火力發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

發電廠熱工系統擔負著熱力生產過程中全程自動控制的使命。為了保證工作可靠性，需要有一個與之相適應的高可靠性電源來支撐其安全可靠運行。為此熱工系統一般都設計有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，用于保護和聯鎖；

（2）AC（交流）220 V 電源 2路，至少 1路電源來自于機組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）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，用于電動執行機構等動力電源。

此外，DL/T 5455-2012《火力發電廠熱工電源及氣源設計技術規程》中，對重要負荷和交流不間斷負荷，規定應采用雙路供電，且備用電源應自動切換，為保證電源切換時不影響系統的工作，要求設計控制回路時應根據儀器儀表工作特性綜合考慮切換時間。在檢修時對電源系統進行切換試驗并錄波記錄，確保工作電源及備用電源的切換時間和直流維持供電時間滿足要求。

因此，各DCS制造廠家對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，在設計上也不斷完善，以滿足基于微處理器和動態存儲器的DCS對電源的嚴格要求，盡量避免因電源故障引起DCS系統失靈。但盡管于此，運行中電源受各種因素的限制，仍存在安全隱患，導致機組跳閘或工作異常事件時有發生。

2 電源異常引起機組跳閘的案例分析

2.1 電源切換異常引起機組跳閘

某發電廠1號機組，DEH（汽輪機數字電液控制系統）裝置發出“1號DEH失電停機”信號，ETS（汽輪機跳閘保護系統）保護動作停機，首出原因顯示為“DEH失電”，首出顯示與事件記錄吻合。

機組DCS電源冗余設置，分別接受UPS和廠用電AC 220 V電源，經裝置切換后，每路AC 220 V電源分別直接進入2個DC 24 V和1個DC 48 V電源模件。DC 24 V和DC 48 V電源模件的輸出經二極管耦合后作為系統電源，為變送器提供工作電壓，并為開關元件提供查詢電壓。每一路AC 220 V和DC 48 V電源回路中均設置過流保護電氣開關，DC 24 V電源回路雖未設置單獨的電氣保護開關，但電源模件上帶有電源開關。

事發后通過對設備的檢查，AC 220 V的2個電氣開關跳閘，其他開關仍然處于接通位置，即上級開關跳閘，下級開關未動作。查詢歷史數據，發現UPS電源首先失去，切換過程中廠用電供電也跳閘，造成系統失電。引起UPS電源跳閘的因素除UPS系統自身故障以外，熱工系統的原因分析如下：

（1）DC 24 V與DC 48 V回路出現短路、接地等因素，將導致過電流，引起電源切換失敗。因事后檢查發現，DC 48 V回路中的過流開關沒有跳開，即下一級保護開關未動作，而上一級AC 220 V電流保護開關動作，因此不能排除DC 24 V與DC 48 V回路出現短路造成故障的可能性。

（2）DEH裝置UPS電源和廠用電電源經繼電器切換后，還作為EH油、真空試驗電磁閥等設備的試驗電源，UPS電源電壓首先出現下降，導致試驗電源切換，在切換繼電器動作的臨界電壓附近，繼電器觸點會出現抖動和似斷非斷的狀態，極易引起2路AC 220 V電源回路耦合。通過現場試驗，該繼電器臨界電壓為AC 130 V左右。由于1號、2號DEH裝置供電回路相同，檢查2號機組2路AC 220 V火線之間的電壓達AC 300 V左右，若出現2路電源耦合的情況，相當于發生短路故障，會引起自動空氣開關跳閘。

（3）試驗繼電器工作異常。如果試驗繼電器觸點出現抖動，或者常開觸點也出現導通的情況，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電機保護動作

某發電廠3號機組因“主變快速壓力釋放”保護動作，機組跳閘。檢修人員檢查發現DC 110 V A與B段母線都存在接地現象。

經檢查，該電源的直流母線上配備了直流系統絕緣監測儀，ETS的2路直流電源存在接地且有合環現象，分析認為此次發電機保護誤動就是由于ETS直流電源接地合環造成干擾而引起。后經檢查，發現就地主遮斷電磁閥5YV與6YV的線圈電源電纜和其行程開關以及其他送至ETS的反饋信號使用的是同一根電纜，而該電纜因高溫已使絕緣受損，導致了2段直流電源合環，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系統誤動作。因此分析電源引起故障的機理，采取相應的預控措施，是提高控制系統運行可靠性的重要環節。

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

該方案的特點是切換速度快，同時又能保證兩路直流不形成環流。正常情況下，基本是處于雙路并聯工作，電壓高的一路就帶負荷，電壓低的一路作為備用，失電切換時間小于1 ms。但由于二極管不能做到電氣隔離，實際上是把兩套直流系統聯系起來了，會給整個直流系統帶來危險，特別是發生直流接地時無法及時查找到接地點，新的規程DL/T 5455-2012中已明確規定不允許采用二極管切換模式。

直流電源的切換實際上可有3種模式：繼電器（接觸器、雙投開關切換）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（含機械開關）切換模式中，機械觸點切換最快也需要30 ms，原理如圖3所示。J1和J2聯鎖保證只有一路接通，能保證電氣隔離，但不滿足熱工保護供電可靠的要求。

圖3 接觸器切換模式

（2）變壓器隔離切換模式 DC/DC（AC/DC），即將直流調制成脈動的高頻交流，再經過高頻變壓器進行隔離變換，整流濾波變成直流電，如圖4所示。由于電路為恒流設計，在負載短路時通過降低輸出電壓達到恒流輸出，這樣就會因部分負載短路造成整個母線低電壓，引起故障范圍擴大。

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產生環流。通過幾十臺機組的實際應用，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驅動機械聯鎖模式2種。

（1）接觸器模式的主要缺點之一是無電壓判據，靠線圈釋放來切換，存在不安全隱患。某發電廠已經發生由于工作電壓下降未達到釋放電壓，結果不能切換到備用電源，造成低電壓停機事故。

（2）目前使用最多的是電機驅動機械雙頭式ATS（自動轉換開關）開關（見圖7）。如果未經改進切換一般至少在100 ms以上，基本上不能滿足DCS系統、電磁閥、DCS工作站和服務器的工作要求。而經改進后，切換時間最快可以達到50 ms，可以滿足部分服務器和工作站要求，但不能滿足控制聯鎖的要求（聯鎖用220 V繼電器釋放時間為20 ms）。在進行切換試驗時發現有時會出現黑屏（重啟），有時會引起聯鎖異動等現象。

圖7 機械雙投式ATS開關示意

采用晶閘管組成的靜態切換開關，可以在5 ms內切換完畢，切換試驗波形見圖8。

靜態開關是全電子元件，提高靜態開關的可靠性是重要的環節。由于切換速度快，無法實現冗余配置，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。在正常工作時采用STS（靜態開關）切換，切換時間在5 ms之內，只有當STS故障或異常則旁路到ATS，也能保證切換在50 ms之內。切換原理如圖9所示。

圖8 靜態開關切換波形

圖9 靜態開關帶旁路切換原理

4 結語

因廠家不同，設備對電源要求也不盡相同。對于電源的選擇需要綜合多方面的條件加以考慮，特別是老發電廠的改造還要兼顧安裝位置等條件限制。通過對熱工直流電源的大量調查分析，發現ZR-ATS/DC系列直流雙電源無擾切換裝置在全國30多個發電廠有使用，運行情況良好，可以滿足現場熱工直流無擾切換的要求，又能保證電氣的雙路隔離，符合相關規程要求。

在交流220 V切換設備選型時，結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，為發電廠熱工系統電源改造選型多了一種選擇。

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

[2]DL/T 5455-2012火力發電廠熱工電源及氣源設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2012.

[3]DL/T 5428-2009火力發電廠熱工保護系統設計規定[S].北京：中國電力出版社，2009.