發(fā)電機(jī)解列信號(hào)擴(kuò)展繼電器組改造設(shè)計(jì)

王 剛

（秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003）

秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司3 號(hào)機(jī)組原發(fā)電機(jī)解列信號(hào)擴(kuò)展繼電器組設(shè)計(jì)存在隱患，如輸出信號(hào)拒動(dòng)，將導(dǎo)致機(jī)組嚴(yán)重超速或功率不可控；如輸出信號(hào)誤動(dòng)，將導(dǎo)致機(jī)組逆功率跳閘，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于這種情況，利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)對(duì)原發(fā)電機(jī)解列信號(hào)擴(kuò)展繼電器組進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)、改造。此次設(shè)計(jì)、改造中的幾個(gè)要點(diǎn)將在此文中進(jìn)行總結(jié)、分析。

1 原擴(kuò)展繼電器組存在的隱患

3 號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)解列信號(hào)分別取自220kV 開關(guān)站的A、B、C 三相主油開關(guān)的中間繼電器接點(diǎn)，解列后該接點(diǎn)閉合，再由信號(hào)電纜送至3 號(hào)機(jī)組保護(hù)室內(nèi)發(fā)電機(jī)解列信號(hào)擴(kuò)展繼電器柜，3 個(gè)信號(hào)各由一個(gè)擴(kuò)展繼電器實(shí)現(xiàn)信號(hào)擴(kuò)展。3個(gè)擴(kuò)展繼電器的常閉接點(diǎn)作為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)，分別輸出一路送至DEH 系統(tǒng)，由DEH 系統(tǒng)進(jìn)行三取二運(yùn)算判斷后，參與重要控制邏輯和聯(lián)鎖保護(hù)；3 個(gè)擴(kuò)展繼電器再分別輸出一路常開接點(diǎn)作為發(fā)電機(jī)解列信號(hào)，在柜內(nèi)采用硬線搭接三取二后，輸出一路發(fā)電機(jī)解列信號(hào)送至ETS，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)解列跳機(jī)保護(hù)功能[1]。3 個(gè)擴(kuò)展繼電器的電源取自熱工220V 直流電源柜，配有電源監(jiān)視繼電器，輸出電源失電報(bào)警信號(hào)至熱工報(bào)警信號(hào)系統(tǒng)。

原擴(kuò)展繼電器組存在以下隱患：

1）擴(kuò)展繼電器的電源為單路220V 直流供電，失去電源將導(dǎo)致DEH、ETS 系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)聯(lián)鎖拒動(dòng)，電源回路接地將導(dǎo)致保護(hù)聯(lián)鎖誤動(dòng)。

2）每相主油開關(guān)動(dòng)作信號(hào)采用單一擴(kuò)展繼電器擴(kuò)展，至ETS、DEH 系統(tǒng)信號(hào)共用同一繼電器，兩個(gè)系統(tǒng)采樣信號(hào)電壓等級(jí)不同，使風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)集中，降低了可靠性。

2 擴(kuò)展繼電器組改造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 擴(kuò)展繼電器組合設(shè)計(jì)

原擴(kuò)展繼電器組采用的方式是每相主油開關(guān)動(dòng)作信號(hào)送給一個(gè)擴(kuò)展繼電器，A、B、C 三相共有3 個(gè)擴(kuò)展繼電器，至DEH、ETS 系統(tǒng)的擴(kuò)展信號(hào)均由這3 個(gè)擴(kuò)展繼電器帶動(dòng)。當(dāng)其中任意一個(gè)擴(kuò)展繼電器出現(xiàn)故障，接點(diǎn)所帶信號(hào)將無法輸出。而且，由220kV 開關(guān)站來的主油開關(guān)動(dòng)作信號(hào)在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后長(zhǎng)期處于斷開狀態(tài)，擴(kuò)展繼電器不動(dòng)作，其是否正常無法得知。只有發(fā)電機(jī)解列后，常開接點(diǎn)閉合才能知道繼電器是否動(dòng)作正常，但保護(hù)條件已經(jīng)發(fā)生，后果是無法挽回的，尤其是兩個(gè)以上的擴(kuò)展繼電器故障，發(fā)電機(jī)解列聯(lián)跳汽輪機(jī)保護(hù)將拒動(dòng)，DEH 系統(tǒng)相關(guān)邏輯仍誤認(rèn)為并網(wǎng)狀態(tài)。此時(shí)，機(jī)組功率迅速降為零，汽機(jī)各調(diào)門將開啟到最大，造成機(jī)組嚴(yán)重超速，直至OPC 或OPT 動(dòng)作。ETS 系統(tǒng)只能依靠發(fā)變組故障保護(hù)信號(hào)跳閘，而發(fā)變組故障保護(hù)作為單一信號(hào)，如果未能接收到該信號(hào)，機(jī)組將維持掛閘狀態(tài)，主汽門仍為開啟狀態(tài)[2]。這種工況下極容易出現(xiàn)機(jī)組電超速或機(jī)械超速保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)以上情況，提高擴(kuò)展繼電器組的可靠性、安全性是此次改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

可靠性方面，根據(jù)GB/T21109.2-2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第2 部分 應(yīng)用指南》的要求[3]，提高可靠性的主要手段為冗余、分散和防止共同失效，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求采用了以下方案：

1）至DEH 和ETS 系統(tǒng)的信號(hào)獨(dú)立分開，各自采用獨(dú)立的擴(kuò)展繼電器組，不會(huì)出現(xiàn)交叉使用的情況。

2）為DEH 和ETS 系統(tǒng)分別提供三路冗余的擴(kuò)展信號(hào)。機(jī)組并網(wǎng)后，至DEH 系統(tǒng)的信號(hào)為常閉接點(diǎn)，也就是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)；至ETS 系統(tǒng)的信號(hào)為常開接點(diǎn)，也就是發(fā)電機(jī)解列信號(hào)。DEH 和ETS 系統(tǒng)接收三路信號(hào)后再進(jìn)行三取二處理，可靠性大幅提高。

3）擴(kuò)展繼電器分為3 組，每相主油開關(guān)信號(hào)帶一組擴(kuò)展繼電器，每組由6 個(gè)繼電器組成。3 個(gè)用于DEH 系統(tǒng)，取常閉接點(diǎn)；3 個(gè)用于ETS 系統(tǒng)，取常開接點(diǎn)。

安全性方面，送至DEH 和ETS 系統(tǒng)的三路冗余信號(hào)輸出前采用三取二硬線搭接方式。即每路信號(hào)分別取自A、B、C 擴(kuò)展繼電器組的其中一個(gè)繼電器，或?yàn)槌ｉ_接點(diǎn)，或?yàn)槌ｉ]接點(diǎn)，3 個(gè)接點(diǎn)在輸出端子排處采用三取二搭接法輸出擴(kuò)展后的信號(hào)。即使出現(xiàn)單個(gè)繼電器故障拒動(dòng)，或任何一組擴(kuò)展繼電器（A 組、B 組或C 組）故障拒動(dòng)，或兩個(gè)不同組的繼電器故障拒動(dòng)，均不會(huì)影響任何一路輸出信號(hào)的發(fā)出。即使用于任何一路輸出信號(hào)搭接的兩個(gè)或3 個(gè)繼電器同時(shí)故障，只會(huì)影響這一路擴(kuò)展輸出信號(hào)，最終三路輸出信號(hào)在DEH 或ETS 系統(tǒng)里的三取二結(jié)果不會(huì)受到影響。在設(shè)計(jì)方案中，每相主油開關(guān)動(dòng)作信號(hào)驅(qū)動(dòng)一組6 個(gè)繼電器的方式體現(xiàn)了冗余和分散的原則；采用三取二搭接法輸出三路冗余信號(hào)是為了防止共同失效。整體設(shè)計(jì)基本解決了原擴(kuò)展繼電器組的可靠性、安全性低的問題。

2.2 供電系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

原擴(kuò)展繼電器組電源只有一路，取自熱工220V 直流電源柜，具體如圖1。電源的正、負(fù)極裝有過流保險(xiǎn)，如果任一保險(xiǎn)熔斷或電源上級(jí)開關(guān)跳閘，或由于檢查直流系統(tǒng)絕緣要進(jìn)行拉路試驗(yàn)，與該信號(hào)相關(guān)的發(fā)電機(jī)解列聯(lián)跳汽輪機(jī)、DEH 系統(tǒng)甩負(fù)荷預(yù)測(cè)、切換轉(zhuǎn)速控制回路等功能將徹底失去；如果出現(xiàn)直流電源接地將導(dǎo)致擴(kuò)展信號(hào)誤發(fā)，造成汽輪機(jī)跳閘，存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，增加冗余電源配置是提高安全、可靠性的重要手段。

圖1 原擴(kuò)展繼電器組電氣原理圖Fig.1 The electrical schematic diagram of the original extended relay group

新設(shè)計(jì)的3 個(gè)擴(kuò)展繼電器組采用三路電源獨(dú)立供電的形式。熱工220V 直流電源柜提供一路電源，熱工220V 交流UPS1、UPS2 電源柜各取一路。由于來自220kV 開關(guān)站的信號(hào)電纜只有一根，同一根電纜內(nèi)交、直流混用危險(xiǎn)性很大。而且，220kV 開關(guān)站信號(hào)柜內(nèi)繼電保護(hù)信號(hào)均采用直流信號(hào)，如果將交流電源引至該柜，必將產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成繼電保護(hù)信號(hào)誤動(dòng)。所以，使用輕型開關(guān)電源裝置將220V 交流電源轉(zhuǎn)換為220V 直流電源[4]，轉(zhuǎn)換后再加上另一路直流220V 電源，分別提供給A、B、C 3 個(gè)擴(kuò)展繼電器組，具體如圖2。在電源監(jiān)視方面，為每個(gè)擴(kuò)展繼電器組均配置了電源監(jiān)視繼電器，失電報(bào)警信號(hào)并聯(lián)后輸出至熱工報(bào)警信號(hào)系統(tǒng)，任一電源失去后發(fā)出光字報(bào)警。為防止強(qiáng)電回路與弱電回路交叉布置產(chǎn)生干擾，引起輸出信號(hào)誤動(dòng)，將繼電器組與交、直流供電回路分開前、后布置。

圖2 擴(kuò)展繼電器組回路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the extended relay group circuit

圖3 三取二組合接線原理圖Fig.3 Schematic diagram of three-out-two combination wiring

圖4 電源回路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design of the power circuit

2.3 預(yù)防直流接地造成繼電器誤動(dòng)的設(shè)計(jì)

采用直流電源的信號(hào)回路最大的隱患就是回路接地引發(fā)的保護(hù)誤動(dòng)。在新設(shè)計(jì)當(dāng)中，從擴(kuò)展繼電器的選型和組合方面進(jìn)行了考慮。

首先，擴(kuò)展繼電器選擇的是OMRON 公司生產(chǎn)的MMX4XPN 型中間繼電器，供電采用220V 直流電源，配置4 對(duì)常開接點(diǎn)、4 對(duì)常閉接點(diǎn)，電氣性能見表1[5]。

表1 繼電器電氣參數(shù)表Table 1 Relay electrical parameter table

此型號(hào)中間繼電器的輸出接點(diǎn)匹配直流電源系統(tǒng)，與DEH 和ETS 系統(tǒng)開關(guān)量輸入通道采樣電壓相符合，并且預(yù)留了足夠的接點(diǎn)余量，為今后增加取用接點(diǎn)提供了便利條件。

其次，在繼電器組合使用方面，主要考慮到每個(gè)直流回路繼電器組的動(dòng)作功率要求。根據(jù)DL_T_5136-2012《火力發(fā)電廠變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中7.1.8 條規(guī)定：直接跳閘的重要回路應(yīng)采用動(dòng)作電壓在額定電源電壓的55%～70%范圍以內(nèi)的中間繼電器，并要求其動(dòng)作功率不低于5W[6]。在使用220V 直流的回路中，動(dòng)作功率5W時(shí)回路電流應(yīng)為22.7mA 左右。這一數(shù)值普遍高于常用的220V 直流接地監(jiān)測(cè)裝置的報(bào)警值。也就是說，如果發(fā)生直流電源回路接地，在中間繼電器動(dòng)作之前，接地監(jiān)測(cè)裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警值。反之，如果中間繼電器的動(dòng)作功率低于5W，動(dòng)作時(shí)的回路電流低于直流接地檢測(cè)裝置的報(bào)警值，則在發(fā)生誤動(dòng)之前無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地報(bào)警。

MMX4XPN 型中間繼電器每個(gè)的動(dòng)作功率為2.7W，動(dòng)作電流12mA，見表1。如果每組220V 直流回路只使用一個(gè)繼電器，就不符合此項(xiàng)規(guī)定。每組使用6 個(gè)繼電器，總動(dòng)作功率為16.2W，總動(dòng)作電流為72mA，滿足規(guī)定要求，對(duì)于防止直流接地導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)起到了重要的作用。

3 今后可繼續(xù)完善的方面

3.1 增加繼電器組動(dòng)作不匹配檢測(cè)

改造后的擴(kuò)展繼電器分為3 組，每組由6 個(gè)繼電器組成。機(jī)組并網(wǎng)正常運(yùn)行后，繼電器處于未動(dòng)作狀態(tài)，發(fā)電機(jī)解列后繼電器動(dòng)作。正常情況下，6 組共計(jì)18 臺(tái)繼電器動(dòng)作狀態(tài)應(yīng)保持一致，至DEH 和ETS 系統(tǒng)擴(kuò)展信號(hào)分別由9 個(gè)繼電器采用三取二的方式實(shí)現(xiàn)。由于采用硬線搭接的方法，當(dāng)其中某個(gè)繼電器未動(dòng)作，但又不影響三取二的輸出結(jié)果時(shí)，就很難在每次動(dòng)作后判斷出哪個(gè)繼電器有了問題，為下次擴(kuò)展信號(hào)的正常發(fā)出留下了隱患。

如果將18 個(gè)擴(kuò)展繼電器的備用接點(diǎn)全部引入DCS 進(jìn)行監(jiān)視，將占用DCS 較多的備用通道，并且需要放置大量的柜間電纜，造成資源浪費(fèi)。經(jīng)過仔細(xì)研究，可在擴(kuò)展繼電器柜內(nèi)搭接一個(gè)繼電器組動(dòng)作匹配監(jiān)視回路，對(duì)每個(gè)三取二輸出回路的A、B、C 繼電器進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)3 個(gè)繼電器出現(xiàn)動(dòng)作不一致的情況時(shí)可發(fā)出報(bào)警提示，搭接方法如圖5。

圖5 繼電器組動(dòng)作匹配監(jiān)視回路Fig.5 Relay group action matching monitoring circuit

繼電器組動(dòng)作匹配監(jiān)視回路的工作原理是：由三取二搭接用的A、B、C 繼電器各取一個(gè)常開接點(diǎn)和常閉接點(diǎn)，采用圖5的串、并聯(lián)接法，正常情況下無論是3 個(gè)繼電器均動(dòng)作或均不動(dòng)作，最終輸出至熱工信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)的接點(diǎn)都是斷開的，只有出現(xiàn)一個(gè)或是兩個(gè)繼電器未動(dòng)作，也就是3 個(gè)繼電器的動(dòng)作狀態(tài)出現(xiàn)了差異，最終輸出接點(diǎn)就形成了閉合回路，引發(fā)熱工報(bào)警信號(hào)發(fā)出報(bào)警提示。

3.2 改進(jìn)220V直流供電回路

改造后擴(kuò)展繼電器組供電回路采用一路熱工220V 直流電源柜來的220V 直流電源、一路熱工UPS1 電源柜來的220V 交流電源、一路熱工UPS2 電源柜來的220V 交流電源。交流電源在擴(kuò)展繼電器柜內(nèi)通過交、直流轉(zhuǎn)換裝置變成220V 直流電源。改進(jìn)措施可從兩個(gè)方面入手：

一是電源的上游系統(tǒng)，如果能提供三路220V 直流電源是最好的方式。目前，熱工220V 直流電源柜只能提供一路電源。OPC 電磁閥、MFT 的跳閘繼電器等采用220V 直流供電的保護(hù)設(shè)備對(duì)多路冗余電源的需求越來越多，未來可對(duì)熱工220V 直流電源柜進(jìn)行升級(jí)改造，使之能夠提供兩路或三路電源，這樣就可以滿足擴(kuò)展繼電器柜和其他重要保護(hù)系統(tǒng)的電源使用需求。

二是在電源回路中增加直流接地監(jiān)視裝置。雖然，改造后在繼電器組的結(jié)構(gòu)上考慮了電源接地對(duì)繼電器動(dòng)作的影響，但目前熱工電源回路中沒有直流接地監(jiān)視裝置。盡管熱工220V 直流電源柜的上級(jí)系統(tǒng)有直流接地監(jiān)視裝置，但經(jīng)過交、直流轉(zhuǎn)換裝置的220V 直流電源回路并沒有加裝直流接地監(jiān)視裝置，如果出現(xiàn)直流接地情況將無法發(fā)出報(bào)警。今后具備條件時(shí)應(yīng)在熱工220V 直流電源柜或擴(kuò)展繼電器柜內(nèi)增加直流接地監(jiān)視裝置。

3.3 發(fā)電機(jī)解列信號(hào)源電纜應(yīng)分散

根據(jù)《國(guó)家能源集團(tuán)電力二十五項(xiàng)重點(diǎn)反事故措施》第9.4.3 條，“保護(hù)信號(hào)應(yīng)遵循從取樣點(diǎn)到輸入模件全程相對(duì)獨(dú)立的原則”[7]，國(guó)家能源集團(tuán)公司要求開展隱患排查，防止類似事故發(fā)生。3 號(hào)機(jī)組3 個(gè)發(fā)電機(jī)解列信號(hào)共用一根電纜，改造增加的交、直流轉(zhuǎn)換裝置為浮地電源裝置，如果絕緣損壞或外力破壞，將引起DEH 和ETS 系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)；或兩點(diǎn)接地時(shí)，導(dǎo)致不同直流電源間互相影響，嚴(yán)重時(shí)可損壞擴(kuò)展繼電器。所以，應(yīng)利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)及時(shí)補(bǔ)充信號(hào)電纜，以實(shí)現(xiàn)3 個(gè)發(fā)電機(jī)解列信號(hào)電纜的獨(dú)立配置。

4 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)解列信號(hào)是單元機(jī)組重要保護(hù)信號(hào)之一，直接影響到機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文從改造實(shí)際出發(fā)，深入分析原設(shè)計(jì)存在的隱患問題，結(jié)合行業(yè)規(guī)范、反措要求，對(duì)新設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)、分析，為類似重要熱控信號(hào)的擴(kuò)展繼電器組回路設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。