提升400?V?MCC低電壓穿越能力的研究與實踐

孔慶強，廖桂豫

（廣東省粵電集團有限公司珠海發電廠，廣東　珠海　519050）

?

提升400?V?MCC低電壓穿越能力的研究與實踐

孔慶強，廖桂豫

（廣東省粵電集團有限公司珠海發電廠，廣東珠海519050）

〔摘 要〕分析了某大型燃煤機組400V MCC低電壓故障的典型案例及原因。通過比較2種提升400V MCC低電壓穿越能力方法的優缺點，采用具備自動重啟動和低電壓檢測功能的智能型電動機保護控制裝置的改造方案，完善了400V MCC保護的配置。改造方案實施后，400V MCC能可靠地實現低電壓穿越。

〔關鍵詞〕電動機控制中心；低電壓穿越；電動機保護控制裝置；自動重啟動

0　引言

大型燃煤機組低壓廠用電系統通常采用動力中心（PC）—電動機控制中心（MCC）接線方式供電，簡稱PC-MCC。在該供電方式中成對的PC母線由互為備用的2臺6kV/400V低壓廠用變壓器供電，當其中1段PC母線因上級變壓器停運或其他原因失電時，另外一段工作電源則會自動投入，以保證PC不失電。MCC由對應的PC單電源供電。2段MCC之間可設母線聯絡開關，也可不設母線聯絡開關。

某電廠MCC開關通過西門子公司的低壓電動機先進控制系統（SAMMS-LVX）實現可編程的電動機控制與保護。SAMMS-LVX系統具備可編程的瞬間失電穿越功能，適用于在雙接點控制回路中實現不超過1s的失電穿越。在低電壓故障或電源短暫失去時，如果電動機正在運行，那么主接觸器M主觸點斷開以避免頻繁彈跳，一旦電源在1s內恢復，則主接觸器M主觸點重新閉合，電動機得以繼續運行。

大型火電燃煤機組一般在電氣系統內部或外部故障、雷擊、電氣設備短路或接地等時，都會引起廠用電系統電壓瞬間降低。該電廠曾出現幾次MCC重要負荷在低電壓期間跳閘的現象，甚至還造成了跳機事故，表明400V MCC低電壓穿越能力較弱。

1　案例分析

1.1案例1

1.1.1事件經過

該電廠2臺機組均帶滿負荷，220kV雙母線按正常方式運行。因區外220kV系統發生嚴重的三相故障，系統220kV母線電壓三相突然同時降低，均由134kV左右降至63kV，持續時間約120ms；4段6kV廠用電系統電壓全部同步降低，其中2A1段三相電壓由6.12kV降為4.26kV左右，2B1段三相電壓由6.13kV降為4.25kV左右。120ms后，電壓開始逐漸上升；200ms恢復到額定電壓的90％；320ms，2A1段、2B1段三相電壓恢復至6kV左右；400ms恢復至額定電壓。

故障期間2A小機1號潤滑油泵、2B小機2號潤滑油泵、2B定子冷卻水泵、2號輕油輸送泵等部分400V輔機負荷發出故障信號。

廠用電系統電壓降低發生2 741ms后，2號機組因發電機定子水進出口差壓低，發變組保護C柜非電量保護發“定子冷卻水跳閘”指令；2號機—主變220kV開關跳閘。

1.1.2原因分析

此次跳機事件的直接原因是：在廠用電系統低電壓期間，正在運行的2B定子冷卻水泵開關斷開，泵停止運行，而后自啟動成功（MCC的1s失電穿越功能）；然后2A定子冷卻水泵聯鎖（定子冷卻水的進出口壓力低聯鎖信號）啟動成功，但定子冷卻水已失壓超過2s，發電機定子冷卻水進出口差壓低（3取2）持續時間超過2s，導致“發電機定子冷卻水進出口差壓低”保護動作，發電機跳閘。

定子冷卻水泵電動機動力回路如圖1所示。由圖1可知，因2B定子冷卻水泵MCC控制電源取自動力回路電源本身，一旦上級發生低電壓故障導致動力回路電源電壓降低，主接觸器線圈無法保持，仍會導致開關跳閘。本次低電壓持續時間未超過1s，主接觸器能恢復閉合狀態，但負荷失去動力的實際時間超過1s，且在電氣邏輯上會判斷2B定子冷卻水泵沒有跳閘，造成電氣聯鎖的備用2A電動機無法及時投入，進而導致發電機冷卻水壓無法維持而跳機。

圖1　定子冷卻水泵電動機動力回路

在本次低電壓故障中，廠用電系統電壓在400ms時恢復至額定電壓，并未超過400V MCC瞬間失電穿越功能1s的限時。根據SOE事件記錄分析，2B定子冷卻水泵并未發出MCC TROUBLE報警閉鎖REMOTE START信號，400ms時電源電壓恢復后SAMMS-LVX重新啟動自檢，整個啟動時間約為1 500ms（400ms廠用電系統低電壓故障時間+1 000ms SAMMS-LVX自檢時間+100ms主接觸器吸合時間）；但定子冷卻水系統實際是失壓的，依靠定子冷卻水的進出口壓力低聯鎖信號才聯鎖啟動2A定子冷卻水泵，雖然2臺定子冷卻水泵均啟動成功，但由于“發電機定子冷卻水進出口差壓低”保護動作，發電機跳閘。

本次低電壓故障證明：通過SAMMS-LVX實現的可編程瞬間失電穿越功能并不能可靠實現MCC低電壓穿越。其原因是控制回路電源與SAMMS-LVX的CPU電源取自動力回路電源本身，即使MCC有1s的失壓穿越功能，也會造成MCC開關跳合1次， 出現CRT雖顯示正常但負荷實際已失壓的現象。機組的重要負荷（如定子冷卻水泵）發生此現象，將直接跳機。這也在故障發生后多次對MCC開關與SAMMS-LVX的低電壓試驗中得到驗證。

1.2案例2

1.2.1事件經過

某電廠2號機組正常運行中，因設備故障檢修，運行人員需要將PC 2A12段由進線開關切換到聯絡母聯開關。在切換完成數分鐘后，因母聯開關綜合保護繼電器故障誤動跳開母聯開關，PC 2A12及下級MCC 2A121失電，其上所有輔機電動機負荷跳閘。故障前2號保安ⅡA段PC 2DG2由PC 2A12供電；PC 2A12失電后，PC 2DG2電源成功切換至PC 2B11供電（見圖2），但2號保安ⅡB段MCC 2DG21所有輔機電動機負荷跳閘。

圖2　保安段PC—MCC接線

跳閘的400V輔機電動機負荷包括：2A空預器驅動電動機、2B引風機2號潤滑油泵。2B引風機1號潤滑油泵（電源取自MCC 2B221）聯鎖啟動，但未能成功建立油壓，導致2B引風機跳閘；2A空預器跳閘導致2A引風機跳閘。2臺引風機跳閘后，鍋爐MFT，機組跳閘。

1.2.2原因分析

保安段電源的自動切換邏輯是：工作電源電壓低（400V PC母線電壓低于70％ UN）→啟動時間繼電器27TR/B經0.5 s出口→送電源故障信號到柴油發電機PLC→PLC一方面發出跳閘命令跳開工作電源開關，另一方面對備用電源進行判斷→如果備用電源正常（電壓正常，斷路器在工作位置），則在1.6 s內給備用電源開關發出3次合閘命令→如果在1.6 s內備用電源開關合閘不成功，則啟動柴油發電機。保安段母線的2路正常電源是互為備用的，切換邏輯相同。保安段電源低電壓切換設定為：70％ UN，延時0.5s。

從上述分析可知，即使是正常的切換過程，保安段PC電源低電壓自動切換整個過程也需要2-3s，PC 2DG2-MCC 2DG21所有400V輔機電動機負荷失電的時間遠大于SAMMS-LVX實現瞬時失電穿越功能的1s。因此，一旦電源低電壓故障時間超過1s，即使保安段PC電源切換成功，電源恢復，位于保安段MCC 2DG21上的所有400V輔機電動機負荷也會全部跳閘，無法恢復。

2　提升MCC低電壓穿越能力方法的探討

綜合以上2個案例可以看出，對于此類400V MCC的控制與保護配置，采用1s失電穿越功能無法實現低電壓故障下的可靠穿越。最直接的原因是MCC開關主接觸器的線圈控制電源取自動力回路電源本身，當低壓低到線圈的最低吸合電壓定值下，就會導致負荷實際失壓，低電壓時間低于1s會導致負荷無動力且聯鎖不啟動，高于1s會導致開關直接跳閘。因此，必須采取措施提升MCC低電壓穿越能力。

2.1思路1

借鑒6kV真空斷路器開關柜和400V PC空氣斷路器開關柜的分合閘模式，采用帶機械自鎖和脫扣功能的雙線圈接觸器，合閘回路控制電源仍取自動力回路電源本身，跳閘回路使用直流控制電源。啟動時DCS發出REMOTE START指令，合閘線圈充電使主接觸器合閘并自鎖，無論低電壓故障或者合閘控制電源失去，主接觸器均保持在合閘狀態，當電源恢復時，電動機即可重新啟動。停運則由DCS發出REMOTE STOP指令通過可靠的直流控制電源使脫扣機構動作跳開接觸器。但是這種方法存在如下弊端。

（1）目前400V重要輔機負荷大多成對配置且互為備用，采用2級聯鎖。第1級聯鎖是電氣聯鎖，即運行負荷主接觸器的輔助接點接入DCS，一旦主接觸器分閘，其輔助接點翻轉，DCS判斷電動機處于“OFF”狀態，則給出備用負荷的啟動指令。第2級聯鎖則是通過定子冷卻水的進出口壓力低聯鎖信號實現聯鎖啟動備用負荷，一旦低電壓故障無法恢復，則運行負荷的主接觸器由于未接到跳閘指令而無法斷開，無法聯動備用負荷，將通過定子冷卻水的進出口壓力低聯鎖信號啟動備用負荷，大大延長了聯動時間，對機組的安全穩定運行存在較大的隱患。此外，長時間的低電壓會導致電動機負荷長時間運行在欠壓狀態，可能對電動機本身產生破壞性的損傷。

因此，必須進一步完善400V MCC母線保護的配置，為400V MCC配備低電壓保護功能。母線低電壓保護延時的配合，既要確保在低電壓故障無法恢復的情況下及時跳開母線上所有400V輔機電動機，又要確保躲開廠用電切換（包括保安段電源低電壓切換）的動作時間和220kV系統區外故障的電源恢復時間。

（2）帶機械自鎖和脫扣功能的雙線圈接觸器電氣回路和機械機構都比較復雜。尤其是其機械自鎖和脫扣機構，一旦發生故障，極易發生頻繁彈跳或無法跳閘的情況，造成設備損壞和故障范圍擴大。

2.2思路2

采用可靠的直流電源或UPS電源作為MCC開關的控制電源及SAMMS-LVX的CPU電源。

案例1是低電壓故障比較嚴重，電壓低、時間長，造成SAMMS-LVX CPU失電，當電源恢復后，SAMMS-LVX的重啟自檢時間延長了定子冷卻水泵的啟動時間，造成“發電機定子冷卻水進出口差壓低”保護動作。案例2是保安段電源低電壓切換時間超出SAMMS-LVX瞬間失電穿越功能的1s限制，同時觸發DCS發出MCC TROUBLE報警閉鎖REMOTE START指令。這2個案例問題的根源都在于MCC開關控制電源取自動力回路電源本身的不可靠性，若采用可靠的直流電源或UPS電源作為MCC開關的控制電源，使SAMMSLVX的CPU電源與控制回路電源不受動力回路電源低電壓故障的影響，則可從根本上解決問題。

當然，將MCC開關的控制電源獨立于動力電源，一旦發生低電壓故障且未能及時恢復，則思路1中不能實現電氣聯動和電動機長期欠壓運行的狀況也同樣會發生。

3　改造方案設計要點

綜合上述分析可得出結論：必須完善400V MCC保護的配置。改造方案設計應具備以下要點。

（1）MCC開關接觸器線圈控制回路取自動力回路電源本身，當系統發生低電壓故障時，線圈失電斷開主接觸器，以便啟動電氣聯動備用負荷，同時防止電動機長時間欠壓運行；在一定時限內電壓恢復后應立即重新啟動。

（2）控制回路電源采用可靠的直流或UPS電源，以確保MCC保護裝置的正常運行，防止因掉電而導致的無保護和失去控制狀態。

（3）400V MCC啟停控制回路采用雙接點控制方式，合閘回路設計為電氣自保持回路，避免因DCS故障失去啟動指令誤跳重要負荷。

（4）采用具備自動重啟動和低電壓檢測功能的智能型電動機保護控制裝置，且自動重啟動與低電壓故障檢測的時限可在一定范圍內調整，從而可以適應不同的廠用電切換時間，并確保在低電壓故障無法恢復的情況下可靠跳閘。

4　改造方案設備選型

根據改造方案設計的要點，對提升低電壓穿越能力的MCC控制回路設計與智能型電動機保護控制裝置的選型如下。

4.1MCC控制回路設計

（1）控制回路電源采用可靠的220V直流系統；智能型電動機保護控制裝置的工作電源24V DC來自于110V直流系統，通過2個并聯的電源模塊轉化為24V直流電源。

（2）開關接觸器采用單線圈接觸器，以減少機構故障的幾率；接觸器的線圈電源取自動力回路電源本身，在低電壓故障情況下，當電壓不足以滿足線圈吸合要求時斷開主觸點，以盡快實現備用負荷的電氣聯動，并防止長期欠壓運行對電動機的損害。

4.2智能型電動機保護控制裝置選型

經調研，智能型電動機保護控制裝置選擇ABB公司的M102。

該裝置除具備常規電動機保護控制裝置的熱過載保護、堵轉保護、啟動時間過長保護、斷相保護、三相不平衡保護、接地故障保護等功能外，還具備自動重啟動功能，即當電動機處于運行狀態且系統電壓瞬間降低時，可以重新啟動電動機。自動重新啟動最長時間可以設定為5 000ms。

5　結束語

改造方案實施后，經過多次模擬低電壓故障和廠用電切換試驗，400V MCC能可靠地實現低電壓穿越。

對于大型燃煤機組的廠用電系統，大多數低壓電動機，包括直接影響主機、重要輔機設備安全穩定運行的400V重要輔機，由400V MCC供電。但400V MCC的設計不如10kV或6kV等級廠用電系統那樣完善，電動機控制與保護配置也比較簡單，而且MCC不具備低電壓穿越能力或低電壓穿越能力較弱。如果突發接地、短路或低電壓故障，重要輔機的跳閘將給機組的安全和穩定運行造成重大威脅。

因此，建議對于MCC上的重要負荷，必須更改其控制與保護原有設計，使其具備低電壓穿越的能力；對于影響機組、重要輔機安全和穩定運行較少的次要負荷，保留原有設計不變。這樣，重要負荷可滿足低電壓穿越的要求，確保機組安全運行；次要負荷即使發生低電壓跳閘，也不會造成大的損失，在電壓恢復后重新啟動即可，從而可降低改造的成本。

參考文獻：

1 國家能源局.DL/T5153—2014火力發電廠廠用電設計技術規程［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

收稿日期：2016-03-01。

作者簡介：

孔慶強（1973-），男，工程師，主要從事MCC雙接點控制回路改造工程工作，email：13823025099@163.com。

廖桂豫（1973-），男，高級工程師，主要從事MCC雙接點控制回路改造工程工作。