基于雙機(jī)UPS的并列操作分析

楊峻峰

(遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

基于雙機(jī)UPS的并列操作分析

楊峻峰

(遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

基于雙機(jī)并聯(lián)冗余的不停電電源系統(tǒng)(UPS)結(jié)構(gòu)在大型火力發(fā)電廠應(yīng)用較多，運(yùn)行可靠性高。由于其輸出并聯(lián)的特點(diǎn)，當(dāng)故障機(jī)器檢修結(jié)束后并列恢復(fù)時(shí)，采用不同的操作方式對(duì)UPS母線電源質(zhì)量的影響差異較大。對(duì)某發(fā)電廠在并機(jī)操作過程中UPS母線電源產(chǎn)生波動(dòng)造成空氣預(yù)熱器跳閘事件進(jìn)行分析，通過PMDR-200型便攜式故障數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)各種并機(jī)操作產(chǎn)生的不同效果進(jìn)行分析、對(duì)比，找出了最佳操作方案，提升了運(yùn)行人員的操作水平。

雙機(jī)并聯(lián)；不停電電源系統(tǒng)(UPS)；空氣預(yù)熱器；并列操作；勵(lì)磁涌流；合閘

圖1 UPS接線及故障錄波儀接線示意

1 問題的提出

某發(fā)電廠600 MW機(jī)組的不停電電源系統(tǒng)(UPS)如圖1所示，該系統(tǒng)為雙機(jī)并行在線式系統(tǒng)，容量為2×60 kV·A。系統(tǒng)雙機(jī)分為UPS1和UPS2，均為交流220 V輸入和交流220 V輸出，單臺(tái)輸出額定電流為143 A，用于向分散控制系統(tǒng)(DCS)、勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)變壓器組(以下簡(jiǎn)稱發(fā)變組)保護(hù)裝置、消防自動(dòng)化、空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器)控制電源等重要負(fù)荷供電，系統(tǒng)經(jīng)常性負(fù)荷電流60 A，負(fù)荷率20.98%。

整個(gè)系統(tǒng)由2臺(tái)獨(dú)立的UPS經(jīng)輸出開關(guān)Q094/Q095同時(shí)處于合閘狀態(tài)，并列運(yùn)行向UPS母線提供不間斷電源。由于DCS的控制器、勵(lì)磁系統(tǒng)控制器、發(fā)變組保護(hù)裝置交流電源、消防自動(dòng)化系統(tǒng)、空預(yù)器控制電源等設(shè)備對(duì)于發(fā)電機(jī)組來說都是重要輔助設(shè)備，電源的可靠性將直接決定著機(jī)組的安全，因此，大多數(shù)電廠均采用在線式UPS作為此類設(shè)備的工作電源[1]。為了進(jìn)一步提高UPS母線連續(xù)供電的可靠性，采用了雙機(jī)(熱備份)向母線供電，即2臺(tái)UPS并列運(yùn)行，任何一臺(tái)因故障退出時(shí)，另一臺(tái)仍能可靠地保證負(fù)載不失電。對(duì)于UPS，采用3路電源保證自身輸出的可靠性，分別是交流380 V三相輸入電源、交流220 V單相旁路輸入電源、直流220 V輸入電源，3路電源互相可以無擾動(dòng)地切換，任何一路輸入電源正常即可保證UPS自身的額定輸出[2]。

2 案例

雙機(jī)并列式UPS的優(yōu)點(diǎn)是保證母線上設(shè)備的連續(xù)可靠供電，備用容量大；缺點(diǎn)是單套裝置有多路電源來實(shí)現(xiàn)切換，輸出并列的方式在配置上需要添加電氣隔離元件，在一定程度上增加了故障點(diǎn)和運(yùn)行人員的操作難度。對(duì)于運(yùn)行中的UPS，需要檢查其中的一個(gè)UPS裝置，安全措施實(shí)現(xiàn)難度大，帶電部位多。由于系統(tǒng)復(fù)雜，操作步驟繁瑣，恢復(fù)方式看似靈活，但稍有偏差就會(huì)使設(shè)備運(yùn)行存在嚴(yán)重安全隱患[3]。

2.1 實(shí)際案例

2015-03-16 T 15:37,5A/5B空預(yù)器主電機(jī)同時(shí)跳閘，DCS畫面無故障報(bào)警，15 s后5A/5B空預(yù)器輔電機(jī)聯(lián)啟，5A空預(yù)器運(yùn)行正常，5B空預(yù)器因機(jī)械耦合器脫扣，未正常聯(lián)啟。檢查5A/5B空預(yù)器就地控制箱未發(fā)現(xiàn)異常，5B空預(yù)器主電機(jī)絕緣正常。18：42 啟5B空預(yù)器主電機(jī)成功，5B空預(yù)器恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

(1)5A/5B空預(yù)器電源。5A/5B空預(yù)器主、輔電機(jī)控制回路總電源取自熱工儀表盤，熱工儀表盤由UPS供電；5A/5B空預(yù)器主電機(jī)電源分別取自爐MCC A/B段、5A/5B空預(yù)器輔電機(jī)電源取自爐保安MCC 段。5A/5B空預(yù)器電源回路如圖2所示。

圖2 5A/5B空預(yù)器電源回路

(2)5A/5B空預(yù)器主、輔電機(jī)控制部分。以5B空預(yù)器為例，空預(yù)器主輔電機(jī)變頻器就地檢查無異常,5B空預(yù)器輔電機(jī)變頻器顯示電流16.20 A ；空預(yù)器控制把手置于遠(yuǎn)程位置。當(dāng)DCS遠(yuǎn)方啟動(dòng)主或輔電機(jī)時(shí)，控制柜就地柜通過擴(kuò)展繼電器實(shí)現(xiàn)保持回路，主或輔電機(jī)變頻器啟動(dòng)，變頻器二次接線電源由變頻器自帶控制，變頻器啟停控制由中間繼電器KA1常開接點(diǎn)控制，常開接點(diǎn)閉合變頻器啟動(dòng)，常開接點(diǎn)斷開變頻器停止。空預(yù)器主輔電機(jī)啟動(dòng)回路互相閉鎖，防止空預(yù)器主輔電機(jī)同時(shí)運(yùn)行[4]。

(3)空預(yù)器主電機(jī)運(yùn)行信號(hào)由變頻器擴(kuò)展繼電器KA1(輔電機(jī)為KA17)常開接點(diǎn)送至DCS；當(dāng)空預(yù)器主電機(jī)控制電源波動(dòng)時(shí)，中間繼電器KA1瞬間失電，常開接點(diǎn)斷開，變頻器停止，DCS空預(yù)器主電機(jī)停止運(yùn)行信號(hào)發(fā)出。同理，當(dāng)熱工儀表盤電源電壓波動(dòng)時(shí)，運(yùn)行的5A/5B空預(yù)器主電機(jī)控制回路瞬間失電，5A/5B空預(yù)器主電機(jī)變頻器停止，DCS空預(yù)器主電機(jī)停止運(yùn)行信號(hào)發(fā)出，由熱工保護(hù)聯(lián)啟5A/5B空預(yù)器輔電機(jī)。

(4)經(jīng)查，熱工“#5機(jī)DCS電源失電(UPS)光字牌”外接報(bào)警發(fā)出。

(5)初步結(jié)論：5A/5B空預(yù)器主電機(jī)同時(shí)停運(yùn)，是5A/5B空預(yù)器主輔電機(jī)控制回路電源瞬間失電或劇烈波動(dòng)引起的。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員操作記錄和UPS裝置上的事件順序記錄查找發(fā)現(xiàn)，發(fā)生空預(yù)器跳閘時(shí)恰好有運(yùn)行人員操作。其原因是，UPS1有異常報(bào)警，14：00檢修人員對(duì)UPS1進(jìn)行了停電檢查，排除故障；15:30運(yùn)行人員開始對(duì)UPS1裝置恢復(fù)，在利用Q094開關(guān)與UPS母線并列后啟動(dòng)過程中(15:37)出現(xiàn)2臺(tái)空預(yù)器跳閘情況。事后查找出其操作步驟是先合Q094開關(guān)，后啟動(dòng)UPS1升壓并列。

3 試驗(yàn)

根據(jù)UPS1在恢復(fù)階段，UPS母線電壓波動(dòng)造成機(jī)組出現(xiàn)異常情況的初步判斷結(jié)論，對(duì)造成波動(dòng)的具體操作環(huán)節(jié)進(jìn)行查找。查找方向主要針對(duì)運(yùn)行人員的兩個(gè)操作階段，一個(gè)是先合上Q094開關(guān)，另一個(gè)是啟動(dòng)UPS1升壓，進(jìn)而來研究該系統(tǒng)在一臺(tái)不停電電源裝置帶負(fù)荷運(yùn)行期間，另外一臺(tái)向系統(tǒng)恢復(fù)供電的無擾動(dòng)操作程序，以確保機(jī)組的安全。

3.1 試驗(yàn)過程

利用便攜式故障錄波儀在UPS2的輸出開關(guān)和母線上分別采集電流I和電壓U，接線如圖1所示。根據(jù)查找思路，分別記錄4組波形。

第1組：雙機(jī)并列運(yùn)行時(shí)的UPS母線電壓、UPS2輸出電流波形(如圖3所示)。由波形可見，正常運(yùn)行時(shí)電壓峰值約302.00V(瞬時(shí)值)，電流波形無失真，峰值約70.00A(瞬時(shí)值)。

圖3 正常并列運(yùn)行波形

圖4 工作狀態(tài)下合UPS1輸出開關(guān)并列

第2組：UPS2工作，UPS1零起升壓至合格電壓后，再用Q094開關(guān)與系統(tǒng)并列時(shí)的UPS母線電壓和UPS2輸出電流波形(如圖4所示)。由圖4可見，在并列時(shí)，UPS2輸出電流出現(xiàn)32.180ms的短時(shí)波動(dòng)，幅值由并列前的128.00A(瞬時(shí)峰值)波動(dòng)至最大320.00A(瞬時(shí)峰值)后穩(wěn)定在39.00A(瞬時(shí)峰值)；UPS母線電壓在達(dá)到負(fù)向最大時(shí)有2.583ms的短時(shí)波動(dòng)，波動(dòng)范圍為16.27V，無間斷。

第3組：UPS2工作，UPS1合Q094后的波形(如圖5所示)以及合Q094后再零起升壓的波形(如圖6所示)。(1)由圖5可見，在UPS1無電壓情況下，直接合Q094開關(guān)，母線電壓由300.00V(瞬時(shí)峰值)瞬間降至172.50V(瞬時(shí)值)，UPS2的輸出電流也陡增至反向913.33A(瞬時(shí)值)，波動(dòng)劇烈。(2)在合Q094開關(guān)的狀態(tài)下，對(duì)UPS1零起升壓，即先并列再升壓。由圖6可見，母線電壓無明顯波動(dòng)，UPS2輸出電流有29.890ms的波形失真。

第4組：利用Q050 3個(gè)位置無斷點(diǎn)切換的特性，將2臺(tái)UPS均轉(zhuǎn)至旁路運(yùn)行(由大旁路開關(guān)Q050開關(guān)帶UPS母線負(fù)載運(yùn)行，先合UPS1的Q092開關(guān)使旁路并列，此時(shí)Q094與Q095下口的公共輸出點(diǎn)被Q050切至“懸空”位，且靜態(tài)開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài))，待UPS1零起升壓輸出正常后合Q094開關(guān)，在2個(gè)UPS裝置的靜態(tài)開關(guān)均未激活狀態(tài)下，再把輸出公共點(diǎn)切至靜態(tài)開關(guān)和大旁路同時(shí)可帶負(fù)載位置，確認(rèn)UPS裝置的同步指示燈正常后，將靜態(tài)開關(guān)EN激活，此時(shí)2個(gè)UPS的逆變器將自動(dòng)關(guān)斷，由內(nèi)部的靜態(tài)開關(guān)同時(shí)帶負(fù)載，再將UPS的靜態(tài)開關(guān)切回到逆變器帶負(fù)載，即可平穩(wěn)恢復(fù)。整個(gè)過程只有最后一步時(shí)，電流出現(xiàn)小幅失真，其他過程無明顯異常，如圖7所示。

圖5 關(guān)機(jī)狀態(tài)下合UPS1輸出開關(guān)

圖6 先并列后上電UPS1

3.2 試驗(yàn)分析

由以上操作的錄波圖來看，在第2組試驗(yàn)過程中，由于Q094開關(guān)兩側(cè)的電源存在非同期，造成合閘后的短時(shí)振蕩；在第3組試驗(yàn)過程中，由于GB1變壓器在Q094開關(guān)合閘瞬間，UPS1的輸出加入了(相對(duì)UPS容量)較大的變壓器(GB1容量為65kV·A)，出現(xiàn)了勵(lì)磁涌流，造成系統(tǒng)電壓劇烈震蕩，甚至UPS2出現(xiàn)了嚴(yán)重過載情況，如果在電壓瞬時(shí)值為零時(shí)合閘，情況最嚴(yán)重[5]。

圖7 母線由雙機(jī)旁路切回雙機(jī)并列輸出側(cè)

4 結(jié)論

從3種并機(jī)方式的結(jié)果來看，第3組試驗(yàn)中的操作方式是最嚴(yán)重的，而運(yùn)行人員恰好采用了這種對(duì)系統(tǒng)沖擊最大的并機(jī)方式，才造成了空氣預(yù)熱器主電機(jī)控制回路失電的情況發(fā)生。正確處理措施：應(yīng)該在檢修前將UPS裝置切換至外部旁路帶負(fù)荷運(yùn)行，雙UPS關(guān)機(jī)進(jìn)行檢修；結(jié)束時(shí)，先將雙UPS啟動(dòng)至輸出正常，再有外部旁路電源按照操作說明，利用UPS靜態(tài)開關(guān)切換至UPS裝置逆變器輸出工作。

[1]趙艷麗, 高學(xué)義.淺談交流不停電電源(UPS)在發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工, 2010,36(3):74-75.

[2]王其英,何春華.新型UPS工作原理與實(shí)用技術(shù)及選購指南[M].北京:人民郵電出版社, 2006：8.

[3]王其英,劉秀榮.新型不停電電源(USP)的管理使用與維護(hù)[M].北京:人民郵電出版社，2005:273-275.

[4]王建華.電氣工程師手冊(cè)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:469-470.

[5]鄧代記.關(guān)于勵(lì)磁涌流問題的探討[C]//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)繼電保護(hù)專業(yè)委員會(huì).中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)繼電保護(hù)專業(yè)委員會(huì)全國保護(hù)和控制學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集, 2007.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-01-10；

2017-02-10

TM 711

B

1674-1951(2017)02-0026-05

楊峻峰(1982—)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，從事火力發(fā)電廠繼電保護(hù)與勵(lì)磁設(shè)備的檢修工作(E-mail:giohpen@163.com)。