火電機組輔機及控制系統雙電源供電策略與應用分析

南京化學工業園熱電有限公司/中國礦業大學電氣工程學院 陳超虎

1 案例分析

1.1 主變冷卻器因其PLC控制器故障而引發全停

某1000MW機組主變配置四組冷卻器，PLC控制器與四組冷卻器電源全部配置在一段400V母線上，400V母線采用雙電源明備用（不設主、輔等級）供電方式。機組運行中主變冷卻器突然全部停運，原因為PLC控制器由于電源故障停止工作，造成四組冷卻器全部停運。后將主變冷卻器由PLC控制方式改為繼電器控制，將動力電源由雙電源明備用（不設主、輔等級）供電方式改為雙電源暗備用帶手動聯絡開關方式，實現了主變冷卻器電源和控制回路的相對獨立和冗余，之后未出現此類情況。

1.2 勵磁系統整流風扇電源切換失敗引起調相機跳閘

2019年2月某日，某換流站2號調相機勵磁系統發出“風機故障”“整流柜退出、勵磁系統故障”“跳變組保護A、B屏開關量保護動作”等報警，2號調相機5102斷路器分閘，滅磁開關跳閘。

該調相機勵磁系統為某廠家設備，共3臺功率柜，每臺功率柜有兩個風機互為備用，6臺風機全部配置在一段400V母線上，母線電源為雙電源明備用（設置主、輔電源）供電方式。由于調相機進相運行，機端電壓、勵磁變低壓側電壓降低，導致風機電源主回路電壓降低至電源切換臨界值附近，電源切換繼電器反復來回快速切換后導致電源切換接觸器“卡死”在中間位置，無法吸合，致使兩路電源均丟失，6臺風機全部停轉，功率柜隨之全部退出，從而滅磁開關跳閘。

此次事故發生后，相關專家診斷后認為：主電源恢復正常后的回切功能可考慮去除，備用電源正常時，可不必立即切換，避免電源頻繁切換；某廠家勵磁系統風機電源切換回路無冗余，存在單一元件故障導致系統跳機的風險，建議每個功率柜內兩臺風機電源回路實現完全獨立冗余，可參考另一廠家勵磁系統的配置形式。

1.3 風機油站雙電源供電，因控制回路中元件故障，風機油泵全停引發風機跳閘

某1000MW機組送風機油站控制柜設計為雙電源明備用供電方式，采用失電自動切換方式，即在一路電源失去時，另外一路電源自動投入，控制回路電源也相應由新投入電源接帶。在機組運行中出現因控制回路中一個元件觸點故障，引起風機兩臺油泵全停的異常情況，造成單臺送風機跳閘。之后，各風機油站控制柜電源回路均進行改造，2臺油泵主電源及控制電源均獨立配置，消除了2臺油泵同時跳閘的隱患。

2 雙電源回路設計與應用分析

DL/T 5153《火力發電廠廠用電設計技術規程》中將非0類負荷分為三種：Ⅰ類負荷。短時停電可能影響設備正常使用壽命，使生產停頓或發電量大量下降的負荷；Ⅱ類負荷。允許短時停電，但停電時間過長，有可能影響設備正常使用壽命或影響正常生產的負荷；Ⅲ類負荷。長時間停電不會直接影響生產的負荷。對于非0類負荷，常采用以下三種雙電源供電方式：雙電源暗備用帶手動聯絡開關；雙電源明備用（設置主、輔電源），主路電源工作，備用電源僅在主路電源失電時投入接帶負荷；雙電源明備用（不設主、輔等級），任一路電源工作時，另一路電源備用。

2.1 雙電源暗備用帶手動聯絡開關

圖1為雙電源暗備用帶手動聯絡開關接線方式原理圖，正常工作方式為：電源1開關MK1為小母線1供電，接帶負荷1；電源2開關MK2為小母線2供電，接帶負荷2；電源1與電源2之間設置手動聯絡開關QF1、QF2，當任一電源失電時，由操作人員手動將聯絡開關QF1、QF2合閘，由另一電源為兩段小母線同時供電。

圖1 雙電源暗備用帶手動聯絡開關接線方式原理圖

采用雙電源暗備用帶手動聯絡開關供電方式優點在于：小母線失電后，可先對故障原因進行排查，確認為電源側故障且故障點已隔離后方可手動對聯絡開關QF1、QF2進行合閘操作；當故障點在負荷側時，可避免事故擴大造成兩段小母線同時失電。雙電源暗備用帶手動聯絡開關供電方式有其使用的局限性，主要表現為：由于小母線失電后，聯絡開關QF1、QF2不能自動快投，故備用電源的投用較遲緩，失電小母線上接帶的負荷一般會有幾分鐘至幾十分鐘的停電時間，故此種供電方式不宜用于DL/T 5153《火力發電廠廠用電設計技術規程》中Ⅰ類負荷，僅限用于Ⅱ、Ⅲ類負荷。

基于以上原因，雙電源暗備用帶手動聯絡開關供電方式主要適合用于以下情況：負荷1與負荷2互為明備用關系的Ⅱ/Ⅲ類負荷，如燃煤機組風機潤滑油站，因設置兩臺互為備用的潤滑油泵，潤滑油泵動力電源可采用此類供電方式；工作原理與作用相同的多個Ⅱ/Ⅲ類負荷，如主變壓器冷卻裝置，一般設置4組或者更多組數的冷卻器，可分別布置于兩段小母線上。

2.2 雙電源明備用（設置主、輔電源）

如圖2所示為雙電源明備用（設置主、輔電源）設計原理圖，此種供電方式電源控制邏輯為：電源1開關MK1為主電源，電源2開關MK2為輔電源，MK1、MK2開關正常均在合閘狀態；由于開關MK1合閘，繼電器1KM、3KM帶電，接觸器1KM自動合閘為母線供電，電源2控制回路上常閉觸點1KM、3KM打開，閉鎖電源2繼電器2KM使其不能帶電，電源2作備用電源。

圖2 雙電源明備用（設置主、輔電源）

電源1開關MK1失電時，繼電器1KM、3KM失電，電源2繼電器2KM閉鎖解除，繼電器2KM帶電，接觸器2KM合閘為母線供電的同時閉鎖電源1繼電器1KM合閘，防止反送電；電源1開關MK1恢復送電后，由于繼電器3KM帶電、常閉觸點3KM打開，致使電源2繼電器2KM失電，接觸器2KM分閘，電源1繼電器1KM閉鎖解除，繼電器1KM帶電，接觸器1KM合閘為母線供電，實現了母線電源由輔電源至主電源的轉換。

雙電源明備用（設置主、輔電源）供電方式的優點為：主電源失電后備用電源可快速投入供電，供電靈活性強，供電可靠性高，保障小母線處于不停電狀態，可用于保障Ⅰ類負荷供電；提高無備用設備負荷的供電可靠性，減少備用設備配置，降低成本；雙電源可靠性不一致時，可對工作電源進行優先級選擇設置；故障率一般較低。

雙電源明備用（設置主、輔電源）供電方式的缺點如下：所有負荷均由一段小母線接帶，小母線失電時設備將被迫停運；單小母線配置，若小母線上出現短路或接地故障，須停電處理；若電源開關至小母線之間線路故障，備用電源將無法投入運行，造成小母線失電，如繼電器1KM/2KM故障未正常吸合、電源線路與小母線交接處安裝松動造成單相失電等負荷故障后，若負荷開關未正常跳開、故障擴展至母線，工作電源跳閘，備用電源接帶后跳閘，小母線失電。

若主電源出現瞬時非接觸性故障，將會造成電源回路在主電源與輔電源間的頻繁切換；若不能及時發現，將會造成接觸器1KM/2KM故障，增加失電風險；實際使用中，生產現場由于受使用場所空間等條件限制，接線中經常出現取消母線排配置，從第N個負荷開關的上接線口用短接線引接第N+1個負荷開關電源的情況；此種情況下，負荷供電可靠性將逐級降低，如負荷2電源從負荷1開關上口引接，若出現引接處接頭松動、接觸不良，將同時影響負荷2、3、4……的供電可靠性。

雙電源明備用（設置主、輔電源）供電方式在以下場景應用較多：雙路電源的可靠等級不一致時，根據實際情況選擇其一作為主電源，如事故照明可選擇照明段電源為主電源，保安段電源為輔助備用電源等。

多個設備的雙路電源取自相同廠用段母線，需要平衡負荷分配，以及降低事故情況下多負荷雙電源同時切換對廠用段母線穩定運行的影響；比如燃煤機組配置多臺制粉系統，可將各制粉系統潤滑油站動力電源的雙電源用設置主輔電源的方式，分別分配于保安A段和B段，保安段單段母線失電時，既可以降低多臺制粉系統油站電源同時切換對另一段保安段的影響，也可降低切換故障時對制粉系統的影響程度。

2.3 雙電源明備用（不設主、輔等級）

雙電源明備用（不設主、輔等級）不區分主電源、輔電源，兩路電源等級相同，圖1與圖2雙電源明備用（設置主、輔電源）原理圖基本相同，僅是在圖2基礎上取消了3KM繼電器及其相關回路。

雙電源明備用（不設主、輔等級）動作邏輯為：送電前，小母線無電，電源1開關MK1、電源2開關MK2均在分閘狀態；當電源1開關MK1先合閘時，繼電器1KM通電使接觸器1KM閉合為小母線送電；繼電器1KM通電同時致使電源2控制回路中常閉觸點1KM斷開、確保電源2開關MK2合閘后接觸器2KM不閉合，電源2處于熱備用狀態；當電源1開關MK1故障失電，或接觸器1KM異常脫扣，或熔斷器3FU/4FU異常熔斷時，均將造成繼電器1KM失電、接觸器1KM斷開，此時電源2控制回路中常閉觸點1KM由斷開狀態轉為閉合狀態，繼電器2KM通電使接觸器2KM閉合為小母線送電；電源1故障消除后恢復送電時，由于繼電器2KM通電、電源1控制回路中常閉觸點2KM斷開，電源1將處于熱備用狀態。

電源2開關MK2先合閘時邏輯同電源1開關MK1先合閘。雙電源明備用（不設主、輔等級）供電方式，重點在于取消了主電源判斷功能，消除了雙電源明備用（設置主、輔電源）供電方式“主電源出現瞬時非接觸性故障時，造成電源回路在主電源與輔電源間的頻繁切換”的缺點，但同時也犧牲了“雙電源可靠性不一致時，可對工作電源進行優先級選擇設置”的優勢。雙電源明備用（不設主、輔等級）是雙電源明備用（設置主、輔電源）供電方式的一種演變，二者分別適用于生產現場不同的場景，雙電源明備用（不設主、輔等級）目前在火電廠輔控區域配電柜中應用較為廣泛。

3 雙電源供電回路使用中的安全管理

雙電源供電應按照國家和電力行業有關規定、規范和標準的要求，對自動切換裝置定期進行安全檢查、預防性試驗、起動試驗和切換裝置的切換試驗，并制定相應操作規程、檢修維護規程和應急預案；規程中要把可能出現的運行狀況及對應操作程序一一列明，做到在實際操作中有章可循。

綜上所述，雙電源供電方式是保障設備供電可靠性的基本手段，三種雙電源供電方式因原理上的差異，特性上有較大差異，各自適應于不同的場景。在具體方案選擇時需要根據實際使用的場景和功能需求進行分析判斷，既要考慮各種供電方式的優勢，也要充分考慮其故障模式下對設備安全穩定運行的影響。