發電廠熱工溫度保護誤動及拒動原因分析

張立剛

（中國電建集團河北工程有限公司，石家莊 050000）

發電廠熱工溫度保護系統起源于早期的電力產業，當時為防止設備過熱和損害，工程師們設計了初步的保護機制。隨著技術的進步，系統逐漸從簡單的手動操作轉向自動化、智能化。近年來，由于發電廠規模的擴大和設備復雜性的增加，熱工溫度保護系統在發電廠運行中的角色變得越來越重要。發電廠溫度保護一般分為電氣設備溫度保護、工藝設備溫度保護、旋轉設備溫度保護等。電氣設備溫度保護包括線圈溫度保護、絕緣油溫度保護、線路表面溫度保護等；工藝設備溫度保護包括爐膛溫度保護、水冷壁溫度保護、空預器溫度保護等；旋轉設備溫度保護包括軸承溫度保護、軸瓦溫度保護、殼體溫度保護等。

1 發電廠熱工溫度保護的概述

1.1 概述

發電廠熱工溫度保護作為發電廠運行中的重要環節，其主要功能是確保發電廠設備在安全的溫度范圍內運行，防止因超溫而導致設備損壞或出現事故。在熱工溫度保護系統的實際運行中，誤動與拒動是2 種常見的異常現象。誤動是指在無須熱工溫度保護動作的情況下，熱工溫度保護系統仍然起作用；而拒動則是在需要熱工溫度保護介入時，系統未能正確響應。兩者都可能導致設備的非正常停機或運行，影響發電廠的安全與穩定。

溫度傳感器是一種用于檢測和測量物體溫度的傳感器。其可以將溫度轉換為電信號，以便進行測量和控制。溫度傳感器可以用于各種應用，如工業控制、家用電器、醫療設備等。發電廠常見的溫度傳感器包括熱敏電阻、熱電偶、紅外傳感器等。發電廠溫度保護傳感器一般有雙金屬溫度計、彈簧管溫度計、熱電阻和熱電偶等。

1.2 誤動與拒動作用原理

發電廠熱工溫度保護系統的設計目標是監測設備的溫度并在超出安全范圍時采取措施。誤動和拒動是評估熱工溫度保護系統性能的關鍵參數。誤動指熱工溫度保護系統在溫度仍處于安全范圍內時錯誤地觸發保護措施，可能因為系統故障、傳感器誤讀或其他外部因素。相對而言，拒動是在超出安全溫度范圍時，系統未能觸發必要的保護措施，可能由于系統響應延遲、傳感器故障或保護邏輯錯誤。明確理解和區分這2 種現象對于保障發電廠的穩定運行和提高熱控系統的準確性具有重要意義。

2 發電廠熱工溫度保護誤動原因分析

2.1 傳感器誤差或故障

傳感器在熱工溫度保護系統中負責監測發電廠設備的溫度并提供實時數據。當傳感器出現誤差或故障時，其提供的數據可能偏離實際溫度，導致誤動。具體而言，傳感器的誤差可以表述為

式中：ΔT為傳感器誤差，Tmeasured為傳感器測得的溫度，而Tactual為實際溫度。當ΔT超出特定閾值時，可能導致熱工溫度保護系統誤判。

傳感器故障可能是由于多種原因，包括材料疲勞、長時間的環境暴露或電氣干擾造成的。當傳感器失效或輸出不穩定時，系統可能在不需要的情況下啟動保護措施，或在實際超溫時未能觸發保護，都將給發電廠的穩定運行帶來威脅。因此，對傳感器的性能和狀態進行持續監測是確保熱工溫度保護系統正常運行的關鍵。

2.2 軟件或硬件問題

發電廠熱工溫度保護系統涉及多個組件，包括軟件邏輯和硬件設備。任何組件的異常都可能導致整體系統的誤動。

在軟件層面，可能存在編程錯誤、算法不準確或數據處理延遲等問題。考慮一個簡單的溫度控制算法，其輸出控制信號u（t）可以表示為

式中：e（t）為設備溫度與設定溫度的偏差，而Kp和Ki是控制器的比例和積分增益。如果軟件中Kp或Ki的值設置不當，可能導致保護系統反應過激或遲鈍，從而引發誤動。

在硬件層面，可能面臨設備老化、電路中斷或接口不匹配等問題。例如，一個模擬-數字轉換器（ADC）的轉換公式可以表示為

若轉換器中的電阻R由于老化或故障出現偏差，那么輸出電壓Vout將不準確，進而可能導致系統誤動。

這些軟件和硬件問題的出現可能是多種因素的結果，從設計缺陷到制造缺陷，再到外部環境因素。對于發電廠運營商來說，定期的檢查和維護，以及及時的系統升級，是確保熱工溫度保護系統穩定性的關鍵措施。

2.3 外部干擾

發電廠熱工溫度保護系統在其運行過程中，可能受到各種外部干擾，從而影響其正常功能和準確性。這些干擾可以分為電磁干擾、機械振動、溫度波動等。

電磁干擾通常來自于發電廠內部的其他電氣設備或外部的無線通信設備。當這些干擾源產生的電磁場與熱工溫度保護系統中的電路或傳感器相互作用時，可能導致信號失真或噪聲增加。例如，電磁波的強度I在源與系統間的距離d的函數可表示為

式中：P為干擾源的功率。當（Id）超過某個閾值，系統可能開始出現誤動。

機械振動和溫度波動同樣能對傳感器和設備產生不良影響。持續的機械振動可能導致設備的物理損壞或傳感器的誤讀，而溫度波動可能使某些設備的工作參數偏離其標準值。為了減少外部干擾對熱工溫度保護系統的影響，發電廠應當采取隔離措施，確保系統的物理安全，并運用高質量的材料和設計，提高系統的魯棒性和抗干擾能力。

2.4 設備老化

隨著時間的推移，發電廠內的設備和組件都會經歷老化過程。設備老化可能涉及材料的物理變化、電子組件的性能衰退或化學成分的退化。這些變化可能逐漸降低設備的工作效率，減少其壽命，或導致其工作參數偏離設計標準。

考慮電阻元件，其阻值隨時間發生變化可以描述為

式中：R（t）為時間t時的電阻值，R0為初始電阻值，而α為描述電阻隨時間變化的系數。當電阻值偏離預期范圍，可能影響整個電路的性能，進一步引發熱工溫度保護系統的誤動。

為了應對設備老化帶來的挑戰，發電廠應定期進行設備檢查，評估其性能和狀態。適時地更換或修復老化的設備是確保熱工溫度保護系統持續、穩定運行的關鍵。

2.5 實際案例分析

2018 年，國家電網吉林分公司的一個主要發電站發生了熱工溫度保護誤動事件。此發電站，位于吉林省的長春市，是該地區的關鍵電源之一。

事件發生時，保護系統錯誤地檢測到了一個非常高的溫度讀數。經過詳細調查，原因被追溯到了一個溫度傳感器的故障，該傳感器因為長時間的運行和設備老化出現了偏差。盡管實際的設備溫度仍在正常范圍內，但由于這個錯誤讀數，保護系統啟動了緊急關機程序。

這一事件導致了長春市及周邊地區持續了幾個小時的大規模停電，影響了數十萬居民。事后，國家電網公司對該事件進行了徹底調查，針對發現的問題進行了整改，并加強了對其他關鍵設備的維護和監測。

此案例表明，即使在先進的、大型的發電系統中，一個簡單的設備老化或故障也可能導致重大的后果。為此，強化日常維護和監測，確保每一個組件的穩定性和可靠性，對于確保整個系統的安全運行至關重要。

3 發電廠熱工溫度保護拒動原因分析

3.1 保護邏輯或設置錯誤

發電廠熱工溫度保護系統的核心在于其保護邏輯和相關設置。這些邏輯和設置決定了當設備出現異常時，系統如何響應。但當保護邏輯或設置存在錯誤時，即使實際工況正常，也可能觸發拒動。

考慮一個簡單的保護邏輯，設備的工作溫度T與閾值Tmax和Tmin的關系可描述為

當實際溫度T超出這個范圍時，保護系統應觸發相應的措施。然而，如果Tmax和Tmin的設置過于接近或者錯誤，那么正常工況下的溫度波動就可能導致拒動。

再者，復雜的保護邏輯可能涉及多個參數和關系，如

式中：P為其他相關的參數，如壓力，而β 和γ 為相關系數。如果系數設置不當或者基于錯誤的數據，那么整個保護邏輯的輸出可能不準確，導致拒動。

為了確保發電廠熱工溫度保護系統的準確性和可靠性，必須對保護邏輯和相關設置進行嚴格校驗和測試。

3.2 傳感器響應延遲或不靈敏

發電廠熱工溫度保護系統依賴于傳感器提供的即時和準確的數據來進行判斷與操作。傳感器響應的延遲或其靈敏度的減弱都可能影響到整體系統的決策能力和效率。

響應延遲指的是傳感器檢測到參數變化到輸出相應信號所需的時間。例如，當一個設備的溫度突然升高時，如果傳感器不能迅速反應并及時傳輸這一信息到保護系統，可能導致系統未能在關鍵時刻做出正確的保護決策。

而傳感器的靈敏度是指其對待測參數變化的檢測能力。隨著使用時間的增加或者外部環境的影響，傳感器的靈敏度可能會降低。在此情況下，即使設備參數存在輕微的異常，傳感器也可能無法準確檢測。

這2 種情況都可能導致熱工溫度保護系統在需要采取措施時產生拒動。為確保系統的高效運行，應定期對傳感器進行檢測、維護和校準。

3.3 通信中斷或延時

發電廠熱工溫度保護系統的操作依賴于各組件間的信息交流。通信鏈路的穩定性與效率在此過程中扮演關鍵角色。通信中斷或延時可以導致關鍵數據未能及時傳遞到決策模塊，從而干擾系統的決策準確性和響應時效性。

考慮系統的通信模型，數據傳輸時延Δt可以被描述為

式中：d為數據量，α 為與數據量成正比的傳輸系數，而β為固定的通信延遲，包括硬件處理和傳輸介質的延遲。

當Δt超出一個預定的閾值，其可能被定義為通信延時；當Δt無限增大時，其被視為通信中斷。

通過分析上述模型，可以得出，數據量d的增加或傳輸系數α 的不穩定都可能是通信延時的因素。另外，硬件故障或外部干擾可能增加β，導致通信延時或中斷。

因此，對通信鏈路的維護和優化，選擇適當的通信協議，以及定期的通信測試，都是降低通信中斷或延時風險的措施。

3.4 電源問題

發電廠熱工溫度保護系統中，電源的穩定供應對于整個系統的正常運行至關重要。電源問題可能導致保護系統的不穩定、失效或錯誤操作，進而增加發電廠設備的風險。電源問題主要可歸因于以下幾點。

1）電源波動：電壓的短暫或長時間的波動可能會對熱工溫度保護系統的運行造成干擾。當電壓下降或上升超出系統的工作范圍時，系統可能無法正常工作或產生錯誤。

2）電源中斷：短暫的電源中斷可以導致系統重啟，而長時間的電源中斷可能導致系統完全失效。在這種情況下，備用電源的可用性和及時切換變得尤為關鍵。

3）電源噪聲：來自其他設備或系統的電源噪聲可能會干擾熱工溫度保護系統的運行，使其誤讀或漏讀關鍵信息。

4）電源質量：電源的質量直接影響到系統的壽命和穩定性。不純凈或不穩定的電源可能會加速系統部件的老化，并增加系統故障的風險。

為確保發電廠熱工溫度保護系統的正常運行，對電源系統的監控、維護和優化是必要的。確保電源穩定、純凈且無干擾，這對提高系統的可靠性和延長其使用壽命具有關鍵作用。

3.5 實際案例分析

在浙江溫州的溫州發電廠中，2020 年冬季發生了一起由熱工溫度保護系統故障導致的設備停機事件。這一事件持續了約3 h，造成了發電廠損失的電力產出。

事件的經過如下。當天早上，溫州發電廠的控制室突然收到熱工溫度保護系統的報警信號，隨后系統自動啟動了緊急停機程序。初步檢查并未發現機器過熱或其他顯著的故障跡象。經過詳細調查，技術團隊發現一個關鍵傳感器的表面沾染了大量的灰塵和雜質，這導致其無法準確地讀取溫度數據。進一步檢測顯示，這個傳感器在某些特定溫度下會顯示出遠高于實際溫度的讀數，這個錯誤的數據使得熱工溫度保護系統誤判并啟動了緊急停機。在識別了問題根源后，發電廠技術團隊對傳感器進行了清洗和校準，并將其重新納入系統。為了預防此類事件，溫州發電廠決定加大對設備的定期檢查頻率，強化傳感器的清潔和校準工作，并提高了對熱工溫度保護系統的監控力度。這一事件為電力行業提供了一個寶貴的教訓，突顯了對熱工溫度保護系統定期維護和監測的重要性，以確保其長期的準確性和穩定性。

4 技術措施

4.1 采用技術可靠且成熟的熱工溫度元件

技術成熟的溫度元件可以提高溫度采集的精度和可靠性，從而降低了溫度保護系統的拒動和誤動情形的發生概率，在根本上提高了系統的整體可靠性和安全性。

4.2 適度采用冗余設計策略

溫度采集可以采取多點并列的采集方式，提高溫度數據采集的正確率；重要測點的測量通道應布置在不同的卡件以分散危險，提高其可靠性；控制環節也同樣采取冗余設計，對采集的數據進行對比分析和判斷，從根源上消除拒動和誤動發生的因素，從而實現系統的整體高可靠性。

4.3 優化溫度保護的邏輯組態

確保邏輯正確，沒有死循環，提高保護系統的可靠性、安全性，降低熱控保護系統的誤動、拒動率。

4.4 增強溫度保護系統的硬件質量和軟件質量

增加自診斷功能。使溫度保護系統具備提前預防、軟化故障的作用。

4.5 嚴格控制溫度保護系統的工作環境條件

溫度、濕度、灰塵及振動對熱控電子設備有十分大的影響。保護系統設備工作環境要求較高，嚴格控制保護系統設備的工作環境條件，對提高整個系統的可靠性有著十分重要的作用。

4.6 提高和改善熱控就地設備的工作環境條件

改善設備的工作環境，如：就地設備接線盒盡量密封防雨、防潮、防腐蝕；就地設備盡量遠離熱源、輻射、干擾。嚴格控制電子間的環境條件，可以延長熱控設備的使用壽命，并且可以提高系統工作的可靠性。就地設備（如變送器、過程開關等）盡量安裝在儀表柜內，必要時對取樣管和柜內采取防凍伴熱等措施。

5 結束語

綜上所述，發電廠熱工溫度保護的誤動與拒動問題是復雜且多面的，涉及傳感器誤差、硬件與軟件的問題、外部干擾、設備老化、保護邏輯或設置的不當，以及通信的中斷或延時等多個方面。各種因素可能單獨或聯合導致保護系統的不正常行為。通過對具體案例，如浙江溫州發電廠熱工溫度保護系統故障的深入分析，可以更好地認識和理解這些問題，為發電廠提供更為準確和高效的解決方案。隨著技術的發展，對于發電廠熱工溫度保護的研究將更加深入，以期更好地滿足電力系統的安全、穩定和高效運行的需求。