作者：郑晓敏
近年来发电厂生产实践暴露出现有的电源设计和供货在不同程度上存在着安全隐患．引发了一些设备或系统故障甚至机组跳闸事件．影响着机组的安全经济运行和电网安全．本文通过一些典型案例分析热控电源系统中存在的安全隐患．通过近两年对热控系统电源可靠性的研究，提出火力发电厂热控直流电源系统可靠性配置方案．供电力行业在设计、设备选型和运行维护时参考。
1故障案例
1.1 直流电源接地引发机组主燃料跳闸
2014年某天夜里，某电厂300 MW机组主燃料跳闸（MFT）保护动作、机组跳闸。事发后运行和热控人员检查发现MFT4个直流跳闸继电器线圈(220 V)全部烧毁、继电器失磁、保护误动作。
从故障信息发现，220 V电源系统有3次显示460 V的电压、且电气两套直流系统均有直流接地报警，其中第一套显示直流正极接地、第二套显示直流负极接地，通过分析得出事故原因是由于220 V直流系统出现460 V电压，烧损了线圈电压为220 V的继电器而造成机组停机事件。
此外大部分电厂热控采用双路110或220 V直流电源供电二极管耦合方式，当任意一段（套）直流系统发生接地故障时．将造成两段直流电源监测装置均发出直流接地报警信号，在查找直流接地故障时，很难找到故障部位，如果处理不当．将会造成机组停机事件的发生。
1.2 电源设计不合理触发机组跳闸
2013 -11-30T09:13．某电厂600 MW机组A修后在机组启动过程中因ETS故障触发机组跳闸。事后检查发现，用于检修操作、显示用的触摸屏供电回路保险烧坏（触摸屏内部故障），将ETS系统电源电压瞬间拉低至7 V, PLC系统卡件查询电压(24VDc)过低，机组润滑油压低（常闭接点）闭合，触发机组保护跳机。
事后检查发现，一是给触摸屏供电的保险容量偏大，负载故障时不能快速熔断，导致系统电压大幅度下降时间长；二是触摸屏电源设计不合理，触摸屏作为显示用，平常并不用于操作．非必须存在部件，其电源与保护回路共用电源，为故障埋下隐患。
热控电源系统异常导致机组跳闸多次发生．严重影响了火力发电厂机组的安全经济运行．是火力发电行业的共性问题，需通过对热控电源系统可靠性研究，提出解决方案。
2火力发电厂直流电源系统可靠性分析
2.1 直流电源系统可靠性分析
典型的火力发电厂直流电源系统如图1所示（图1是110 V系统，220 V直流系统类同）．热控控制电源一般配备2套直流电源系统，正常运行时2套直流电源系统没有互连、独立运行。
图l中R+是正母线对地绝缘电阻（所有负载等效对地电阻），R_是负母线对地绝缘电阻，R1、R2是直流绝缘监察装置配备的均衡电阻且RI=R2，R3是绝缘监察继电器的匹配电阻。直流系统正常运行时，R+和R_阻值很高（是R1或R2的10倍以上）且R1=R2，故直流母线对地电压对称，分别为+55 V和-55 V。当系统绝缘能力降低，R+或R_电阻减小时，将造成直流母线对地阻抗不同，正、负直流母线对地电压不对称，如直流系统直接接地时．接地点对地电压为“0”、非接地点对地电压为+110或-110 V．绝缘监察装置就是根据直流母线两级对地电压不平衡进行测量判断的。
图1中2套（左段和右段）直流系统正常时独立工作，为用电设备提供两路独立的直流电源，每套直流电源配备蓄电池、充电设备和相应的监控设备，从而保证全厂失去交流电源后直流系统连续供电，保证重要设备的安全。当各套直流系统发生对地绝缘能力降低或直接接地，不会造成2套直流系统相互影响（见图2）。
2.2采用二极管耦合后的直流电源可靠性分析
采用二极管将两路直流电源在热控侧耦合（环）后的系统如图3所示，目的是实现两路直流电源供电无扰切换，提高热控直流供电的可靠性。但实际对机组直流供电系统带来更大的风险，使火力发电厂直流电源系统运行监控、故障查找难度加大，容易引起更大的故障。
当热控侧采用二极管将两路直流电源耦合．左段（110 V直流电压I,下同）直流母线负接地，右段直流母线正接地（见图4），两段直流系统由于二极管耦合作用，在热控负载上的电压变化如下。
(1)左段直流负极接地，接地点对地电压为“0”，由于蓄电池的两段电压固定，左段正母线电压由正常的+55 V（对地）上升到+110 V（对地），左上部耦合(DI)二极管导通，负载正极电压也从+55 V（对地）上升到+110 V（对地）。
(2)右段直流正极接地，接地点对地电压为“0”，由于蓄电池的两段电压固定，右端负母线电压由正常的-55 V（对地）下降到-110 V（对地）．右下部耦合二极管(D4)导通，负载负极电压也从一55 V（对地）下降到-110 V（对地）。
(3)负载正极电压从+55 V(对地)上升到+110V（对地），负载负极电压从-55 V(对地)下降到
-110 V（对地），负载两段电压变成220 V,是原来110 V电压的2倍，长期工作将造成负载烧损．这就是本文故障案例1中继电器烧损的原因。
当热控侧采用二极管将两路直流电源耦合．右段直流正母线接地（见图5，绝缘降到零）时，两段直流系统由于二极管耦合的作用，直流母线和负载电压变化如下。
(1)接地点对地电压为“0”，由于蓄电池的两段电压固定，右段负母线电压由正常的-55 V
（对地）下降到-110 V（对地），右段负母线对地电位最低、故右下部耦合二极管(D4)导通，负载电位也从-55 V（对地）下降到-109 V(扣除二极管压降1 V)；由于右段正母线对地电位为零、相对左段正母线(+55 V)对地电位低，左上部耦合二极管( Dl)导通，造成左段正母线对地电位由+55 V降低、极限到对地电位为“0”，这样左段直流系统对地电压发生很大的变化，绝缘监察装置发出接地报警信号，这种工况由于2套直流系统对地阻抗不同，负载上的电压有不同情况的变化（高于正常电压）。
(2)热控直流电源在负荷侧采用二极管耦合．当右段直流接地时，影响到正常运行的左段直流系统并发出直流接地信号，这样给查找直流接地故障带来了很大困难。
以上2种情况产生的根源是热控直流电源在负载侧采用耦合二极管造成的，此类事件已经造成多次停机事件，必须彻底解决。
3解决方案
DL/T 5044-2004、DL/T 5455-2012规程均对热控用直流电源提出了具体要求，即不允许在直流负荷侧将两路直流电源并列运行，但没有给出解决问题的方案，需要在操作层面研究具体的实施方法。DL/T 5428-2009规程规定热工保护电源可以为交流或直流，但应取可靠的两路电源和采用可靠的切换装置。经过研究，对直流电源系统提出如下解决方案。
3.1 热控110 V/220 V直流电源系统配置方案
上述热控负载侧采用耦合二极管带来的问题，可采用直流电源专用切换装置解决。
直流电源专用切换装置如图6所示，图中电气直流1（以下简称主电源）经耦合二极管直接输出．电气直流2（以下简称备用电源）经耦合二极管串联接触器儿触点（直流电源专用切换装置输出的接点）并联到输出端。2个独立的辅助电源输入端分别取自电气直流l和电气直流2为装置内部的逻辑回路供电，以保证任何一路输入失电时，装置内部逻辑不受影响。
装置正常工作时，主电源经防反二极管Dl直接输出．备用电源处于断开状态即直流接触器Jl断开。直流电源专用切换装置的DC/DC处于热备用状态、输出低于额定电压5 010的电压（110 V约105 V, 220 V约217 V）；当处于工作状态的主电源故障造成电压跌落或失电时，直流电源切换装置内的DC/DC回路将输出端电压维持在额定电压的95%以上：当电压值跌落到额定电压的75%～80%时，装置判断该路电源出现故障，发出切换命令，切换过程中负载由DC/DC不间断给负载供电，待接触器Jl触点闭合后，将输出电压切换到备用电源上，整个切换过程约为20 ms（见图7）。
采用接触器Jl的目的是保证负荷有足够的短路容量并满足直流系统断路器或熔断器配合的需要，且备用电源运行时在热控侧直流接地通过儿触点由电气的绝缘监测装置监视报警。
利用直流电源专用切换装置对在役机组热控直流电源系统采用图6或图8的方案进行改造。
(1)在原两路直流电源采用二极管耦合方式的基础上．增加一路专用的直流电源专用切换装置（见图6）。图6中切换装置内的DC/DC实现直流隔离作用，用来给负载提供不问断的直流电源输出，电源监视、故障检测、失电报警是直流电源切换装置内的控制功能，二极管Dl、D2为实现直流无扰切换而设计：ZK1、ZK2是原有断路器．ZK3是新增断路器，正常运行时三者均闭合。(2)原直流电源系统无二极管耦合，增加一路专用的直流电源隔离装置（见图8），原理同上。
3.2热控电源系统采用全交流供电方案
鉴于热控系统主要采用交流供电，采用直流供电的设备很少，且大部分工程热控系统采用两路UPS供电，能保证全厂交流电源消失后一定时间内的供电。通过调研论证，新建工程热控系统宜全部采用交流供电，以简化热控电源系统，减少电气和热控电源的交叉，减少电源系统造成的故障。热控系统全部采用交流供电后，主要控制回路宜按下述配置。
(1)锅炉主燃料跳闸(MFT)继电器回路
采用双通道交流供电（见图9），两路交流电源分别供两套继电器跳闸逻辑系统，当一路电源异常时不会造成保护误动，当机组故障时2套继电器逻辑均动作、触发机组跳闸。
(2)汽轮机跳闸电磁阀电源
采用双通道交流控制电源，如图10所示。
(3)汽轮机OPC电磁阀电源
采用双通道交流或双路直流24 V控制电源．如图1 1所示。
(4)双通道跳闸回路设计
采用双通道设计后，如果执行部件（如开关、电磁阀等）是一个跳闸通道时，则双通道出口继电器与设备跳闸回路应采用2个通道相“与”后再相“或”到设备的跳闸回路，既防止误动，又防拒动。图12左侧是带电动作型跳闸回路、右侧是失电动作型。
(5)其他系统
如果不是双通道设计的其他系统，除根据重要程度选用经过交流切换装置后的电源作为控制电源外，还应保证交流电源切换装置的切换时间满足快速电磁阀（如抽气逆止门、小汽轮机、汽轮机、锅炉各种电磁阀等）的切换要求。
4结语
本文针对火力发电厂热控电源故障引起的机组跳闸事件和异常运行现状，分析其故障机理，制定了在役机组提高热控直流电源可靠性的技术方案：提出了新建机组热控电源全部采用交流供电的解决方案，即：
(1)在役机组采用专用直流电源切换装置，消除采用二极管耦合对直流电源系统的影响；
(2)新建机组热控电源优先全部采用交流供电方案．简化电源系统，提高全厂可靠性；
(3)结合相关规程和反事故措施、制定定期工作标准，确保热控电源系统处于完好状态。5摘要：针对火力发电厂由热控电源故障引起的机组跳闸事件和异常运行状况，分析了其故障机理，并对热控直流电源可靠性进行了分析：在此基础上，提出对在役机组采用专用直流电源切换装置消除二极管耦合对直流电源可靠性的影响、对新建机组采用交流电源作为热控控制电源的解决方案。
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