火電廠負荷供電故障機理分析與解決策略

孔永科，薛立軍，王立超，石山

（廣東粵電集團珠海發(fā)電廠，廣東珠海，519050）

火電廠負荷供電故障機理分析與解決策略

孔永科，薛立軍，王立超，石山

（廣東粵電集團珠海發(fā)電廠，廣東珠海，519050）

火電廠關鍵負荷控制電源穩(wěn)定性與機組安全運行密切相關。圍繞故障案例實際，模擬得到了故障期間母線各相電壓值，與實際值相吻合?；诖?，分析提出了一種結合控制電源直流改造和變頻器低電壓穿越的解決策略，將能夠有效避免廠內低電壓事故引起的控制電源失電，保證機組安全運行。

火電廠；數(shù)值模擬；直流改造；低電壓穿越

引言

隨著供電機組容量日趨增大，設備自動化程序不斷提高，機組運行安全要求愈發(fā)嚴格，必須力爭故障所造成的損失降到最低。馬達控制電源（MCC）為火電廠控制系統(tǒng)的二次電源，其供電可靠性直接影響著整個發(fā)電系統(tǒng)的安全運行[1]。發(fā)電廠的機組保安負荷在失去正常供電后，會造成嚴重廠內故障，造成巨大經(jīng)濟損失。為確保供電可靠性，通常由一主一備兩路電源為保安負荷供電，正常情況下，當MCC段主電源失電時，會切換到備用電源，以保證MCC段供電的可靠性。若切換失敗，則重要負荷失去電源，將引起設備異常、跳機等嚴重后果[2,3]。

1 典型案例分析

某電廠0.4 kV MCC控制電源分為兩類，一類為沒有經(jīng)過電源改造的MCC段，供電方式為MCC開關間隔自供電方式，控制電源取自MCC間隔動力電源A、B相；另一類為經(jīng)過電源改造的MCC段，供電方式為直流110 V系統(tǒng)供電。本文通過實際故障案例的定性分析，對兩種控制電源方案進行可靠性比較，提出了改進方案。

1.1 案例介紹

2016年07月，因極端雷暴天氣，220 kV母線發(fā)生三相短路故障，某廠#1、#2機組廠用電電壓大幅降低，造成了主機系統(tǒng)部分0.4 kV MCC馬達跳閘，導致了機油泵故障跳閘。此外，脫硫系統(tǒng)吸收塔、漿液泵、石灰石漿液箱、石膏溢流漿液箱全部攪拌器跳閘，電除塵系統(tǒng)部分高壓電場跳閘。

廠用電系統(tǒng)示意如圖1所示。故障主要原因：220 kV母線由于受到雷擊，發(fā)生了三相短路，引起對側臨港站母差保護動作，跳開對側海臨乙線開關，同時發(fā)出“遠方跳閘”指令，導致該廠海臨乙線開關跳開。

故障造成該廠220 kV母線電壓大幅降低，通過查看機組故障錄波器波形，故障時刻該廠220 kV母線電壓大幅降低，三相對地電壓由正常時的135 kV降至11.8 kV，為原來的十分之一以下，6.3 kV廠用電降為3 kV左右，故障持續(xù)時間大約為70 ms。

廠用400 V母線無錄波記錄，因此無法得到故障時刻的真實電壓，但0.4 kV電壓都是6.3 kV經(jīng)過廠低變轉換而來。根據(jù)6.3 kV的錄波情況，判斷在故障時刻，0.4 kV母線電壓基本為正常電壓的50%左右。

圖1 廠用電系統(tǒng)示意圖

1.2 故障分析與改造設想

在兩類0.4 kV MCC控制電源中，沒有經(jīng)過改造的MCC段配置了SAMMS-LVX低壓馬達綜合保護；改造過的MCC段配置了ABB公司M102綜合保護繼電器。

1.2.1 未改造過的MCC段馬達

采用SAMMS-LVX低壓馬達綜合保護繼電器，控制電源為MCC開關間隔自供電方式，電源取自MCC間隔動力電源A、B兩相。開關間隔內配置控制變壓器，將380 V電源轉換為交流120 V和交流12 V，其中120 V為接觸器控制電源，12 V為SAMMS工作電源。查詢SAMMS使用手冊，其正常的工作電壓約為12 V（對應母線電壓380 V），最低工作電壓為9.6 V（對應母線電壓300 V）。

由前述可知，故障時刻，0.4 kV母線電壓降至額定時的一半左右，理論推算接觸器的控制電源與SAMMS工作電源均降至原來的一半，有可能發(fā)生SAMMS停止工作，接觸器斷開電機并停止運行。

1.2.2 改造過的MCC段馬達

改造過的MCC段上馬達配置了M102 保護，采用直流110 V控制電源供電。此電源由直流屏柜引出，不受電網(wǎng)電壓波動影響。

保護繼電器不會因母線電壓低而發(fā)出接觸器跳閘指令，所以只要電壓及時恢復，接觸器會立刻吸合，此次故障失電時間很短（70 ms），所以接觸器的脫扣時間也只有不到100 ms，對馬達運行幾乎沒有影響，可靠性將大大提高。

2 建模仿真

為便于分析220 kV母線故障對電壓的影響，建立圖1所示模型。220 kV母線電壓通過廠高變后轉換為6.3 kV母線電壓，6.3 kV母線電壓經(jīng)脫硫變后轉換為0.4 kV廠用控制電源。表1所示仿真模型發(fā)電機組等值系統(tǒng)的兩種運行方式，基于此，分別模擬母線電壓跌落，得到不同運行方式下的0.4 kV控制電源電壓值。

表2為仿真參數(shù)設定，按照該廠實際運行參數(shù)，給出了發(fā)電機、主變壓器、啟備變壓器的容量、短路阻抗、額定電壓、額定電流及二次電流。此為前置仿真條件，在此條件下，模擬220 kV母線電壓跌落得到仿真數(shù)據(jù)。

表1 等值系統(tǒng)

表2 主設備參數(shù)匯總表

2.1 數(shù)據(jù)分析

分別在表1所列出的大運行方式及小運行方式下，模擬220 kV母線故障，得到6.3 kV及0.4 kV母線各相電壓。故障類別AN為A相與中線短路；BN為B相與中線短路；CN為C相與中線短路；ABCN為三相電壓均與中線電壓短路，數(shù)據(jù)特征如圖2所示。以ABCN故障進行數(shù)據(jù)分析，其他數(shù)據(jù)與此類似。

圖2 母線故障數(shù)據(jù)雷達圖

從大運行方式ABCN故障類型可知，當發(fā)生220 kV母線三相電壓與中線短路的故障時，廠高變原三相額定輸出的5.12 kV變?yōu)锳相2.43 kV、B相2.48 kV、 C相2.45 kV，跌落至47%左右。廠高變電壓二次側為脫硫變的三相輸入，廠用控制電源由原額定的0.32 kV變?yōu)锳相0.15 kV、B相0.15 kV、C相0.16 kV，跌落至47%左右。在此工況下，會使電廠重要負荷失電跳閘，進而引起安全事故。小運行方式道理類似，不再贅述。

圖3 大運行方式下220 kV母線ABCN故障電壓波形

圖4 小運行方式下220 kV母線ABCN故障電壓波形

圖3 、圖4分別為發(fā)電機在兩種運行方式下，220 kV母線三相故障時，0.4 kV廠用控制電源的電壓波形。經(jīng)過對仿真數(shù)據(jù)的對比分析可知，當220 kV母線發(fā)生三相短路故障時，6.3 kV母線電壓約降至額定值的47%左右。由章節(jié)1.1的案例描述可知，實際故障期間該廠6.3 kV母線電壓跌落至3 kV左右（47.6%），基本與故障模擬情況一致。

3 故障解決措施

3.1 控制電源直流改造

案例中，當取自0.4 kV母線的MCC段馬達發(fā)生交流母線電壓跌落時，控制電源電壓也會相應跌落，當?shù)渖疃冗_到負荷最低工作電壓值時，會發(fā)生主機系統(tǒng)馬達故障，進而引起安全故障。該廠跳機的馬達主要有送風機油泵、氫側密封風機、小機油泵，且全部位于未改造的MCC母線上。

直流供電系統(tǒng)不受當?shù)仉娋W(wǎng)復雜的負荷變化、晝夜變化、電站多樣化等因素而產生電網(wǎng)電壓過高或過低的現(xiàn)象[3]，也不受當?shù)卮笮驮O備開啟、關閉等因素而產生電磁干擾、諧波、閃變、浪涌等現(xiàn)象，杜絕了當?shù)貜碗s電力網(wǎng)絡中直接雷和感應雷對設備的損害，避免引起關鍵負荷跑跳機的現(xiàn)象[4]。

取自直流屏柜的110 V直流電源可以為信號系統(tǒng)、繼電保護與自動裝置等提供穩(wěn)定的工作電源，對保障電廠的持續(xù)和安全運行至關重要，即便發(fā)生交流母線失電的情況，仍可為部分關鍵負荷提供一定時間的供電保證，大大提高關鍵負荷安全運行的穩(wěn)定性。在該廠故障中，位于改造過的MCC母線段上的綜保繼電器采用直流供電，不會因為母線電壓跌落而引起失電故障，故只要母線電壓及時恢復，接觸器會在毫秒級的時間內立即吸合，對馬達運行幾乎沒有影響。

3.2 變頻器低電壓穿越

變頻器是火電廠發(fā)電重要的輔機設備，但大多數(shù)變頻器的低電壓穿越能力很差。當出現(xiàn)控制電源電壓跌落時，很可能造成變頻器閉鎖，退出運行。為滿足火電廠輔機變頻器低電壓穿越的技術要求，保證在電網(wǎng)電壓跌落期間，變頻器仍可穩(wěn)定工作，需配置低電壓穿越電源[5]。

變頻器低電壓穿越電源采用電力電子變換技術，設計了一種DC-DC升壓電路。此電源輸入為廠用380 V控制電源，輸出為520 V直流電源，接入變頻器直流母線。平時處于后備運行方式，當出現(xiàn)廠內低電壓時，電源啟動并快速響應，穩(wěn)定輸出直流電源，供變頻器正常運行。

4 結論

本文從實際案例出發(fā)，通過220 kV母線故障分析，得到了關鍵負荷供電電壓的變化趨勢作為理論依據(jù)。進而，通過實際電網(wǎng)母線故障，分析和闡述了關鍵負荷交直流供電的優(yōu)缺點，從而提出一種變頻器低電壓穿越期間可靠運行的改進方案。通過配置低電壓穿越電源，保證了變頻器及其拖動電機系統(tǒng)在電壓跌落時的轉速、功率、轉矩不變。此裝置為后備式運行，正常情況下不參與控制，從而降低了故障概率。低電壓期間啟動迅速，動作切換時間為毫秒級，對變頻器的穩(wěn)定運行不會造成沖擊。

[1]卞二東, 李繼忠. MCC雙電源自動切換故障排除及改造[J]. 電力安全技術, 2012, 14(4): 37-39.

[2]孫志剛. 火電廠直流系統(tǒng)的調試技術研究[J]. 中國機械, 2014(24): 63-64.

[3]魯慶初, 王平, 馮泮臣. 變電站及電廠直流系統(tǒng)的討論[J]. 電源技術應用, 2012(10): 217.

[4]李世雄, 胡俊, 安福旺. 火電廠廠用保安電源的設計優(yōu)化[J]. 內蒙古電力技術, 2011, 29(4): 66-69.

[5]劉耀中, 馬永崗, 王國慶, 等. 火電廠輔機變頻器低電壓穿越電源的設計[J]. 電力電子技術, 2014, 48(11): 13-15.

Mechanism Analysis on Supply Fault of Load in Thermal Power Plant and its Resolution Strategy

KONG Yong-ke, XUE Li-jun, WANG Li-chao, SHI Shan
(Zhuhai Power Plant, Guangdong Yuedian Group Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong,519050, China)

The stability of control power supply for essential load in thermal power plant is closely related to the safe operation of the unit. In accordance with a case of fault, the voltage value of each phase is simulated and proved consistent with the actual value, and based on which, a resolution strategy is carried out through combination of reformation on DC control power supply and cut across on low voltage of converter, aiming to effectively avoid the control power loss caused by the low voltage, which will further guarantee the normal operation of the unit.

Thermal Power Plant; Numerical Simulation; DC Reformation; Cut Across on Low Voltage

TM611

A

2095-8412 (2016) 06-1155-05

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.027

孔永科(1977-)，男，碩士研究生，工程師。研究方向：繼電保護及電力系統(tǒng)自動控制。

E-mail: kongyk@sina.com