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摘要:针对火力发电厂发生热控电源故障引起的机组跳闸事件和异常运行现状，分析其故障机理，制定了提高热控电源可靠性的技术方案和具体要求；提出了新建机组热控控制电源全部采用交流供电的解决方案。 关键词：热控电源；DC/DC；直流专用切换装置；双通道
控制系统是火力发电厂的神经系统，关系到火力发电厂安全和经济运行；随着电厂向高参数、大容量机组发展，为控制系统提供动力的热控电源系统能否安全运行将直接影响控制系统的可靠性；近年来发电厂运行实践，说明现有的电源设计和供货不同程度存在着安全隐患，并引发了一些系统或设备故障甚至机组跳闸事件，影响着机组的安全经济性和电网的稳定运行。本文通过一些典型案例分析进行说明电源系统中存在的问题，并通过近二年的热控系统电源可靠性研究，提出电厂热控系统电源可靠性配置与预控措施，供同行设计、检修运行维护中参考： 1. 故障案例 1.1. 直流电源接地引发机组MFT 2014年某天夜里，某300MW机组MFT保护动作、机组跳闸。事发后运行和热控人员检查发现MFT四个直流跳闸继电器线圈（220V）全部烧毁导致继电器失磁而引起保护动作。 通过记录和监视信息发现，220V电源系统有三次显示460V的电压、且电气两套直流系统均有直流接地异常报警，其中第一套显示直流正极接地、第二套显示直流负极接地。因此得出事故原因是220V直流系统出现460V电压，烧损了额定电压为220V的继电器线圈而造成机组停机事件。 此外部分电厂热控双路110或220V直流电源采用二极管耦合，当任意一段（套）直流系统发生接地故障时，将造成两段直流电源监测装置均报直流接地。在查找直流接地故障时，很难找到故障部位，如果处理不当，也会造成机组停机事件发生。 1.2. 电源设计不合理引发机组跳机 2013年11月30日9:13，某600MW机组A修后机组启动过程中因ETS触摸屏供电保险烧损，触发润滑油压低保护动作跳闸。事后检查触摸屏供电回路保险烧坏（触摸屏内部故障），ETS系统电源电压瞬间被拉低至7V，PLC系统卡件查询电压(24VDC)过低，机组润滑油压低(取常闭点)被触发，导致机组保护跳机。 事后检查发现一是给触摸屏供电的保险容量偏大负载故障时不能熔断，导致系统电压大幅度下降；二是触摸屏电源设计不合理，触摸屏作为显示用，平常并不用于操作，非必须存在部件，其电源与保护回路共用电源，为故障埋下隐患。 电源系统异常导致机组跳闸多次发生，严重影响了机组的安全经济运行，受中国自动化学会发电自动化专业委员会委托，国华电力研究院联合多家单位一起调研收资，对电源故障案例原因和电源系统可靠性进行专题分析研究，探讨解决方案。 2. 火电厂电源系统可靠性分析 2.1. 直流电源系统可靠性分析 典型的火力发电厂直流电源系统见图1（图中是110V系统，220V直流系统类同），热控控制电源一般配备两套直流电源系统，正常运行两套直流电源系统没有互连、独立运行。
图1 火力发电厂直流系统原理图 图中R+是正母线对地绝缘电阻（所有负载等效对地电阻），R-是负母线对地绝缘电阻，R1、R2是直流绝缘监察装置配备的均衡电阻、且R1＝R2，R3绝缘监察继电器的匹配电阻。直流系统正常运行时，由于R+和R-阻值很高（是R1或R2的10倍以上）、且由于R1＝R2，故直流母线对地电压对称，分别为+55V和-55V。当R+或R-电阻降低时，将造成直流母线对地阻抗不同，这样正、负直流母线对地电压将不对称，严重时如直流系统直接接地时接地极对地电压为“0”、非接地极对地电压为+110或-110 V,绝缘监察装置就是根据两级对地电压不平衡进行测量的。 图1中两套（左侧和右侧）直流系统独立工作，为用电设备提供两路独立的直流电源，每套直流电源配备蓄电池、充电设备和相应的监控设备，从而保证全厂失去交流电源后直流系统连续供电，保证重要设备的安全。 由于正常运行时两组直流系统各自独立工作，即使发生对地绝缘降低或直接接地，不会造成两套直流系统相互影响，见图2。 （a）左侧负极绝缘下降、右侧正极接地 （b）左侧正极绝缘下降、右侧负极接地 图2 火力发电厂直流系统异常运行示意图 2.2. 采用二极管耦合后的直流电源可靠性分析 采用二极管将两路直流电源在热控侧耦合（环）起来后的系统见图3，这样设计的目的是为了实现两路电源给热控负荷供电的无扰切换，提高对热控供电的可靠性。但实际将对机组直流供电系统带来更大的风险，加大了直流电源系统运行监控、故障查找难度。
图3 火力发电厂直流系统热控侧采用二极管耦合原理图 从图4看出，当热控采用二极管耦合将两路直流环起来时，左侧（110V直流电压Ⅰ－下同）直流母线负接地，右侧直流母线正接地，两段直流系统由于热控二极管耦合的作用，在热控负载上的电压变化如下： 左端直流负极接地，接地极对地电压为“0”、由于蓄电池的两段电压固定，故左端正母线电压由正常的＋55V（对地）上升到＋110V（对地），左上部耦合（D1）二极管导通，负载正极电压也从＋55V（对地）上升到＋110V（对地）； 右端直流正极接地，接地极对地电压为“0”、由于蓄电池的两段电压固定，故右端负母线电压由正常的－55V（对地）上升（绝对值－下同）到－110V（对地），右下部耦合二极管（D4）导通，负载负极电压也从－55V（对地）上升（绝对值）到－110V（对地）；
图4 火力发电厂直流系统热控侧环后两组母线不同极接地原理图 负载正极电压从＋55V（对地）上升到＋110V（对地），负载负极电压从－55V（对地）上升到－110V（对地），负载两段电压变成220V，是原来110V电压的两倍，长期工作将造成负载烧损，这就是1.1部分继电器烧损的原因。 热控采用二极管耦合将两路直流环起来，当右侧直流系统接地后，左侧直流系统也发出接地信号的原因分析如下，系统见图5所示：
图5 火力发电厂直流系统热控侧环后相互影响原理图 从图5看出，当热控采用二极管耦合将两路直流环起来时，右侧直流母线正接地（绝缘降到零），两段直流系统由于热控二极管耦合的作用，直流母线和负载电压变化如下： 右侧直流系统正极接地，接地极对地电压为“0”，由于蓄电池的两段电压固定，故右侧负母线电压由正常的－55V（对地）上升到－110V（对地），右侧负母线对地电位最低、故右下部耦合二极管（D4）导通，负载电位也从－55V（对地）上升（绝对值）到－109V（扣除二极管压降1V）；由于右侧正母线对地电位为零、相对左侧正母线（＋55V）对地电位低,故左上部耦合二极管（D1）导通，造成左侧正母线对地电位由＋55V降低、极限到对地电位为“0”，这样左侧直流系统对地电压发生很大的变化，绝缘监察装置发出接地报警信号。这种工况由于两套直流系统对地阻抗不同，负载上的电压有不同情况的变化（高于正常电压）； 热控在负荷侧采用二极管耦合，当右侧直流接地时、影响到正常运行的左侧直流系统并发出直流接地信号，这样给查找直流接地故障带来了很大困难。 以上两种情况产生的根源是热控在负载侧采用耦合二极管造成的，此类事件已经造成多次停机事件，必须彻底解决。 3. 解决方案 DL/T5044-2004、DL/T5455-2012规程均对热控用直流电源的应用提出了具体要求，即不允许在直流负荷侧将两路直流电源并列运行，但没有给出解决问题的方案，需要在操作层面研究具体的实施方法。DL/T5428-2009规程规定热工保护电源可以为交流或直流，但应取之可靠的两路电源和采用可靠的切换装置。我们经过专题研究，对直流电源系统出现的问题提出解决方案。 3.1. 热控110V /220V直流控制电源系统配置方案 上述热控负载侧采用耦合二极管带来的问题，可采用直流电源专用切换装置解决。 直流电源专用切换装置见图7，图中电气直流1（以下简称主电）经二极管直接输出，电气直流2（以下简称备电）经二极管串联接触器J1并联到输出端。两个独立的辅助电源输入端分别取自电气直流1和电气直流2为装置内部的逻辑回路供电，以保证任何一路输入失电时，装置内部逻辑不受影响。 装置正常工作时，主电源经防反二极管D1直接输出，备用电源处于断开状态即J1直流接触器断开。直流电源专用切换装置的DC/DC 处于热备用状态一直输出低于额定电压5%左右电压-保持输出（110V约105V，220V约217V）。当处于工作状态的主电源故障造成电压跌落或失电时，直流电源切换装置的DC/DC 回路将输出端电压维持在额定电压的95%以上，使输出电压保持稳定，不会影响现场负载设备的正常运行,装置内电压检测回路检测到输入端电压变化，当电压值跌落到额定电压的75～80%时，装置判断该路电源出现故障，发出切换命令，切换过程中DC/DC不间断给负载供电，待J1接触器闭合后，将输出电压切换到备用电源上，整个切换过程约为20ms左右见图6，这样可以保证负荷不间断供电和有足够的短路容量满足直流系统断路器或熔断器配合的需要，且备用电源运行时热控直流接地由电气的绝缘监测装置报警。 图6 专用直流切换装置切换过程输出电压波形 利用直流电源专用切换装置在役机组热控直流系统采用图7、8的方案进行改造： 1） 在原两路直流电源采用二极管耦合方式的基础上，增加一路专用的直流电源专用切换装置。 图7 热控直流110/220V控制电源切换方案（保留原二极管）
图中切换装置内的DC/DC是实现直流隔离作用的，电源监视、故障检测、失电报警是直流电源切换装置内的控制功能，二极管是实现直流无扰切换而设计的。 2） 原直流电源无二极管耦合，采用增加一路专用的直流电源隔离装置，见图7，原理同上。 图8 热控直流110/220V控制电源切换方案 3.2. 热控电源系统采用全交流供电方案 鉴于热控系统主要采用交流供电，采用直流供电的设备很少，通过调研论证，新建工程热控系统宜全部采用交流供电，以简化热控电源系统，减少电气和热控电源的交叉，减少电源系统造成的故障。热控全部采用交流供电后，主要控制回路宜按下述配置： 1） 锅炉主燃料跳闸（MFT）继电器回路，采用双通道交流供电实现，参见图9，两路交流电源分别供两套继电器跳闸逻辑系统，这样一路电源异常不会造成保护误动，机组故障两套继电器逻辑均动作、触发机组跳闸。 图9 锅炉MFT采用双通道交流供电或24V直流供电的方案 2） 汽机跳闸电磁阀电源，采用双通道交流控制电源实现，参见图10。 （a） 汽机跳闸电磁阀采用双通道的供电方式
（b） 汽机跳闸电磁阀采用双通道的油路 图10 汽机跳闸电磁阀采用双通道方案 3） 汽机OPC电磁阀电源，应采用双通道交流或直流24V控制电源实现，参见图11。
（a）汽机OPC电磁阀采用110Vac双通道方案（b）汽机OPC电磁阀采用24Vdc双通道方案 图11汽机OPC电磁阀采用双通道方案 4） 双通道跳闸回路设计 采用双通道设计后，如果执行部件（如开关、电磁阀等）是一个跳闸通道时，则双通道出口继电器与设备跳闸回路应采用两个通道相“与”后再相“或”到设备的跳闸回路，即防止误动，又防拒动。图12左侧是带电动作型、右侧是失电动作型。
图12双通道跳闸回路方案 5） 如果不是双通道设计的其他系统，除根据重要程度选用经过交流切换装置后的电源作为控制电源外，还应保证交流电源切换装置的切换时间满足快速电磁阀（如抽气逆止门、小汽轮机、汽机－锅炉各种电磁阀等）的切换要求。 3.3. 热控电源系统可靠性防控措施 1） 分散控制系统正常运行时，必须有可靠的两路独立的供电电源。首先二路UPS电源，当采用一路UPS、一路保安电源供电时，如保安电源电压波动较大，应增加稳压器以稳定电源输出。 2） UPS供电主要技术指标应满足DL/T774-2015 [4]要求，并具有防雷击、过电流、过电压、输入浪涌保护功能和故障切换报警显示，且各电源电压宜进入故障录波装置和相邻机组的DCS系统以供监视；UPS的二次侧不经核算审批不得随意接入新的负载。 3） 所有电源装置均设有失电报警功能，报警信号宜送到与此电源独立的其他系统中进行监视。 4） 机组C级检修时应进行UPS电源切换试验，机组A级检修时应进行全部电源系统切换试验，并通过录波器记录，确认工作电源及备用电源的切换时间和直流供电维持时间满足要求。对热控专用的小型UPS电源每次C级及以上的检修要进行放电试验、以验证有效容量，达不到要求时应及时更换电池。 5） 独立于DCS的安全系统的电源切换功能，以及要求切换速度快的备用电源切换功能不应纳入DCS，应采用硬接线逻辑回路或专用的装置实现。 6） 重要的热控系统采用双路供电回路，应取消人工切换开关；热控电源（包括机柜内检修电源）必须专用，不得用于其他用途。 7） 所有装置和系统的内部电源切换（转换）可靠，回路环路连接，任一接线松动不会导致电源异常而影响装置和系统的正常运行。 8） 保护电源采用厂用直流电源时，应有防止查找系统接地故障时造成保护误动的措施。 9） 应将热控系统交、直流柜和DCS电源的切换试验数据，电源熔断器容量和型号（应速断型）与已核准发布的清册一致，数字输入（DI）通道熔断器的完好性，电源上下级熔丝或空气断路器容量配比的合理性，电源回路间公用线的连通性，所有接线螺栓的紧固性，动力电缆的温度和各级电源电压测量值的正确性检查和确认工作，列入新建机组安装和运行机组检修计划及验收内容，并建立专用检查、试验记录档案。 10） 机组C级检修时应对DCS系统电源模块的输出电压值进行测量记录存档，通过电压值的变化判断电源模块性能，对出现老化情况的电源模块及时进行更换。 11） 电源端子之间应有隔离端子或隔离板，防止电源短路，直流电源断路器、端子与交流电源端子采用明显的标记。 12） 当采用N+1电源配置时，应定期检查确认各电源装置的输出电流均衡，防止因电源装置负荷不均衡造成个别电源装置负荷加重而降低系统可靠性。 13） 完善不同电源中断后的恢复过程操作步骤与安全措施，部分电源中断后，在自动状态下的相关控制系统以切手动为妥，恢复过程应在密切监视下逐步进行。 14） 用于重要保护联锁的同类信号，如用于锅炉再热器保护MFT条件的左侧和右侧主汽门全关反馈信号，其供电回路不得共用同一熔丝或空气开关。 15） 所有控制电源的入口，应加装防浪涌保护部件。 4. 结束语 针对火力发电厂发生热控电源故障引起的机组跳闸事件和异常运行现状，分析其故障机理，制定了提高热控电源可靠性的技术方案和具体要求；提出了新建机组热控控制电源全部采用交流供电的解决方案。 1） 在役机组采用专用直流电源切换装置、消除采用二极管耦合对直流电源系统的影响； 2） 新建机组热控控制电源优先采用全部交流供电方案，简化电源系统，提高全厂可靠性； 3） 结合相关规程和反事故措施、制定定期工作标准，确保热控电源系统处于完好状态。 来源： ABB杯全国自动化系统论文大赛 |
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