220 V直流II段智能監(jiān)控裝置故障原因分析與處理

董翰寧，董錦川

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司電力檢修分公司，北京100068；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山064309）

220 V直流II段智能監(jiān)控裝置故障原因分析與處理

董翰寧1，董錦川2

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司電力檢修分公司，北京100068；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山064309）

主要是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析水泵水輪發(fā)電機(jī)在水泵工況運(yùn)行過程中，由于地下廠房220 V直流II段智能監(jiān)控裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行老化，裝置瞬時(shí)故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)電壓超限。造成監(jiān)控系統(tǒng)1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU停止工作，1號(hào)機(jī)組跳閘停機(jī)。通過認(rèn)真分析研究決定對(duì)地下廠房220 V直流II段智能監(jiān)控裝置進(jìn)行更換，更換后的裝置運(yùn)行正常，最終徹底消除此隱患。為抽水蓄能電站今后的運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)方面提供了借鑒。

水泵水輪發(fā)電機(jī)；直流；監(jiān)控裝置；故障

1 電廠概況

某抽水蓄能電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘繛?00萬kW。電站上水庫設(shè)計(jì)有效庫容895.11萬m3，下水庫有效庫容895.11萬m3，額定水頭225 m。電站引水系統(tǒng)長(zhǎng)度2 065.6/2 043.7 m，采用2管4機(jī)方式布置，設(shè)計(jì)年發(fā)電量13.382億kW·h，設(shè)計(jì)年抽水電量17.843億kW·h，年發(fā)電利用1338h，設(shè)計(jì)綜合效率75%。機(jī)組以II回220 kV出線接入某電網(wǎng)，機(jī)組全部由該電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，主要服務(wù)于該電網(wǎng)，電站在系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰、填谷作用，兼有調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等功能。

2 事件經(jīng)過

2016年03月22日02:34，電站監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)出地下廠房直流系統(tǒng)I段動(dòng)力母線（現(xiàn)地為II段），“PWR BUS SECI VOLT A LIM2”（電壓超限2）及“PWR BUS SECI VOLT A LIM1”（電壓超限1）、1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元UPS“BUSBAR INVERTER PWR2 FAULT”、1號(hào)機(jī)組“OSM PROCESSBUS FAULT”、1號(hào)機(jī)組“P/TOLMPROFIBUS PDR FAULT”、1號(hào)機(jī)組“UPS DC OVERVOLTAGE FAULT”、1號(hào)機(jī)組“UPS INVERTER FAULT”。

1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元柜顯示UPS逆變器故障、1號(hào)機(jī)組UPS母線過壓報(bào)警信息，1號(hào)機(jī)組緊急停機(jī)。現(xiàn)地直流充電柜3內(nèi)智能監(jiān)控裝置上顯示“母線電壓超限”和“充電輸出超限”。

1號(hào)機(jī)停機(jī)后匯報(bào)省調(diào)相關(guān)情況，申請(qǐng)2號(hào)機(jī)組抽水并網(wǎng)。檢查1號(hào)機(jī)停機(jī)流程和相關(guān)參數(shù)正常。

運(yùn)維人員切換1號(hào)機(jī)UPS供電至旁路。切換地下廠房直流系統(tǒng)由I、II段分段運(yùn)行至I段帶I、II段運(yùn)行，恢復(fù)地下廠房直流系統(tǒng)II段正常運(yùn)行。

3 處理過程

3.1 情況梳理

監(jiān)控系統(tǒng)有地下廠房220 V直流II段電壓超限報(bào)警，地下廠房220 V直流II段現(xiàn)地盤柜有電壓超限報(bào)警。

1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU1 UPS故障與地下廠房220 V直流II段電壓超限故障同時(shí)出現(xiàn)，應(yīng)該由地下廠房220 V直流II段電壓超限引起UPS切換，但UPS兩個(gè)逆變器未成功切換至旁路側(cè)，負(fù)載短時(shí)失電，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)CPU停電，最終導(dǎo)致1號(hào)機(jī)組跳機(jī)。

3.2 問題排查

首先，直流系統(tǒng)故障排查，根據(jù)監(jiān)控及現(xiàn)地報(bào)警信息判斷出地下廠房220 V直流II段動(dòng)力母線電壓瞬時(shí)超限，瞬時(shí)最大值達(dá)到302 V DC，監(jiān)控系統(tǒng)上地下廠房220 V直流II段動(dòng)力母線電壓高報(bào)警2電壓值為250 V DC，高報(bào)警1電壓值為270 V DC，地下廠房直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置上動(dòng)力母線電壓高超限設(shè)置值為260V，控制母線電壓高超限設(shè)置值為242V。

其次，UPS故障排查：

（1）現(xiàn)場(chǎng)主要報(bào)警信息如下：

1）02:34:00 1號(hào)機(jī)組UPS報(bào)出1號(hào)機(jī)組逆變器故障。

2）02:34:00 1號(hào)機(jī)組UPS報(bào)出1號(hào)機(jī)組母線過壓。

3）02:34:39監(jiān)控硬件組態(tài)顯示CPU從啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)為運(yùn)行模式。

（2）根據(jù)以上信息判斷，此時(shí)1號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)UPS控制柜輸出電源斷電，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)CPU失電。

3.3 確定故障點(diǎn)

（1）此次故障是由于智能監(jiān)控裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行設(shè)備老化導(dǎo)致模塊瞬時(shí)故障，充電機(jī)組高頻電源模塊的輸出電壓值超限，即地下廠房220 V直流II段動(dòng)力母線電壓超限，隨之引起控制母線電壓也超限。

（2）LCU1就地單元系統(tǒng)的逆變部分是由兩臺(tái)3 kVA的逆變器組成的串聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行的，該逆變器正常工作的直流電壓范圍是185～280 V DC，當(dāng)直流輸入電壓大于280 V DC或小于185 V DC時(shí)，逆變器自動(dòng)保護(hù)轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行（但要滿足旁路電壓在187～253 V AC的正常范圍內(nèi)，即保證旁路電壓正常)。

（3）其直流輸入電源是由LCU1就地單元系統(tǒng)的直流部分的3個(gè)220 V DC并聯(lián)的直流模塊和外部?jī)陕分绷髌敛⒔庸┙o。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是外部直流屏故障致直流輸入電壓瞬間上升到290 V DC，導(dǎo)致兩臺(tái)逆變器同時(shí)保護(hù)轉(zhuǎn)旁路，逆變器轉(zhuǎn)旁路的時(shí)間小于8 ms。備用逆變器的輸出是接到主逆變器的旁路輸入端的，在備用逆變器切換過程中，主逆變器的旁路輸入電壓為0 V，主逆變器檢測(cè)旁路電壓輸入超出范圍，認(rèn)為電壓異常，轉(zhuǎn)換失敗，導(dǎo)致負(fù)載瞬間失電。

3.4 處理步驟

（1）對(duì)地下廠房220 V直流II段智能監(jiān)控裝置進(jìn)行更換，更換后的裝置運(yùn)行正常。

（2）對(duì)1號(hào)機(jī)現(xiàn)地控制單元柜T1CRN01電源柜進(jìn)行切換試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果無瞬時(shí)斷電現(xiàn)象，供電情況均正常。

（3）對(duì)1號(hào)機(jī)現(xiàn)地控制單元柜T1CRN01逆變器進(jìn)行檢查更換。

（4）對(duì)1號(hào)機(jī)現(xiàn)地控制單元柜電源進(jìn)行改造。

1）直流部分

①將系統(tǒng)的直流輸入分為3個(gè)直流母排，直流母排1由系統(tǒng)的第1個(gè)整流模塊和外部1個(gè)直流屏提供輸入電源，然后供給備用逆變器直流電壓。

②第2個(gè)直流母排由系統(tǒng)的第2個(gè)、第3個(gè)整流模塊和外部的另1個(gè)直流屏提供電源，然后供給主逆變器直流電壓。

③第3個(gè)直流母排由第1和第2個(gè)直流母排提供電壓，然后供給系統(tǒng)的直流負(fù)載。

④直流母排1、直流母排2與直流母排3之間均有一組二極管，這樣直流母排1和直流母排2之間的電壓互不影響，直流母排1和直流母排2的電壓不會(huì)同時(shí)增大，不會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)逆變器同時(shí)切換，可以避免切換失敗的發(fā)生。

2）交流部分

改造前的交流負(fù)載是由主逆變器逆變輸出帶負(fù)載，經(jīng)檢查確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)重要負(fù)載是雙路電源輸入的，現(xiàn)將有雙路電源輸入的負(fù)載改為一路電源由備用逆變器提供，另一路電源由主逆變器提供。

4 原因分析

（1）地下廠房220 V直流II段智能監(jiān)控裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行老化，裝置瞬時(shí)故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)電壓超限。

（2）1號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)UPS逆變器在直流電源供電母線超壓時(shí)，導(dǎo)致兩臺(tái)逆變器同時(shí)保護(hù)轉(zhuǎn)旁路，逆變器轉(zhuǎn)旁路的時(shí)間小于8 ms。備用逆變器的輸出是接到主逆變器的旁路輸入端的，在備用逆變器切換過程中，主逆變器的旁路輸入電壓為0 V，主逆變器檢測(cè)旁路電壓輸入超出范圍，認(rèn)為電壓異常，轉(zhuǎn)換失敗，導(dǎo)致負(fù)載瞬間失電。負(fù)載短時(shí)失電，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU停止工作。

（3）運(yùn)維人員日常檢查時(shí)維護(hù)檢查、試驗(yàn)內(nèi)容不全，試驗(yàn)方法有局限性，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患。

（4）設(shè)備更新改造計(jì)劃制定不及時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備未能及時(shí)進(jìn)行升級(jí)改造。

（5）故障機(jī)理復(fù)原：地下廠房直流系統(tǒng)II段智能監(jiān)控裝置故障導(dǎo)致充電機(jī)組高頻電源模塊的輸出電壓值超限，即地下廠房220 V直流II段動(dòng)力母線電壓超限，同時(shí)引起由動(dòng)力母線調(diào)壓的控制母線電壓也超限。

1號(hào)機(jī)組UPS正常由地下廠房直流系統(tǒng)的控制母線供電，由于控制母線電壓超限，導(dǎo)致1號(hào)機(jī)組母線過壓，引起1號(hào)機(jī)組逆變器故障。

監(jiān)控硬件組態(tài)顯示CPU從啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)為運(yùn)行模式。而逆變器故障后未能正確切換至旁路供電，導(dǎo)致1號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)UPS控制柜輸出電源斷電，負(fù)載短時(shí)失電，監(jiān)控系統(tǒng)1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元CPU停止工作，1號(hào)機(jī)組跳機(jī)。

1號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)UPS電源工作原理：

（1）3路交流電源（2路取自廠用電、1路取自地區(qū)電源），分別給3個(gè)整流器供電，3個(gè)整流器通過整流分別給UPS控制柜內(nèi)的直流母線供電，廠內(nèi)直流系統(tǒng)也通過2路給UPS控制柜內(nèi)的直流母線供電，總共有5路電源給UPS控制柜內(nèi)的直流母線供電，用于逆變器直流電源。任何1路或多路正常供電，UPS直流母線均不會(huì)停電。

（2）當(dāng)正常供電時(shí)，逆變器A3和A4從UPS柜中直流總線L+和L-取220V DC電源，經(jīng)過逆變，輸出220 V AC；兩個(gè)逆變器A3和A4互為熱備用（其中A4主用，A3備用）。

（3）當(dāng)直流總線L+和L-直流電源故障（斷線或超壓）時(shí)，兩個(gè)逆變器會(huì)切至旁路運(yùn)行（即交流電通過F38和F39分別通過旁路給交流輸出供電）。

（4）如果直流超壓，超過242 V DC即會(huì)切換，最大耐壓值到達(dá)280 VDC。

圖1 1號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)逆變模塊

5 暴露問題

（1）地下廠房220 V直流系統(tǒng)、1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU1 UPS均沒有有效的抑制電壓瞬時(shí)超限的裝置，致使電壓瞬時(shí)超限直接影響直流系統(tǒng)及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）直流系統(tǒng)、UPS檢修維護(hù)檢查、試驗(yàn)內(nèi)容不全，試驗(yàn)方法有局限性，未考慮到電壓突變對(duì)系統(tǒng)的影響。

（3）運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理掌握不夠，對(duì)故障設(shè)備分析能力不足。

6 防止對(duì)策

為預(yù)防和控制同類缺陷再次發(fā)生而采取的技術(shù)措施、管理措施，以及舉一反三的排查和防控措施等見表1所示。

表1

7 結(jié)束語

本文對(duì)某抽水蓄能電站水泵水輪發(fā)電機(jī)組在水泵工況運(yùn)行過程中，由于設(shè)備更新改造計(jì)劃制定不及時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備未能及時(shí)進(jìn)行升級(jí)改造而發(fā)生的故障原因，進(jìn)行認(rèn)真分析及相應(yīng)的檢查處理過程進(jìn)行了介紹，可以看出，地下廠房220 V直流II段智能監(jiān)控裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行老化，裝置瞬時(shí)故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)電壓超限，同時(shí)引起由動(dòng)力母線調(diào)壓的控制母線電壓也超限，導(dǎo)致1號(hào)機(jī)組現(xiàn)地控制單元柜顯示UPS逆變器故障、1號(hào)機(jī)組UPS母線過壓報(bào)警信息，1號(hào)機(jī)組緊急停機(jī)。針對(duì)此問題該電站立即采取了可靠措施盡早恢復(fù)了相關(guān)機(jī)組的運(yùn)行，同時(shí)，切換1號(hào)機(jī)UPS供電至旁路。切換地下廠房直流系統(tǒng)由I、II段分段運(yùn)行至I段帶I、II段運(yùn)行，恢復(fù)地下廠房直流系統(tǒng)II段正常運(yùn)行。通過近一段時(shí)間設(shè)備的運(yùn)行情況看，取得了比較理想的效果。

TV738

B

1672-5387（2017）12-0036-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.12.014

2017-11-01

董翰寧（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、檢修工作。