由于电压异常造成热工电源跳闸的故障诊断与排除

由于电压异常造成热工电源跳闸的故障诊断与排除

李刚1程庆辉2

（1华能伊敏电厂内蒙古呼伦贝尔市鄂温克旗021130；

2呼伦贝尔市鄂温克旗伊敏河镇伊敏电厂内蒙古呼伦贝尔市鄂温克旗021130）

摘要：介绍了国产火力发电机组热工电源系统的供电方式，热工仪表电源切换装置的工作原理，并以某电厂实际应用的事故案例，对热工电源切换装置故障跳闸原因进行了诊断和分析，经采取有效改进措施，及时解决了机组热工电源安全隐患，仅供参考。

关键词：DCS；电源切换装置；相位；可控硅

1引言：

华能伊敏电厂三期两台机组设计为2×600MW国产超临界直流炉，DCS控制系统采用ABB贝利工程公司INFI90控制系统，于2012年底先后投产运行，目前火力发电厂的控制核心为热工DCS控制系统，而电源是热工控制系统正常工作的重要环节，为了保证热工电源系统运行可靠性，目前火力发电厂热工控制系统电源均采用两路电源互为备用方式供电（220V，AC），一路为保安段电源，一路为不间断电源（UPS），两路电源通过电源切换装置实现故障方式下切换，因此电源切换装置是保证负载正常运行的重要设备。伊敏电厂三期热工仪表电源切换装置为STS型静态转换开关，内部切换装置采用可控硅，具有切换时间短的优点。但近期发生了#6机组锅炉热工仪表电源切换装置上级空开跳闸事件，为确保伊敏电厂#6机组安全可靠运行，将此次事件进行分析，并采取了有效的措施加以解决。

2概况

2.1热工仪表电源供电方式概况：

华能伊敏电厂三期机组热工仪表电源由UPS电源和保安段电源两路电源供电，机组正常运行时由保安段供电，当发生紧急事件导致保安段A相失去时，由UPS电源供电。

图1

2.2UPS不间断电源系统概况：

机组UPS不间断电源系统共有三路电源输入（图2所示），主路电源（取自机组保安段），当旁路电源（取自机组220V直流电源系统），维修旁路（厂用锅炉PC段），当主路电源消失时，自动切换至旁路，UPS依靠直流系统逆变后的电压继续工作。当UPS需要检修时可切换至维修旁路，将UPS装置退出，保证负荷供电正常。UPS输出电压波形的相位、频率要和旁路电压保持一致，以便在向旁路切换时保持输出电压的平滑。

图2

由于厂用锅炉PC段和保安段MCC段相序相同，所以UPS输出电压波形的相位、频率间接的与保安段MCC段A相电源相序相同。

2.3热工仪表电源切换装置概况：

热工电源切换装置采用某品牌JQ-15K型号产品，电源为2路输入，切换电压220V，切换时间≤15ms，切换功率15KW，切换电流68A，切换方式为无扰自动和手动切换，环境温度为工业级：-25℃~50℃，环境湿度为RH≤93%(不凝露)，输入电源端子、输出电源端子与机壳之间在正常大气条件下不小于20MΩ，抗电强度：输入电源端子、输出电源端子分别对机壳之间：AC1500V，1min。[1]

电源切换装置主要由两路电源输入（一路电源取自机组UPS不间断电源系统，原二路电源取自机组保安段A相），一路电源输出构成。图3为原理图：

切换器内部的L控制模块与N控制模块使用可控硅作为静态导通开关，通过采样电路对1路电源和2路电源进行检测，当1路电源失电自动切换至2路电源工作，反之同理，切换时间≤15ms，两路输入电源完全隔离。

图3

3事故案例

3.1事件经过

2016年11月14日08时48分，#6锅炉仪表供电开关UPS电源开关、保安段电源开关跳闸，导致#1锅炉仪表电源、#2锅炉仪表电源失去电源，供油电磁阀、回油电磁阀等仪表失电，造成燃油系统波动。

3.2故障诊断与分析

故障诊断步骤：

1、判断负荷侧是否有L相接地、L相N相相间短路发生。通过测量所有锅炉仪表负荷相间电阻及就地绝缘，判断出负荷侧无L相接地和L相Ｎ相相间短路。

2、判断空开有无越级跳闸情况发生。通过在负荷侧做Ｌ相、Ｎ相相间及对地短路试验，发现仅为负荷侧空开跳闸，不存在越级跳闸情况发生。

3、判断锅炉仪表供电电源UPS与保安段L相N相与汽机仪表电源L相N相有无交叉。通过测量炉侧仪表电源L相与机侧仪表电源L相，相间电阻为15KΩ，炉侧仪表电源N相与机侧仪表电源N相，相间电阻为20KΩ，因此判断炉侧仪表电源与机侧仪表电源无交叉混电现象。

4、判断电磁阀设备DCS继电器控制L相还是控制N相。检查锅炉侧供油速断阀、回油速断阀、甲侧过热器一级减闭锁阀、乙侧过热器一级减闭锁阀、甲侧过热器二级减闭锁阀、乙侧过热器二级减闭锁阀都为DCS继电器控制L相（火线）。

5、通过就地设备对地短路、相间短路试验，就地设备在电源柜内末级空开均能正确动作，未出现越级跳闸时间。

6、检查#6锅炉仪表电源切换装置锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为438V（交流），#6汽机仪表电源切换装置汽机MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为113V（交流）且没发生过电源开关跳闸事件，故怀疑输入至锅炉电源切换装置中的两路电源存在相位差，导致空开跳闸。

4事件原因论证

4.1产生电压差的原因

隔离变压器的引用，是造成电压差的直接原因。

用三相电中的两相，通过变压器得到的220V电压，如将其一端接地或接变压器原边的零线，其输出也将变为一火一零的220V电压，但不同的是其相位与原边的3相火线的相位不同，见图4：

图4

如变压器初级接Ua与Ub二相火线，次级将一端接零线，另一端对地（零线）电压=220V，但相位与原线电压Uab或Uba相同，而与原相电压Ua或Ub有30度相位差。

Ua线电压为220V，Ua1线电压为220V，Ua1与Ua之间电压有效值使用下列公式计算：

Ua1与Ua之间电压为：

Ua1与Ua之间电压为113V。

Ua1与Uc之间电压为：

Ua1与Uc之间电压为311V。

Ua1与Ub之间电压为：

Ua1与Ub之间电压为425V。

实际测量值为（图5）

发电部电气技术人员测得UPS隔离变输入、输出电压：

图5

输入L1（取自厂用0.4KV系统A相）对地电压：233V（13V系统偏移）（图5所示黄色标记A相）。

输入L2（取自厂用0.4KV系统C相）对地电压：233V（13V系统偏移）（图5所示红色标记c相）。

输入L1对L2相间：402V（22V为系统偏移）（此为0.4KV厂用系统线电压）。

输出对输入L1（取自厂用0.4KV系统A相）：440V。

输出对输入L2（取自厂用0.4KV系统C相）：116V。

输出电压：223V。

除去系统偏移，测量结果与计算结果一致。

4.2试验验证压差对切换装置的影响

为验证此压差造成切换器过电流跳闸空开，制定《#6锅炉仪表供电开关UPS电源、保安段电源试验方案》。进行#6锅炉仪表电源切换装置试验，验证压差对切换器有无影响。

1、将切换器输出负载切除，使切换器空载运行，记录空载运行状态。

2016年11月14日19：15开始进行切换器空载试验，锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为438V（交流）图6所示。

图6

2016年11月15日01:26切换器上级空开跳闸图7所示。

图7

2016年11月15日10：28再次开始进行切换器空载试验，锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为438V（交流）。

2016年11月15日15:30切换器上级空开跳闸。图8所示

图8

结论：切换器跳闸与输入相间电压差值过大（438伏）有直接联系。

2、联系电气检修班组将切换装置输入相锅炉MCC段L相在开关侧进行换相工作。

第一次换相：测量锅炉MCC段热工仪表电源L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为322V（交流）。图9所示

图9

第二次换相：测量锅炉MCC段热工仪表电源L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为115V（交流）。图10所示

图10

由于锅炉MCC段热工仪表电源为三相制，只能调换两次，将电压降至115V的相序作为下一步切换装置空载试验电压。

3、2016年11月15日20：15开始进行切换装置空载试验，锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为115V（交流）。

2016年11月17日20：15，切换装置工作正常，无开关跳闸状态。

4、2016年11月17日21：00开始进行切换装置带载试验，锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为115V（交流）。至今切换装置工作正常，无开关跳闸，设备可靠运行。

4.3试验小结

经过以上理论分析和试验结果证明此次#6锅炉仪表供电开关UPS电源开关、保安段电源开关跳闸原因为锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为438（交流）过大所致，电源切换装置电子开关器件长期工作，反复受电流等冲击，在不同相位的输入电压下工作，当电压差值过大（现场为438伏）时，会导致切换器内晶闸管可控硅单元漏流加大，最终反向导通，导致相间电流过大，上级空开跳闸。

锅炉MCC段L相（火线）与UPS段L相（火线）之间产生电压差原因为：UPS系统隔离变输出的220V相位已经改变，输出与输入的L1（取自厂用0.4KV系统A相）相位偏移150°电压差为440V，输出与输入的L2（取自厂用0.4KV系统C相）相位偏移30°电压差为113V；而锅炉MCC段L相（火线）取自厂用0.4KV系统A相，由于相位偏移，造成热工两路供电电源L相之间有电压差值存在。

5采取的改进措施

首先，联系电气检修班组将切换装置输入相（锅炉MCC段热工仪表电源L相）在开关侧进行换相工作。将锅炉MCC段热工仪表电源L相取自厂用0.4KV系统C相，使锅炉MCC段热工仪表电源L相（火线）与UPS段L相（火线）电压差为115V（实际最小值）。

其次，测量其他机组热工两路供电电源L相之间有电压差值，确认两路电源压差为最小值（115V），如不是此最小值，联系电气检修班组及时进行换相处理，确保两路电源压差值为最小值方式运行。

再则，在机组检修期间进行电源切换装置切换试验，记录试验结果，确保切换装置各项功能完好，满足机组安全运行的要求，同时做好切换装置健康档案管理，正确评估电源切换装置内部电子开关器件使用寿命，提前预判电源切换装置使用周期，按时更新电源切换装置，确保各机组热工电源部分安全稳定运行。

6结论

热工电源切换装置内部使用了电子开关器件，如晶闸管可控硅单元、固态继电器等，造成A、B（图3）两路电子开关器件均存在一定的断态电流，此断态电流具有一定的差异性，并且此切换器后级负载（热工仪表电源）存在感性负载，有反复冲击的可能，长期使用后会造成内部电子开关器件性能下降情况，如果A、B两路电压存在相位角，那么必然存在电压差值，若是电压差值很大，就会造成A、B两路断路器跳闸现象。

作者简介：

李刚，男，大学本科，工程师，发电厂热工自动化方向，热工专业主管，具有该专业13年工作经验

邮编：021000

程庆辉，男，大学本科，助理工程师，发电厂热工自动化方向，热工专业炉控技术员，具有该专业6年工作经验