220 V直流II段智能監控裝置故障原因分析與處理

董翰寧，董錦川

（1.國網新源控股有限公司電力檢修分公司，北京100068；2.國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山064309）

220 V直流II段智能監控裝置故障原因分析與處理

董翰寧1，董錦川2

（1.國網新源控股有限公司電力檢修分公司，北京100068；2.國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山064309）

主要是結合生產實際分析水泵水輪發電機在水泵工況運行過程中，由于地下廠房220 V直流II段智能監控裝置長時間運行老化，裝置瞬時故障導致直流系統電壓超限。造成監控系統1號機組現地控制單元CPU停止工作，1號機組跳閘停機。通過認真分析研究決定對地下廠房220 V直流II段智能監控裝置進行更換，更換后的裝置運行正常，最終徹底消除此隱患。為抽水蓄能電站今后的運行和設備維護方面提供了借鑒。

水泵水輪發電機；直流；監控裝置；故障

1 電廠概況

某抽水蓄能電站安裝4臺單機容量為250 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪發電機組，裝機總容量為100萬kW。電站上水庫設計有效庫容895.11萬m3，下水庫有效庫容895.11萬m3，額定水頭225 m。電站引水系統長度2 065.6/2 043.7 m，采用2管4機方式布置，設計年發電量13.382億kW·h，設計年抽水電量17.843億kW·h，年發電利用1338h，設計綜合效率75%。機組以II回220 kV出線接入某電網，機組全部由該電網統一調度，主要服務于該電網，電站在系統中主要擔負調峰、填谷作用，兼有調頻、調相和緊急事故備用等功能。

2 事件經過

2016年03月22日02:34，電站監控系統報出地下廠房直流系統I段動力母線（現地為II段），“PWR BUS SECI VOLT A LIM2”（電壓超限2）及“PWR BUS SECI VOLT A LIM1”（電壓超限1）、1號機組現地控制單元UPS“BUSBAR INVERTER PWR2 FAULT”、1號機組“OSM PROCESSBUS FAULT”、1號機組“P/TOLMPROFIBUS PDR FAULT”、1號機組“UPS DC OVERVOLTAGE FAULT”、1號機組“UPS INVERTER FAULT”。

1號機組現地控制單元柜顯示UPS逆變器故障、1號機組UPS母線過壓報警信息，1號機組緊急停機。現地直流充電柜3內智能監控裝置上顯示“母線電壓超限”和“充電輸出超限”。

1號機停機后匯報省調相關情況，申請2號機組抽水并網。檢查1號機停機流程和相關參數正常。

運維人員切換1號機UPS供電至旁路。切換地下廠房直流系統由I、II段分段運行至I段帶I、II段運行，恢復地下廠房直流系統II段正常運行。

3 處理過程

3.1 情況梳理

監控系統有地下廠房220 V直流II段電壓超限報警，地下廠房220 V直流II段現地盤柜有電壓超限報警。

1號機組現地控制單元LCU1 UPS故障與地下廠房220 V直流II段電壓超限故障同時出現，應該由地下廠房220 V直流II段電壓超限引起UPS切換，但UPS兩個逆變器未成功切換至旁路側，負載短時失電，導致監控系統CPU停電，最終導致1號機組跳機。

3.2 問題排查

首先，直流系統故障排查，根據監控及現地報警信息判斷出地下廠房220 V直流II段動力母線電壓瞬時超限，瞬時最大值達到302 V DC，監控系統上地下廠房220 V直流II段動力母線電壓高報警2電壓值為250 V DC，高報警1電壓值為270 V DC，地下廠房直流系統監控裝置上動力母線電壓高超限設置值為260V，控制母線電壓高超限設置值為242V。

其次，UPS故障排查：

（1）現場主要報警信息如下：

1）02:34:00 1號機組UPS報出1號機組逆變器故障。

2）02:34:00 1號機組UPS報出1號機組母線過壓。

3）02:34:39監控硬件組態顯示CPU從啟動模式轉為運行模式。

（2）根據以上信息判斷，此時1號機組監控系統UPS控制柜輸出電源斷電，導致監控系統CPU失電。

3.3 確定故障點

（1）此次故障是由于智能監控裝置長時間運行設備老化導致模塊瞬時故障，充電機組高頻電源模塊的輸出電壓值超限，即地下廠房220 V直流II段動力母線電壓超限，隨之引起控制母線電壓也超限。

（2）LCU1就地單元系統的逆變部分是由兩臺3 kVA的逆變器組成的串聯系統運行的，該逆變器正常工作的直流電壓范圍是185～280 V DC，當直流輸入電壓大于280 V DC或小于185 V DC時，逆變器自動保護轉旁路運行（但要滿足旁路電壓在187～253 V AC的正常范圍內，即保證旁路電壓正常)。

（3）其直流輸入電源是由LCU1就地單元系統的直流部分的3個220 V DC并聯的直流模塊和外部兩路直流屏并接供給。經檢查發現是外部直流屏故障致直流輸入電壓瞬間上升到290 V DC，導致兩臺逆變器同時保護轉旁路，逆變器轉旁路的時間小于8 ms。備用逆變器的輸出是接到主逆變器的旁路輸入端的，在備用逆變器切換過程中，主逆變器的旁路輸入電壓為0 V，主逆變器檢測旁路電壓輸入超出范圍，認為電壓異常，轉換失敗，導致負載瞬間失電。

3.4 處理步驟

（1）對地下廠房220 V直流II段智能監控裝置進行更換，更換后的裝置運行正常。

（2）對1號機現地控制單元柜T1CRN01電源柜進行切換試驗，試驗結果無瞬時斷電現象，供電情況均正常。

（3）對1號機現地控制單元柜T1CRN01逆變器進行檢查更換。

（4）對1號機現地控制單元柜電源進行改造。

1）直流部分

①將系統的直流輸入分為3個直流母排，直流母排1由系統的第1個整流模塊和外部1個直流屏提供輸入電源，然后供給備用逆變器直流電壓。

②第2個直流母排由系統的第2個、第3個整流模塊和外部的另1個直流屏提供電源，然后供給主逆變器直流電壓。

③第3個直流母排由第1和第2個直流母排提供電壓，然后供給系統的直流負載。

④直流母排1、直流母排2與直流母排3之間均有一組二極管，這樣直流母排1和直流母排2之間的電壓互不影響，直流母排1和直流母排2的電壓不會同時增大，不會導致兩個逆變器同時切換，可以避免切換失敗的發生。

2）交流部分

改造前的交流負載是由主逆變器逆變輸出帶負載，經檢查確認現場重要負載是雙路電源輸入的，現將有雙路電源輸入的負載改為一路電源由備用逆變器提供，另一路電源由主逆變器提供。

4 原因分析

（1）地下廠房220 V直流II段智能監控裝置長時間運行老化，裝置瞬時故障導致直流系統電壓超限。

（2）1號機組監控系統UPS逆變器在直流電源供電母線超壓時，導致兩臺逆變器同時保護轉旁路，逆變器轉旁路的時間小于8 ms。備用逆變器的輸出是接到主逆變器的旁路輸入端的，在備用逆變器切換過程中，主逆變器的旁路輸入電壓為0 V，主逆變器檢測旁路電壓輸入超出范圍，認為電壓異常，轉換失敗，導致負載瞬間失電。負載短時失電，導致監控系統1號機組現地控制單元CPU停止工作。

（3）運維人員日常檢查時維護檢查、試驗內容不全，試驗方法有局限性，未能及時發現設備存在的隱患。

（4）設備更新改造計劃制定不及時，長時間運行的設備未能及時進行升級改造。

（5）故障機理復原：地下廠房直流系統II段智能監控裝置故障導致充電機組高頻電源模塊的輸出電壓值超限，即地下廠房220 V直流II段動力母線電壓超限，同時引起由動力母線調壓的控制母線電壓也超限。

1號機組UPS正常由地下廠房直流系統的控制母線供電，由于控制母線電壓超限，導致1號機組母線過壓，引起1號機組逆變器故障。

監控硬件組態顯示CPU從啟動模式轉為運行模式。而逆變器故障后未能正確切換至旁路供電，導致1號機組監控系統UPS控制柜輸出電源斷電，負載短時失電，監控系統1號機組現地控制單元CPU停止工作，1號機組跳機。

1號機組監控系統UPS電源工作原理：

（1）3路交流電源（2路取自廠用電、1路取自地區電源），分別給3個整流器供電，3個整流器通過整流分別給UPS控制柜內的直流母線供電，廠內直流系統也通過2路給UPS控制柜內的直流母線供電，總共有5路電源給UPS控制柜內的直流母線供電，用于逆變器直流電源。任何1路或多路正常供電，UPS直流母線均不會停電。

（2）當正常供電時，逆變器A3和A4從UPS柜中直流總線L+和L-取220V DC電源，經過逆變，輸出220 V AC；兩個逆變器A3和A4互為熱備用（其中A4主用，A3備用）。

（3）當直流總線L+和L-直流電源故障（斷線或超壓）時，兩個逆變器會切至旁路運行（即交流電通過F38和F39分別通過旁路給交流輸出供電）。

（4）如果直流超壓，超過242 V DC即會切換，最大耐壓值到達280 VDC。

圖1 1號機組監控系統逆變模塊

5 暴露問題

（1）地下廠房220 V直流系統、1號機組現地控制單元LCU1 UPS均沒有有效的抑制電壓瞬時超限的裝置，致使電壓瞬時超限直接影響直流系統及機組的穩定運行。

（2）直流系統、UPS檢修維護檢查、試驗內容不全，試驗方法有局限性，未考慮到電壓突變對系統的影響。

（3）運維人員對設備結構、運行原理掌握不夠，對故障設備分析能力不足。

6 防止對策

為預防和控制同類缺陷再次發生而采取的技術措施、管理措施，以及舉一反三的排查和防控措施等見表1所示。

表1

7 結束語

本文對某抽水蓄能電站水泵水輪發電機組在水泵工況運行過程中，由于設備更新改造計劃制定不及時，長時間運行的設備未能及時進行升級改造而發生的故障原因，進行認真分析及相應的檢查處理過程進行了介紹，可以看出，地下廠房220 V直流II段智能監控裝置長時間運行老化，裝置瞬時故障導致直流系統電壓超限，同時引起由動力母線調壓的控制母線電壓也超限，導致1號機組現地控制單元柜顯示UPS逆變器故障、1號機組UPS母線過壓報警信息，1號機組緊急停機。針對此問題該電站立即采取了可靠措施盡早恢復了相關機組的運行，同時，切換1號機UPS供電至旁路。切換地下廠房直流系統由I、II段分段運行至I段帶I、II段運行，恢復地下廠房直流系統II段正常運行。通過近一段時間設備的運行情況看，取得了比較理想的效果。

TV738

B

1672-5387（2017）12-0036-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.12.014

2017-11-01

董翰寧（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站安全生產信息系統運行、維護、檢修工作。