發電機解列信號擴展繼電器組改造設計

王 剛

（秦皇島發電有限責任公司，河北 秦皇島 066003）

秦皇島發電有限責任公司3 號機組原發電機解列信號擴展繼電器組設計存在隱患，如輸出信號拒動，將導致機組嚴重超速或功率不可控；如輸出信號誤動，將導致機組逆功率跳閘，嚴重影響了機組安全、穩定運行。鑒于這種情況，利用機組檢修機會對原發電機解列信號擴展繼電器組進行了重新設計、改造。此次設計、改造中的幾個要點將在此文中進行總結、分析。

1 原擴展繼電器組存在的隱患

3 號機組發電機解列信號分別取自220kV 開關站的A、B、C 三相主油開關的中間繼電器接點，解列后該接點閉合，再由信號電纜送至3 號機組保護室內發電機解列信號擴展繼電器柜，3 個信號各由一個擴展繼電器實現信號擴展。3個擴展繼電器的常閉接點作為發電機并網信號，分別輸出一路送至DEH 系統，由DEH 系統進行三取二運算判斷后，參與重要控制邏輯和聯鎖保護；3 個擴展繼電器再分別輸出一路常開接點作為發電機解列信號，在柜內采用硬線搭接三取二后，輸出一路發電機解列信號送至ETS，實現發電機解列跳機保護功能[1]。3 個擴展繼電器的電源取自熱工220V 直流電源柜，配有電源監視繼電器，輸出電源失電報警信號至熱工報警信號系統。

原擴展繼電器組存在以下隱患：

1）擴展繼電器的電源為單路220V 直流供電，失去電源將導致DEH、ETS 系統相關保護聯鎖拒動，電源回路接地將導致保護聯鎖誤動。

2）每相主油開關動作信號采用單一擴展繼電器擴展，至ETS、DEH 系統信號共用同一繼電器，兩個系統采樣信號電壓等級不同，使風險相對集中，降低了可靠性。

2 擴展繼電器組改造設計要點

2.1 擴展繼電器組合設計

原擴展繼電器組采用的方式是每相主油開關動作信號送給一個擴展繼電器，A、B、C 三相共有3 個擴展繼電器，至DEH、ETS 系統的擴展信號均由這3 個擴展繼電器帶動。當其中任意一個擴展繼電器出現故障，接點所帶信號將無法輸出。而且，由220kV 開關站來的主油開關動作信號在機組并網運行后長期處于斷開狀態，擴展繼電器不動作，其是否正常無法得知。只有發電機解列后，常開接點閉合才能知道繼電器是否動作正常，但保護條件已經發生，后果是無法挽回的，尤其是兩個以上的擴展繼電器故障，發電機解列聯跳汽輪機保護將拒動，DEH 系統相關邏輯仍誤認為并網狀態。此時，機組功率迅速降為零，汽機各調門將開啟到最大，造成機組嚴重超速，直至OPC 或OPT 動作。ETS 系統只能依靠發變組故障保護信號跳閘，而發變組故障保護作為單一信號，如果未能接收到該信號，機組將維持掛閘狀態，主汽門仍為開啟狀態[2]。這種工況下極容易出現機組電超速或機械超速保護動作。根據以上情況，提高擴展繼電器組的可靠性、安全性是此次改造設計的重點。

可靠性方面，根據GB/T21109.2-2007《過程工業領域安全儀表系統的功能安全 第2 部分 應用指南》的要求[3]，提高可靠性的主要手段為冗余、分散和防止共同失效，結合現場實際需求采用了以下方案：

1）至DEH 和ETS 系統的信號獨立分開，各自采用獨立的擴展繼電器組，不會出現交叉使用的情況。

2）為DEH 和ETS 系統分別提供三路冗余的擴展信號。機組并網后，至DEH 系統的信號為常閉接點，也就是發電機并網信號；至ETS 系統的信號為常開接點，也就是發電機解列信號。DEH 和ETS 系統接收三路信號后再進行三取二處理，可靠性大幅提高。

3）擴展繼電器分為3 組，每相主油開關信號帶一組擴展繼電器，每組由6 個繼電器組成。3 個用于DEH 系統，取常閉接點；3 個用于ETS 系統，取常開接點。

安全性方面，送至DEH 和ETS 系統的三路冗余信號輸出前采用三取二硬線搭接方式。即每路信號分別取自A、B、C 擴展繼電器組的其中一個繼電器，或為常開接點，或為常閉接點，3 個接點在輸出端子排處采用三取二搭接法輸出擴展后的信號。即使出現單個繼電器故障拒動，或任何一組擴展繼電器（A 組、B 組或C 組）故障拒動，或兩個不同組的繼電器故障拒動，均不會影響任何一路輸出信號的發出。即使用于任何一路輸出信號搭接的兩個或3 個繼電器同時故障，只會影響這一路擴展輸出信號，最終三路輸出信號在DEH 或ETS 系統里的三取二結果不會受到影響。在設計方案中，每相主油開關動作信號驅動一組6 個繼電器的方式體現了冗余和分散的原則；采用三取二搭接法輸出三路冗余信號是為了防止共同失效。整體設計基本解決了原擴展繼電器組的可靠性、安全性低的問題。

2.2 供電系統改造設計

原擴展繼電器組電源只有一路，取自熱工220V 直流電源柜，具體如圖1。電源的正、負極裝有過流保險，如果任一保險熔斷或電源上級開關跳閘，或由于檢查直流系統絕緣要進行拉路試驗，與該信號相關的發電機解列聯跳汽輪機、DEH 系統甩負荷預測、切換轉速控制回路等功能將徹底失去；如果出現直流電源接地將導致擴展信號誤發，造成汽輪機跳閘，存在很大安全風險。因此，增加冗余電源配置是提高安全、可靠性的重要手段。

圖1 原擴展繼電器組電氣原理圖Fig.1 The electrical schematic diagram of the original extended relay group

新設計的3 個擴展繼電器組采用三路電源獨立供電的形式。熱工220V 直流電源柜提供一路電源，熱工220V 交流UPS1、UPS2 電源柜各取一路。由于來自220kV 開關站的信號電纜只有一根，同一根電纜內交、直流混用危險性很大。而且，220kV 開關站信號柜內繼電保護信號均采用直流信號，如果將交流電源引至該柜，必將產生干擾，嚴重時會造成繼電保護信號誤動。所以，使用輕型開關電源裝置將220V 交流電源轉換為220V 直流電源[4]，轉換后再加上另一路直流220V 電源，分別提供給A、B、C 3 個擴展繼電器組，具體如圖2。在電源監視方面，為每個擴展繼電器組均配置了電源監視繼電器，失電報警信號并聯后輸出至熱工報警信號系統，任一電源失去后發出光字報警。為防止強電回路與弱電回路交叉布置產生干擾，引起輸出信號誤動，將繼電器組與交、直流供電回路分開前、后布置。

圖2 擴展繼電器組回路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the extended relay group circuit

圖3 三取二組合接線原理圖Fig.3 Schematic diagram of three-out-two combination wiring

圖4 電源回路設計圖Fig.4 Design of the power circuit

2.3 預防直流接地造成繼電器誤動的設計

采用直流電源的信號回路最大的隱患就是回路接地引發的保護誤動。在新設計當中，從擴展繼電器的選型和組合方面進行了考慮。

首先，擴展繼電器選擇的是OMRON 公司生產的MMX4XPN 型中間繼電器，供電采用220V 直流電源，配置4 對常開接點、4 對常閉接點，電氣性能見表1[5]。

表1 繼電器電氣參數表Table 1 Relay electrical parameter table

此型號中間繼電器的輸出接點匹配直流電源系統，與DEH 和ETS 系統開關量輸入通道采樣電壓相符合，并且預留了足夠的接點余量，為今后增加取用接點提供了便利條件。

其次，在繼電器組合使用方面，主要考慮到每個直流回路繼電器組的動作功率要求。根據DL_T_5136-2012《火力發電廠變電站二次接線設計技術規程》中7.1.8 條規定：直接跳閘的重要回路應采用動作電壓在額定電源電壓的55%～70%范圍以內的中間繼電器，并要求其動作功率不低于5W[6]。在使用220V 直流的回路中，動作功率5W時回路電流應為22.7mA 左右。這一數值普遍高于常用的220V 直流接地監測裝置的報警值。也就是說，如果發生直流電源回路接地，在中間繼電器動作之前，接地監測裝置就會發出報警值。反之，如果中間繼電器的動作功率低于5W，動作時的回路電流低于直流接地檢測裝置的報警值，則在發生誤動之前無法及時發現接地報警。

MMX4XPN 型中間繼電器每個的動作功率為2.7W，動作電流12mA，見表1。如果每組220V 直流回路只使用一個繼電器，就不符合此項規定。每組使用6 個繼電器，總動作功率為16.2W，總動作電流為72mA，滿足規定要求，對于防止直流接地導致繼電器誤動起到了重要的作用。

3 今后可繼續完善的方面

3.1 增加繼電器組動作不匹配檢測

改造后的擴展繼電器分為3 組，每組由6 個繼電器組成。機組并網正常運行后，繼電器處于未動作狀態，發電機解列后繼電器動作。正常情況下，6 組共計18 臺繼電器動作狀態應保持一致，至DEH 和ETS 系統擴展信號分別由9 個繼電器采用三取二的方式實現。由于采用硬線搭接的方法，當其中某個繼電器未動作，但又不影響三取二的輸出結果時，就很難在每次動作后判斷出哪個繼電器有了問題，為下次擴展信號的正常發出留下了隱患。

如果將18 個擴展繼電器的備用接點全部引入DCS 進行監視，將占用DCS 較多的備用通道，并且需要放置大量的柜間電纜，造成資源浪費。經過仔細研究，可在擴展繼電器柜內搭接一個繼電器組動作匹配監視回路，對每個三取二輸出回路的A、B、C 繼電器進行監視，當3 個繼電器出現動作不一致的情況時可發出報警提示，搭接方法如圖5。

圖5 繼電器組動作匹配監視回路Fig.5 Relay group action matching monitoring circuit

繼電器組動作匹配監視回路的工作原理是：由三取二搭接用的A、B、C 繼電器各取一個常開接點和常閉接點，采用圖5的串、并聯接法，正常情況下無論是3 個繼電器均動作或均不動作，最終輸出至熱工信號報警系統的接點都是斷開的，只有出現一個或是兩個繼電器未動作，也就是3 個繼電器的動作狀態出現了差異，最終輸出接點就形成了閉合回路，引發熱工報警信號發出報警提示。

3.2 改進220V直流供電回路

改造后擴展繼電器組供電回路采用一路熱工220V 直流電源柜來的220V 直流電源、一路熱工UPS1 電源柜來的220V 交流電源、一路熱工UPS2 電源柜來的220V 交流電源。交流電源在擴展繼電器柜內通過交、直流轉換裝置變成220V 直流電源。改進措施可從兩個方面入手：

一是電源的上游系統，如果能提供三路220V 直流電源是最好的方式。目前，熱工220V 直流電源柜只能提供一路電源。OPC 電磁閥、MFT 的跳閘繼電器等采用220V 直流供電的保護設備對多路冗余電源的需求越來越多，未來可對熱工220V 直流電源柜進行升級改造，使之能夠提供兩路或三路電源，這樣就可以滿足擴展繼電器柜和其他重要保護系統的電源使用需求。

二是在電源回路中增加直流接地監視裝置。雖然，改造后在繼電器組的結構上考慮了電源接地對繼電器動作的影響，但目前熱工電源回路中沒有直流接地監視裝置。盡管熱工220V 直流電源柜的上級系統有直流接地監視裝置，但經過交、直流轉換裝置的220V 直流電源回路并沒有加裝直流接地監視裝置，如果出現直流接地情況將無法發出報警。今后具備條件時應在熱工220V 直流電源柜或擴展繼電器柜內增加直流接地監視裝置。

3.3 發電機解列信號源電纜應分散

根據《國家能源集團電力二十五項重點反事故措施》第9.4.3 條，“保護信號應遵循從取樣點到輸入模件全程相對獨立的原則”[7]，國家能源集團公司要求開展隱患排查，防止類似事故發生。3 號機組3 個發電機解列信號共用一根電纜，改造增加的交、直流轉換裝置為浮地電源裝置，如果絕緣損壞或外力破壞，將引起DEH 和ETS 系統保護誤動或拒動；或兩點接地時，導致不同直流電源間互相影響，嚴重時可損壞擴展繼電器。所以，應利用機組檢修機會及時補充信號電纜，以實現3 個發電機解列信號電纜的獨立配置。

4 結束語

發電機解列信號是單元機組重要保護信號之一，直接影響到機組的安全、穩定運行。本文從改造實際出發，深入分析原設計存在的隱患問題，結合行業規范、反措要求，對新設計的要點進行了總結、分析，為類似重要熱控信號的擴展繼電器組回路設計提供了寶貴經驗。