珠海 519000）

1 熱工電源的重要性

發(fā)電廠熱工系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著熱力生產(chǎn)過程中全程自動(dòng)控制的使命。為了保證工作可靠性，需要有一個(gè)與之相適應(yīng)的高可靠性電源來支撐其安全可靠運(yùn)行。為此熱工系統(tǒng)一般都設(shè)計(jì)有3種電源：

（1）DC（直流）控制電源 2路，DC 110 V 或DC 220 V，分別來自2組不同的蓄電池組，用于保護(hù)和聯(lián)鎖；

（2）AC（交流）220 V 電源 2路，至少 1路電源來自于機(jī)組UPS（不間斷電源），另一路為保安段（或廠用電源），用于DCS（分散控制系統(tǒng)）和儀表電源；

（3）AC 380 V電源2路，來自于廠用電源和保安電源，用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等動(dòng)力電源。

此外，DL/T 5455-2012《火力發(fā)電廠熱工電源及氣源設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中，對(duì)重要負(fù)荷和交流不間斷負(fù)荷，規(guī)定應(yīng)采用雙路供電，且備用電源應(yīng)自動(dòng)切換，為保證電源切換時(shí)不影響系統(tǒng)的工作，要求設(shè)計(jì)控制回路時(shí)應(yīng)根據(jù)儀器儀表工作特性綜合考慮切換時(shí)間。在檢修時(shí)對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行切換試驗(yàn)并錄波記錄，確保工作電源及備用電源的切換時(shí)間和直流維持供電時(shí)間滿足要求。

因此，各DCS制造廠家對(duì)硬件的配電部分都十分重視，除提高電源部件本身的可靠性外，在設(shè)計(jì)上也不斷完善，以滿足基于微處理器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的DCS對(duì)電源的嚴(yán)格要求，盡量避免因電源故障引起DCS系統(tǒng)失靈。但盡管于此，運(yùn)行中電源受各種因素的限制，仍存在安全隱患，導(dǎo)致機(jī)組跳閘或工作異常事件時(shí)有發(fā)生。

2 電源異常引起機(jī)組跳閘的案例分析

2.1 電源切換異常引起機(jī)組跳閘

某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組，DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）裝置發(fā)出“1號(hào)DEH失電停機(jī)”信號(hào)，ETS（汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)）保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，首出原因顯示為“DEH失電”，首出顯示與事件記錄吻合。

機(jī)組DCS電源冗余設(shè)置，分別接受UPS和廠用電AC 220 V電源，經(jīng)裝置切換后，每路AC 220 V電源分別直接進(jìn)入2個(gè)DC 24 V和1個(gè)DC 48 V電源模件。DC 24 V和DC 48 V電源模件的輸出經(jīng)二極管耦合后作為系統(tǒng)電源，為變送器提供工作電壓，并為開關(guān)元件提供查詢電壓。每一路AC 220 V和DC 48 V電源回路中均設(shè)置過流保護(hù)電氣開關(guān)，DC 24 V電源回路雖未設(shè)置單獨(dú)的電氣保護(hù)開關(guān)，但電源模件上帶有電源開關(guān)。

事發(fā)后通過對(duì)設(shè)備的檢查，AC 220 V的2個(gè)電氣開關(guān)跳閘，其他開關(guān)仍然處于接通位置，即上級(jí)開關(guān)跳閘，下級(jí)開關(guān)未動(dòng)作。查詢歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)UPS電源首先失去，切換過程中廠用電供電也跳閘，造成系統(tǒng)失電。引起UPS電源跳閘的因素除UPS系統(tǒng)自身故障以外，熱工系統(tǒng)的原因分析如下：

（1）DC 24 V與DC 48 V回路出現(xiàn)短路、接地等因素，將導(dǎo)致過電流，引起電源切換失敗。因事后檢查發(fā)現(xiàn)，DC 48 V回路中的過流開關(guān)沒有跳開，即下一級(jí)保護(hù)開關(guān)未動(dòng)作，而上一級(jí)AC 220 V電流保護(hù)開關(guān)動(dòng)作，因此不能排除DC 24 V與DC 48 V回路出現(xiàn)短路造成故障的可能性。

（2）DEH裝置UPS電源和廠用電電源經(jīng)繼電器切換后，還作為EH油、真空試驗(yàn)電磁閥等設(shè)備的試驗(yàn)電源，UPS電源電壓首先出現(xiàn)下降，導(dǎo)致試驗(yàn)電源切換，在切換繼電器動(dòng)作的臨界電壓附近，繼電器觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)和似斷非斷的狀態(tài)，極易引起2路AC 220 V電源回路耦合。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，該繼電器臨界電壓為AC 130 V左右。由于1號(hào)、2號(hào)DEH裝置供電回路相同，檢查2號(hào)機(jī)組2路AC 220 V火線之間的電壓達(dá)AC 300 V左右，若出現(xiàn)2路電源耦合的情況，相當(dāng)于發(fā)生短路故障，會(huì)引起自動(dòng)空氣開關(guān)跳閘。

（3）試驗(yàn)繼電器工作異常。如果試驗(yàn)繼電器觸點(diǎn)出現(xiàn)抖動(dòng)，或者常開觸點(diǎn)也出現(xiàn)導(dǎo)通的情況，也將引起兩路電源的耦合，引起電源跳閘。

2.2 ETS直流電源接地故障引起發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作

某發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組因“主變快速壓力釋放”保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組跳閘。檢修人員檢查發(fā)現(xiàn)DC 110 V A與B段母線都存在接地現(xiàn)象。

經(jīng)檢查，該電源的直流母線上配備了直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀，ETS的2路直流電源存在接地且有合環(huán)現(xiàn)象，分析認(rèn)為此次發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)就是由于ETS直流電源接地合環(huán)造成干擾而引起。后經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)就地主遮斷電磁閥5YV與6YV的線圈電源電纜和其行程開關(guān)以及其他送至ETS的反饋信號(hào)使用的是同一根電纜，而該電纜因高溫已使絕緣受損，導(dǎo)致了2段直流電源合環(huán)，如圖1所示。

圖1 ETS電源回路

以上2例，都是電源問題引起的保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作。因此分析電源引起故障的機(jī)理，采取相應(yīng)的預(yù)控措施，是提高控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要環(huán)節(jié)。

3 雙電源配置及分析

3.1 直流雙電源配置及分析

目前不少控制系統(tǒng)的二路電源都采用二極管切換模式，如圖2所示。

圖2 二極管切換模式

該方案的特點(diǎn)是切換速度快，同時(shí)又能保證兩路直流不形成環(huán)流。正常情況下，基本是處于雙路并聯(lián)工作，電壓高的一路就帶負(fù)荷，電壓低的一路作為備用，失電切換時(shí)間小于1 ms。但由于二極管不能做到電氣隔離，實(shí)際上是把兩套直流系統(tǒng)聯(lián)系起來了，會(huì)給整個(gè)直流系統(tǒng)帶來危險(xiǎn)，特別是發(fā)生直流接地時(shí)無法及時(shí)查找到接地點(diǎn)，新的規(guī)程DL/T 5455-2012中已明確規(guī)定不允許采用二極管切換模式。

直流電源的切換實(shí)際上可有3種模式：繼電器（接觸器、雙投開關(guān)切換）切換和變壓器隔離切換（AC/DC，DC/DC）及以上2種方式的綜合。

（1）接觸器（含機(jī)械開關(guān)）切換模式中，機(jī)械觸點(diǎn)切換最快也需要30 ms，原理如圖3所示。J1和J2聯(lián)鎖保證只有一路接通，能保證電氣隔離，但不滿足熱工保護(hù)供電可靠的要求。

圖3 接觸器切換模式

（2）變壓器隔離切換模式 DC/DC（AC/DC），即將直流調(diào)制成脈動(dòng)的高頻交流，再經(jīng)過高頻變壓器進(jìn)行隔離變換，整流濾波變成直流電，如圖4所示。由于電路為恒流設(shè)計(jì)，在負(fù)載短路時(shí)通過降低輸出電壓達(dá)到恒流輸出，這樣就會(huì)因部分負(fù)載短路造成整個(gè)母線低電壓，引起故障范圍擴(kuò)大。

圖4 變壓器隔離切換模式

（3）雙隔離模式（見圖5）、單隔離模式（見圖6），這二種模式既能滿足電氣隔離，又能保證無擾切換，在任何情況下都不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。通過幾十臺(tái)機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用，證明可消除上述（1）和（2）存在的隱患，提高了電源供電的可靠性，值得推廣應(yīng)用。

圖5 雙隔離模式

圖6 單隔離模式

3.2 AC 220 V電源配置及分析

目前常用的切換方案有接觸器模式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械聯(lián)鎖模式2種。

（1）接觸器模式的主要缺點(diǎn)之一是無電壓判據(jù)，靠線圈釋放來切換，存在不安全隱患。某發(fā)電廠已經(jīng)發(fā)生由于工作電壓下降未達(dá)到釋放電壓，結(jié)果不能切換到備用電源，造成低電壓停機(jī)事故。

（2）目前使用最多的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械雙頭式ATS（自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)）開關(guān)（見圖7）。如果未經(jīng)改進(jìn)切換一般至少在100 ms以上，基本上不能滿足DCS系統(tǒng)、電磁閥、DCS工作站和服務(wù)器的工作要求。而經(jīng)改進(jìn)后，切換時(shí)間最快可以達(dá)到50 ms，可以滿足部分服務(wù)器和工作站要求，但不能滿足控制聯(lián)鎖的要求（聯(lián)鎖用220 V繼電器釋放時(shí)間為20 ms）。在進(jìn)行切換試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)黑屏（重啟），有時(shí)會(huì)引起聯(lián)鎖異動(dòng)等現(xiàn)象。

圖7 機(jī)械雙投式ATS開關(guān)示意

采用晶閘管組成的靜態(tài)切換開關(guān)，可以在5 ms內(nèi)切換完畢，切換試驗(yàn)波形見圖8。

靜態(tài)開關(guān)是全電子元件，提高靜態(tài)開關(guān)的可靠性是重要的環(huán)節(jié)。由于切換速度快，無法實(shí)現(xiàn)冗余配置，除了在元器件的選擇上加以控制之外，用旁路來提高可靠性也是一種方案。在正常工作時(shí)采用STS（靜態(tài)開關(guān)）切換，切換時(shí)間在5 ms之內(nèi)，只有當(dāng)STS故障或異常則旁路到ATS，也能保證切換在50 ms之內(nèi)。切換原理如圖9所示。

圖8 靜態(tài)開關(guān)切換波形

圖9 靜態(tài)開關(guān)帶旁路切換原理

4 結(jié)語

因廠家不同，設(shè)備對(duì)電源要求也不盡相同。對(duì)于電源的選擇需要綜合多方面的條件加以考慮，特別是老發(fā)電廠的改造還要兼顧安裝位置等條件限制。通過對(duì)熱工直流電源的大量調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)ZR-ATS/DC系列直流雙電源無擾切換裝置在全國30多個(gè)發(fā)電廠有使用，運(yùn)行情況良好，可以滿足現(xiàn)場熱工直流無擾切換的要求，又能保證電氣的雙路隔離，符合相關(guān)規(guī)程要求。

在交流220 V切換設(shè)備選型時(shí)，結(jié)合珠海中瑞電力科技有限公司的ZR-SATS切換裝置（5 ms切換）和ZR-UPS切換裝置（0 s切換）在現(xiàn)場的使用情況表明，這種更加快速的切換模式大大提高熱工電源的可靠性，為發(fā)電廠熱工系統(tǒng)電源改造選型多了一種選擇。

[1]孫長生，朱北恒，孫維本，等.火電廠熱工系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]DL/T 5455-2012火力發(fā)電廠熱工電源及氣源設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2012.

[3]DL/T 5428-2009火力發(fā)電廠熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].北京：中國電力出版社，2009.