發電廠柴油發電機和機組保安段控制回路改造

黃姝

(大唐華銀株洲發電有限公司，湖南株洲412000)

1 事故案例

某發電廠曾經發生由6 kV電機A相引出線絕緣磨損而跳機的事故。事故電機在運行中接地(20 s后轉為穩定接地)，由于6 kV系統為不接地系統，6 kV接地保護只投報警，2 h后才投跳閘，不穩定接地產生的弧光過電壓擊穿絕緣薄弱的進線TV B相瓷瓶，明火和煙霧造成TV間隔三相短路，高廠變差動保護動作跳機。廠用電快切后，由于故障未能切除，備用電源之過流保護動作跳閘，單機廠用電源全部失電，而柴油發電機又未能聯啟，險些釀成機組損壞事故。

1.1 跳機時DCS失電原因分析

DCS失電的原因是機組2臺UPS退出，導致供電電源消失。經查UPS裝置是在事故發生時交流、直流供電回路電源電壓均越下限而退出運行。調取故障錄波，交流電源越下限原因為故障短路導致6 kV電源電壓下降，從而引起380 V電壓降低所致，不可避免。而直流電壓越下限的原因經試驗證明為:機組220 V蓄電池組#89節蓄電池內阻嚴重偏大，電壓高，造成電池容量降低，在大電流下，端電壓下降。在事故情況下啟動直流油泵，造成直流母線電壓低于UPS電源裝置的輸入電源下限，由此UPS徹底失去工作電源而停止運行。

1.2 柴油發電機未啟動原因分析

機組跳機且6 kV備用電源跳閘后，機組汽機、鍋爐保安段失壓，而保安變在檢修，已滿足柴油機發電機啟動條件，但因柴油機發電機啟動邏輯須由DCS實現，而DCS失電，未能發出啟動信號，因而致使柴油機未啟動。

2 機組廠用電結構分析

該廠2臺機組保安電源配備一次接線如圖1。鍋爐、汽機保安段正常時由工作段供電，當工作段電源失去時，通過切換由保安變通過機組保安段供電，當保安變供電失去時最后自動啟動柴油發電機提供保安段電源，保證發電機能安全停機。工作段的備自投，從工作段到機組保安段的自投切換過程均由機組DCS里的備自投板完成，柴油機的啟停邏輯由DCS組態完成。

圖1 保安電源配備一次接線圖

2.1 3號機組啟動柴油機的條件

3號發電機保安段失電;機組保安段母聯開關T1306在合閘位置;保安變低壓側開關T1301在分閘位置;3號發電機保安段 T1302，T1303，T1304，T1305開關，任意1臺開關在合閘位置。

2.2 4號機組啟動柴油機的條件

4號發電機保安段失電;機組保安段母聯開關T1306在分閘位置;4號發電機保安段上T1402，T1403，T1404，T1405開關，任意1臺開關在合閘位置。

2.3 相應的工作段開關跳開、備自投啟動邏輯

1)工作段電源供電情況:鍋爐、汽機工作段跳閘后，自動合母聯開關由另一段母線提供電源。

2)3號機組保安段電源供電情況:相應的工作 段 電 源 開 關 QA1302(QB1310，LA1302，LB1309)跳開，保安段 T1302(T1303，T1304，T1305)自動合閘。

3)4號機組保安段電源供電情況:相應的工作 段 電 源 開 關 QA1402，QB1410，LA1402，LB1409跳開，保安段 T1402(T1403，T1404，T1405)自動合閘。

2.4 存在的主要問題

1)對DCS依賴性太大，一旦DCS失去，備用電源將不能自投，作為保證機組安全停機，保廠用電最后一道屏障的柴油發電機也將徹底失去作用。而DCS由機組UPS供電，大型故障時UPS供電電源的交流電容易超標，UPS供電全壓在蓄電池提供的220 V直流電上。

2)3號，4號機組所有工作段電源開關都無低壓聯跳回路，DCS組態里也無保安段失電跳閘的邏輯，工作、保安段失電的情況下，相應段的開關不會跳開，由此備用開關不會合閘，柴油發電機也就無法自啟動。

3 改造方案

1)全部更換機組蓄電池，在加強蓄電池、UPS裝置維護的前提下，在大型改造前過渡階段不考慮DCS失電。

①汽機 (鍋爐)工作段、保安段在DCS里增加母線失壓聯跳工作電源開關邏輯，保安段比工作段增加一個時間級，以確保工作段母聯開關先自投。

a.保安段工作側電源開關:取該段母線失壓繼電器接點的開關量，電壓變送器失壓的模擬量相與后延時1 s跳開本開關。

b.工作段工作側電源開關:取該段所接保安段母線失壓繼電器接點的開關量，該段電壓變送器失壓的模擬量相與后延時3 s跳開本開關。

②保安變低壓側T1301開關增加失壓連跳功能，啟動柴油機邏輯進行優化。

a.保安變低壓側T1301開關DCS里增加失壓連跳邏輯:取機組保安段母線失壓繼電器接點的開關量，電壓變送器失壓的模擬量相與后延時5 s跳開本開關。

b.3號，4號機啟柴油機邏輯均不再判機組保安段母聯T1306開關狀態，改為判保安變低壓側T1301開關狀態。

2)考慮DCS失電的風險，從增加保安電源可靠性出發，機組大修時進行如下改造:

①在3號，4號機汽機 (鍋爐)工作段現場共增加4套獨立的備自投裝置。失壓情況下先發跳工作開關命令，當工作開關跳閘后連鎖發出備用開關合閘命令。本備自投裝置試驗合格后停用DCS里相應的備自投功能。

②對柴油發電機控制屏進行全面改造，完善柴油發電機控制系統功能及配置，柴油發電機控制回路改造元件配置主要有:柴油機控制器、調速板、調壓板、油壓傳感器、水溫傳感器、轉速傳感器、變送器、電流表、電壓表、頻率表、功率表繼電器等。

a.市電斷電3～6 s內可自動啟動柴油發電機組，并在10 s內達到額定電壓，首次加載量大于50%額定負載;

b.具有同期并網功能;

c.具有發電機超速、潤滑油壓低、水溫過高、柴油發電機過載、電池高低電壓保護、柴油發電機輸出電壓高低保護、機組頻率高低保護、逆功率、失磁保護、短路、接地等告警和保護功能;

d.具有油壓、油溫、水溫、轉速、充電電壓、三相電壓、頻率、三相電流、功率因素、有功功率、無功功率、合/分斷路器指示顯示功能。

3)柴油發電機增加一套PLC裝置，以實現啟動邏輯。柴油發電機新設PLC柜內配置為電源切換裝置、DC轉換電源各1個，CPU板、模擬量板、輸入板各2塊，電壓變送器10個，PLC裝置開關量及模擬量點名見表1。

①PLC裝置與DCS并存，判據相同，但增加3 s延時，保證DCS先動作，PLC裝置僅作為DCS后備。

②將檢測保安段失壓后，發跳相應工作段開關，合機組保安段開關邏輯做入PLC裝置。保證DCS失電狀態下保安電源供電。

③PLC裝置采取全套雙冗余配置，裝置工作電源采用3號，4號機組110 V直流電源 (控制電源，未接直流電機)，通過切換裝置給PLC裝置供電，放置于機組保安段，并在室內配置空調。

表1 PLC裝置開關量及模擬量點名表

另外，為了確保PLC裝置的可靠供電，必須保障機組蓄電池的健康運行。該電廠每臺機組各配置了2組110 V直流蓄電池，用于電氣控制回路供電;1組220 V直流蓄電池，用于直流動力電源供電 (如直流油泵)。該改造方案將PLC裝置供電電源取自2組110 V直流蓄電池，就是考慮110 V直流蓄電池穩定性好，以規避事故情況下220 V直流動力電源因負荷突增而端電壓下降的風險。

其次，必須保障柴油發電機蓄電池的健康運行。柴油發電機的控制電源、動力電源 (如柴油發電機轉速剎車裝置電源)均取自專用的48 V蓄電池組，啟動時負荷較重，而柴油發電機組平時并不啟動，如進行蓄電池組勤維護，保證蓄電池組的健康運行，將會發生事故狀態下啟動時動力不夠的問題。因考慮蓄電池放置在柴油發電機室，環境差，使用時間長，更換了原蓄電池組，并移至配有空調的機組保安段控制室。

4 改造效果

1)徹底地解決了柴油發電機對DCS過分依賴的問題。因DCS裝置比PLC裝置可靠性更高，此次改造將PLC控制作為DCS邏輯控制的后備，一旦事故情況下DCS失去控制，PLC裝置將接管控制，保證廠用保安段備用電源自投和柴油發電機的可靠啟動。

2)較好地解決了380 V廠用電可靠自投的問題。以前，某段6 kV廠用電母線因永久故障而失壓，其所屬的一系列380 V廠用電無法自投。380 V失壓保護最佳方案是開關配置失壓脫扣單元，但考慮性價比，該電廠失壓改造采用了在DCS里用邏輯組態來實現的方案。但是，經調研及現場試驗證明，用DCS邏輯組態構成的備自投板，延時無法精確控制，不如專用的備自投裝置可靠性高。最終的改造方案選擇在每段380 V廠用電上配置單獨的備自投裝置。備自投裝置具有檢測母線失壓狀態下先跳工作段開關、后合備用段開關的功能，較好地解決了母線失壓自投的問題。

5 結束語

經過長達2年的逐步改造，該廠已完全解決了6 kV，380 V廠用電在失壓情況下不能自投備用開關的重大安全隱患，也消除了柴油機發電機自啟回路對DCS的依賴，柴油發電機組真正可以起到廠用電最后一道屏障的作用，從根本上保障了發電機組的安全穩定運行。

〔1〕陶然，熊為群.繼電保護與自動裝置及二次回路〔M〕.北京:水利電力出版社，2000.

〔2〕王維儉，候炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎 (第2版)〔M〕.北京:中國電力出版社，1996.

〔3〕李建明，朱康.高壓電氣設備試驗方法〔M〕.北京:中國電力出版社，2001.

〔4〕上海新華控制技術有限公司.XDPS操作員手冊〔S〕.2002.

〔5〕香港凱迅公司.GU660A柴油發電機組控制器說明書〔R〕.

〔6〕西門子中國有限公司.PLC裝置說明書〔R〕.