一起柴油發電機出口開關異常跳閘的原因分析

陳志勇

(廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東 惠州 516083)

某電廠一期為2臺600 MW燃煤火力發電機組，其中2號柴油發電機組為國產組裝FPM1108/A型柴油發電機。柴油發動機型號為帕金斯4012TWG2，額定功率為1 000 kW，交流發電機型號為馬拉松MX-1030-4，調速器為海茵茨曼的680/84，調壓器為馬拉松公司的DVR2000E，控制系統為凱迅GU320A控制器，并網控制系統為GAC同步模塊搭接繼電器回路構成，柴油發電機配置一個施耐德MT20H1型出口K0開關。柴油發電機每周進行一次空載試驗，每月進行一次帶載試驗。在一次2號柴油發電機帶載試驗過程中，試驗正常，但是在柴油發電機正常停機過程中，發現柴油發電機出口K0開關無法正常分閘，經過全面分析排查，確認是由于繼電器故障導致K0開關無法正常分閘，最終導致K0開關過載脫扣異常跳閘。

1 原理分析

在發電廠中，柴油發電機用作事故保安段的備用電源，機組運行中發生廠用電中斷事故時，可保證機組安全停用[1-3]。該廠2號機組保安段分為保安2A段、保安2B段、保安2C段，保安2A段與保安2C段配置一個聯絡開關K1，保安2B段與保安2C段配置一個聯絡開關K2，正常運行時，K1，K2開關分閘。每個保安段配置一套江蘇金智科技股份有限公司的MFC5208A發電廠備保安電源自動切換裝置。保安A段由鍋爐B段或汽機A段供電，正常運行時，K9開關合閘、K7開關合閘、K5開關合閘、K3開關分閘，保安A段由鍋爐B段供電，當鍋爐B段失電或K9、K7開關故障分閘時，MFC5208A切換裝置合K3開關，自動切換至汽機B段供電。保安2C段帶柴油發電機，柴油發電機設出口斷路器K0開關。當汽機段和鍋爐段均失電時，MFC5208A切換裝置自動檢測到失壓將發命令給柴油發電機控制器，柴油發電機控制器收到命令后14 s內啟動柴油發電機，自動合K0開關，MFC5208A切換裝置收到柴油機啟動成功命令并檢測到保安2C段有電壓自動合K1開關，由柴油發電機給保安2A段供電。同理，保安2B段與保安2A段原理一致。機組保安電源一次原理圖如圖1所示。

圖1 機組保安電源一次原理圖

2 事件介紹

該廠2號柴油發電機自2009年投運以來，每周進行一次空載試驗，每月進行一次帶載試驗，試驗參數均正常。2020年4月完成2號柴油發電機控制系統升級改造，將原GU320A控制器和GAC同步器升級改造為深海8620控制器。改造完成后，柴油發電機空載試驗正常、帶載試驗正常、保安段切換試驗正常。2020年8月16日，運行人員在定期進行2號柴油發電機帶載試驗時，帶載600 kW，試驗正常。在試驗結束時，運行人員手動降負荷至150 kW，遠方發停柴油發電機命令，柴油發電機控制器發出“發電機分閘失敗”、“發電機過電流報警”。隨后，柴油發電機出口K0開關跳閘。

3 原因分析

3.1 柴油發電機出口K0開關檢查

柴油發電機出口K0開關為施耐德MT20H1框架式斷路器，額定電流2 000 A。柴油發電機帶載試驗時，試驗正常，在柴油發電機停機過程中，控制器出現“發電機分閘失敗”和“發電機過電流”報警，5 s后K0開關才跳閘。經了解，近期柴油發電機本體及二次回路無檢修工作，K0開關無任何檢修工作，初步懷疑K0開關分、合閘存在問題。立即對K0開關進行全面檢查，經檢查K0開關已脫扣，開關觸頭有灼傷痕跡，其余未見異常。查閱說明書，K0開關為過載脫扣且配有欠壓線圈，當出現過載或者欠壓時，K0開關脫扣器動作自動跳開開關。K0開關控制回路為220 V直流，直流系統運行正常，排除是欠壓線圈動作造成K0開關脫扣。對K0開關復位后，開關機械分、合正常，排除K0開關本體故障。初步，判斷是外部原因引起K0開關過流，導致K0開關脫扣器動作，從而跳開K0開關。

3.2 柴油發電機控制器檢查

2號柴油發電機控制系統為深海8620控制器和PLC控制回路構成。現場對2號柴油發電機控制器進行詳細檢查。檢查2號柴油發電機控制器報警歷史記錄，發現2號柴油發電機控制器在停機過程中出現“發電機分閘失敗”和“發電機過電流”報警。繼續用DSE軟件連接柴油發電機控制器，檢查帶載試驗的數據記錄。通過數據記錄發現，2號柴油發電機在停機過程中，有功功率緩慢下降，電流緩慢下降后短暫突變至2 650 A，如圖2所示。

圖2 2號柴油機帶載試驗功率及電流曲線圖

繼續檢查2號柴油發電機帶載試驗數據，發現9：44：15 2號柴油發電機啟動，9：44：17柴油發電機帶載，最高帶載629 kW。11：07：40，運行人員遠方停柴油發電機，柴油發電機功率125 kW，電流180 A，柴油發電機控制器已收到柴油發電機停機命令并發出出口K0開關分閘命令，但K0開關實際未分閘。11:07:45，柴油發電機電流由180 A突升至2 650 A，導致K0開關過載脫扣跳閘。11：07：47，柴油發電機功率為0，出口K0開關分閘。試驗數據記錄表如表1所示。

表1 2號柴油發電機帶載試驗數據記錄表

為了確認柴油發電機帶載試驗過程中確實存在2 650 A的大電流，從SIS系統查閱了2號柴油發電機帶載試驗曲線，帶載試驗正常。但是在停機過程中功率下降為50 kW左右，電流突變2 650 A，與柴油發電機控制器里數據記錄一致，如圖3所示。

圖3 2號柴油發電機帶載試驗電流曲線圖

2號柴油發電機帶載試驗停機時，柴油發電機控制器已發出分閘命令，但實際K0開關未正常分閘，而是柴油發電機控制器發出分K0開關命令后，延時5 s，柴油發電機三相電流由180 A上升到2 650 A，導致K0開關過載脫扣，引起K0開關異常跳閘。綜上，初步判斷故障在柴油發電機控制器至K0開關二次回路之間的元器件上。

3.3 柴油發電機控制回路檢查

為了進一步查明K0開關未正常分閘的原因，對圖紙進行了全面梳理。運行人員在DCS系統發出柴油發電機停機令后，柴油發電機控制器收到停機令，柴油發電機自動減負荷。當負荷降到120 kW左右，控制器發K0開關分閘命令給PLC，PLC收到K0開關分閘命令后，直接發命令給K0開關，自動分K0開關，其原理圖如圖4所示。

圖4 2號柴油發電機帶載試驗停機原理圖

柴油發電機控制器收到停機令并發出K0開關分閘命令，但K0開關實際未正常分閘，而是大電流造成K0開關過載脫扣異常跳閘。檢查柴油發電機控制器正常，排除控制器故障，檢查K0開關機械分、合閘正常，排除K0開關故障，判斷故障出現在PLC程序或PLC控制回路。進一步檢查PLC程序，未見異常，用仿真軟件模擬PLC程序，確認PLC程序正常，排除PLC程序故障，初步判斷故障在PLC控制回路的元器件上。繼續將K0開關拉至試驗位，聯系運行人員進行柴油發電機假同期試驗，遠方啟動柴油發電機，柴油發電機控制器檢測到同期條件滿足要求后，K0開關合閘成功。DCS遠方發停機令，檢查PLC運行狀態，發現PLC控制回路中輸出K0開關分閘指令的J2繼電器未動作。綜上所述，2號柴油發電機帶載試驗正常，在正常停機過程中，運行人員遠方手動發出停柴油發電機命令，柴油發電機控制器收到停機命令后，自動將負荷降到安全值，發出分K0開關命令。因控制K0分閘命令的J2繼電器故障，使控制器發出的分K0命令，K0開關未收到，導致控制器出現“發電機分閘失敗”報警。柴油發電機控制器發出K0分閘命令后5 s，由于柴油發電機已進入停機狀態，K0開關未分閘，此時柴油發電機由發電機變成電動機運行，導致柴油發電機三相電流由180 A突升至2 650 A，控制器出現“過電流報警”，最終引起K0開關過載脫扣而異常跳閘。

4 處理方法

領取備用繼電器校驗合格后，更換J2繼電器。聯系運行人員進行柴油發電機帶載試驗，試驗正常。DCS發停機令后，PLC輸出正常，J2繼電器動作，K0開關正常分閘，分閘過程中無大電流通過，如圖5所示。

圖5 2號柴油發電機帶載試驗功率和電流曲線圖

5 優化建議

(1)定期對柴油發電機控制柜內的繼電器進行校驗，對于不符合要求的繼電器及時更換。

(2)增加K0開關分閘、合閘監視回路并接入DCS系統。當K0開關分、合閘回路接觸不良，在DCS系統報“控制回路報警”，便于維護人員及時處理。K0開關位置接入DCS系統原理圖如圖6所示。

圖6 K0開關位置接入DCS系統原理圖

(3)國內柴油發電機均采用“一機一套”接線方式，每臺發電機組的交流保安電源系統相互獨立，使得柴油發電機組只能為本臺機組提供保安電源。由于突發事件的不可預見性，發電廠的發電機組會發生失去廠用電造成設備損壞的重大事故[2]。國外已有兩臺機組的柴油發電機互為備用的例子。為了提高廠用電的可靠性，可對1，2號柴油發電機進行升級改造，改造為2臺柴油發電機互為備用。當1號機廠用電失電，1號柴油發電機無法啟動時，自動啟2號柴油發電機，提高廠用電的安全性。柴油發電機互為備用原理如圖7所示。

圖7 柴油發電機互為備用原理圖

對柴油發電機控制器邏輯進行優化，使其滿足2臺柴油發電機互為備用的要求。同時，需要注意的是將2臺柴油發電機并聯起來運行，要檢查并聯運行的條件是否滿足，即要符合“五同”條件，分別是電壓、頻率、相位、相序和電壓波形。參與并聯運行的各個機組之間，應能按比例自動分擔電網中的有功功率和無功功率[3]。

6 結語

為了保證發電廠廠用電故障失電時，柴油發電機能夠應急啟動，需要對柴油發電機進行定期試驗。柴油發電機出口開關作為柴油發電機并網的重要環節，對柴油發電機迅速啟動，應急保安具有重要作用。通過分析柴油發電機出口開關異常跳閘的原因，消除了事故隱患，有利于柴油發電機在緊急情況下迅速啟動，保障廠用電的安全。