基于汽機ETS電跳機保護信號誤動的原因探究

廣東省粵瀧發電有限責任公司 廣東云浮 527217

摘要：作為汽車機的危機危急遮斷系統，ETS發揮著報警或停機信號，進行邏輯處理，輸出指示燈報警信號或汽輪機遮斷信號的作用。因此，保證ETS信號的正確性顯得尤為關鍵。本文針對汽機的ETS在投入電跳機保護時誤發跳機信號的問題，詳細分析其原因，發現電跳機保護信號電纜在投入保護瞬間的電容充電現象，會把汽機保護系統PLC的DI通道電壓拉低，向動作值附近靠近，從而導致ETS誤動。基于信號誤動的原因，實驗研究證明，采用充電電阻巧妙地解決ETS保護誤動隱患。

關鍵詞：汽車ETS電跳機；信號誤動；原因分析

某電廠2×135MW汽輪機危急遮斷系統（ETS）保護裝置由上海汽輪機有限公司（STC）提供，該套ETS由可編程邏輯控制器（PLC）進行汽輪機遮斷，采用雙冗余PLC實現保護功能，即主PLC（MPLC）和輔助PLC（BPLC）。其保護原理為：當主PLC（MPLC）和輔助PLC（BPLC）輸入通道同時掃描到電跳機回路觸點閉合，主PLC（MPLC）和輔助PLC（BPLC）經過邏輯運算后由其輸出通道斷開AST電磁閥的電源，使AST電磁閥失電動作，實現保護預警[1]。

1.事件經過

某電廠#2機組并網后投入ETS電跳機保護的瞬間機組誤跳閘。查#2機組DCS的SOE記錄，發現#2機組跳閘情況很奇異，甚至可以說跳閘的有些不符合邏輯，具體情況如表1：

表1 #2機組跳閘情況

時間（12時13分～）#2機組跳閘情況

56秒841毫秒（投入K1時間）ETS裝置發汽輪機主汽門關閉、MFT指令

56秒940毫秒發變組出口開關2201跳閘

57秒10毫秒發電機滅磁開關跳閘

57秒22毫秒汽機主汽門關閉

58秒867毫秒（投入K2時間）ETS裝置發出發電機出口開關跳閘信號

經檢查，ETS裝置首出邏輯畫面顯示“電跳機”（說明：主汽門關閉信號不進ETS首出邏輯，所以即便是汽輪機先跳閘也不會在首出畫面顯示），檢查汽機跳閘前后各參數正常，檢查#2機ETS未發現問題。后聯系電氣專業檢查#2發變組出口開關2201輔助觸點及就地端子箱，聯系機務專業重點檢查EH油、潤滑油系統有無泄漏[2]。電氣和機務專業檢查后未發現設備異常。后向中調申請空載合2201開關，試投電跳機保護正常。但具體原因一時無法確定，#2機組重新并網，再次投入ETS電跳機保護正常。

2.原因分析

從機務專業上分析，導致汽機跳閘又不會首出的原因有兩種：（1）隔膜閥故障，導致隔膜閥的潤滑油壓低過動作值，導致EH油卸壓，汽機跳閘；（2）EH油系統故障，導致危急遮斷油油壓偏低，EH油卸壓，汽機跳閘。以上兩種情況都可導致汽機無法再次掛閘。然而如果是振動大、潤滑油壓低等其它保護跳閘ETS首出會記錄。所以由于機務專業設備故障導致機組跳閘的可能可以排除。

從電氣專業上分析，原因有三種：（1）由于#2機組剛并網，在投電跳機保護的瞬間2201開關跳閘，導致汽機跳閘；（2）在投ETS電跳機保護后，電跳機保護回路電纜短路，導致汽機跳閘。但后來用搖表測量線間、線對地絕緣正常。排除此原因；（3）#2機ETS電跳機回路有干擾信號竄入，導致#2機組跳閘。但通過示波器在線觀察電跳機回路電纜電壓波形，擾動電壓最大只有0.3V。檢查接地良好。在上述跳閘情況中，經過電氣專業檢查開關，并進行開關的分合試驗說明開關故障導致機組跳閘的可能性不大。

從熱工控制上分析，AST電磁閥失電即能實現汽機跳閘，AST電磁閥失電原因游散：（1）AST電磁閥雙路110VAC電源在投入保護過程中恰好故障，導致汽機跳閘。但測量AST的雙路電源時都顯示正常，因此可以排除這個原因；（2）ETS開關量雙路輸出卡件（通道）在投入保護過程中恰好故障，導致汽機跳閘。通過檢查和測試卡件工作正常，所以這種可能也排除；（3）在投入保護過程中恰好輸入回路瞬間掃描到電跳機接通信號，通過ETS輸出卡件發出AST電磁閥失電指令，使汽機跳閘，排除了以上兩種可能性，只有這種原因導致跳機。

調查當時投保護人員已確認2201開關在合閘狀態，且操作完全按照操作票正常執行，排除誤操作的可能。排除人為因素，就只剩下保護回路自身的問題。由于電跳機回路電纜總長有300米，存在電容效應，在投入電跳機保護時有導致信號通道電壓瞬間拉低的可能，以致ETS系統誤判，進而誤跳機[3]。因此，#2機組異常跳閘的原因可以鎖定在電跳機回路設計缺陷。

3.電跳機回路電容效應分析及試驗

3.1理論分析

圖1是電跳機輸入回路的工作原理圖，當K1、K2閉合的情況下（即保護投入狀態）只要現場發電機出口開關輔助接點S閉合，光耦接通，PLC掃描到S閉合信號。換句話說也就是光耦的正負極之間有電流流過，并電流大于2.5mA足夠接通光耦，則認為S閉合[4]。

圖1 電跳機輸入回路的工作原理圖

然后再驗證回路是否有誤認S閉合的可能性，如果將K1、K2到S間的信號電纜看作是一個電容，實測電容容量為49nF。K1本身也可以看作是一個電容，在K2投入的瞬間，即使在K1沒有投入的情況下，實際上電源的正負極之間有電流流過，造成瞬間誤判導致跳機。

3.2投保護試驗

用CAAP2000錄波儀分別測量PLC的I/O通道24VDC電源電壓、電跳機DI通道電壓、電跳機信號電纜電壓，觀察在K1、K2開關投入瞬間PLC通道電壓變化情況。從中發現電跳機保護投入的瞬間PLC通道電壓瞬間降到11.46VDC，持續1ms后恢復正常。經過反復試驗，PLC通道電壓在每次投保護時谷值都有不一致，范圍在11.13VDC～12.46VDC。在不接地線情況下測得PLC通道最低電壓為10.15VDC。這說明接地線對通道壓降有一定影響。

甩開發變組出口開關至ETS柜的電纜，只測量發變組保護屏至ETS柜的電纜在保護投入瞬間電壓，此段電纜長度約為50米。結果發現PLC通道電壓下降幅度不大，谷值在19.97VDC附近。

從以上試驗可以判定，在投入電跳機保護瞬間，PLC通道在給電纜進行充電，導致PLC通道電壓突降，但不是每次都會降至I/O通道判斷的門檻值，所以不是每次投保護時都會導致保護誤動。

4.解決方案

針對ETS誤動原因，可以采用充電電阻，對電纜進行充電，以提高在保護投切的的瞬間PLC通道掃描電壓的穩定性。具體措施如下圖2。

圖2 電跳機保護回路增加充電電阻R1、R2示意圖

在K1、K2上并接合適的電阻，使其在K1、K2斷開時對電纜進行充電。在閉合K1、K2后充電電阻被旁路掉，不影響PLC對2201開關輔助接點信號的掃描。

確定整改措施后，關鍵是問題是串入電阻多大電阻合理。本著串入電阻不影響PLC的判斷為原則，通過在PLC輸入回路里串入滑線變阻器試驗電跳機保護回路串入多大阻值合適。結果表明：串入電阻值在4490Ω以下時PLC，可以掃描到開關量的狀態，當電阻值大于5190Ω時PLC認為外回路處于斷開狀態。

5.實施效果

確定電阻后，觀察接入電阻后投入電跳機保護時PLC通道、信號電纜電壓波形，發現在接入電阻的情況下投入電跳機保護，對通道電壓影響非常小。比不加充電電阻時要平緩很多。而增加充電電阻后進行開關分閘試驗，分閘后電壓降時間為0.2ms。保護回路動作時依然可以實現快速可靠。

總結

根據試驗數據分析，加裝保護回路充電電阻對保護裝置和保護邏輯無影響。滿足保護的快速性，實施起來方便，成本可以忽略不計，巧妙解決長電纜充電導致PLC誤判的問題。此方法適用于所有PLC、單片機的開關量長電纜輸入信號投切保護回路。

參考文獻：

[1]邱夏寧.汽機ETS電跳機保護信號誤動的原因分析[J].中國高新技術企業，2013，17.

[2]王永玲，周文龍，蔣育平.135MW機組機械危急遮斷器的優化[J].發電設備，2013，04.

[3]江浩.ETS系統常見故障及可靠性研究[J].機電技術，2012，03.

[4]劉昕，初東，王長友.汽輪機的調節保安系統的改造[J].冶金動力，2014，08