孔永科，薛立军，王立超，石山

（广东粤电集团珠海发电厂，广东珠海，519050）

火电厂负荷供电故障机理分析与解决策略

孔永科，薛立军，王立超，石山

（广东粤电集团珠海发电厂，广东珠海，519050）

火电厂关键负荷控制电源稳定性与机组安全运行密切相关。围绕故障案例实际，模拟得到了故障期间母线各相电压值，与实际值相吻合。基于此，分析提出了一种结合控制电源直流改造和变频器低电压穿越的解决策略，将能够有效避免厂内低电压事故引起的控制电源失电，保证机组安全运行。

火电厂；数值模拟；直流改造；低电压穿越

引言

随着供电机组容量日趋增大，设备自动化程序不断提高，机组运行安全要求愈发严格，必须力争故障所造成的损失降到最低。马达控制电源（MCC）为火电厂控制系统的二次电源，其供电可靠性直接影响着整个发电系统的安全运行[1]。发电厂的机组保安负荷在失去正常供电后，会造成严重厂内故障，造成巨大经济损失。为确保供电可靠性，通常由一主一备两路电源为保安负荷供电，正常情况下，当MCC段主电源失电时，会切换到备用电源，以保证MCC段供电的可靠性。若切换失败，则重要负荷失去电源，将引起设备异常、跳机等严重后果[2,3]。

1 典型案例分析

某电厂0.4 kV MCC控制电源分为两类，一类为没有经过电源改造的MCC段，供电方式为MCC开关间隔自供电方式，控制电源取自MCC间隔动力电源A、B相；另一类为经过电源改造的MCC段，供电方式为直流110 V系统供电。本文通过实际故障案例的定性分析，对两种控制电源方案进行可靠性比较，提出了改进方案。

1.1 案例介绍

2016年07月，因极端雷暴天气，220 kV母线发生三相短路故障，某厂#1、#2机组厂用电电压大幅降低，造成了主机系统部分0.4 kV MCC马达跳闸，导致了机油泵故障跳闸。此外，脱硫系统吸收塔、浆液泵、石灰石浆液箱、石膏溢流浆液箱全部搅拌器跳闸，电除尘系统部分高压电场跳闸。

厂用电系统示意如图1所示。故障主要原因：220 kV母线由于受到雷击，发生了三相短路，引起对侧临港站母差保护动作，跳开对侧海临乙线开关，同时发出“远方跳闸”指令，导致该厂海临乙线开关跳开。

故障造成该厂220 kV母线电压大幅降低，通过查看机组故障录波器波形，故障时刻该厂220 kV母线电压大幅降低，三相对地电压由正常时的135 kV降至11.8 kV，为原来的十分之一以下，6.3 kV厂用电降为3 kV左右，故障持续时间大约为70 ms。

厂用400 V母线无录波记录，因此无法得到故障时刻的真实电压，但0.4 kV电压都是6.3 kV经过厂低变转换而来。根据6.3 kV的录波情况，判断在故障时刻，0.4 kV母线电压基本为正常电压的50%左右。

图1 厂用电系统示意图

1.2 故障分析与改造设想

在两类0.4 kV MCC控制电源中，没有经过改造的MCC段配置了SAMMS-LVX低压马达综合保护；改造过的MCC段配置了ABB公司M102综合保护继电器。

1.2.1 未改造过的MCC段马达

采用SAMMS-LVX低压马达综合保护继电器，控制电源为MCC开关间隔自供电方式，电源取自MCC间隔动力电源A、B两相。开关间隔内配置控制变压器，将380 V电源转换为交流120 V和交流12 V，其中120 V为接触器控制电源，12 V为SAMMS工作电源。查询SAMMS使用手册，其正常的工作电压约为12 V（对应母线电压380 V），最低工作电压为9.6 V（对应母线电压300 V）。

由前述可知，故障时刻，0.4 kV母线电压降至额定时的一半左右，理论推算接触器的控制电源与SAMMS工作电源均降至原来的一半，有可能发生SAMMS停止工作，接触器断开电机并停止运行。

1.2.2 改造过的MCC段马达

改造过的MCC段上马达配置了M102 保护，采用直流110 V控制电源供电。此电源由直流屏柜引出，不受电网电压波动影响。

保护继电器不会因母线电压低而发出接触器跳闸指令，所以只要电压及时恢复，接触器会立刻吸合，此次故障失电时间很短（70 ms），所以接触器的脱扣时间也只有不到100 ms，对马达运行几乎没有影响，可靠性将大大提高。

2 建模仿真

为便于分析220 kV母线故障对电压的影响，建立图1所示模型。220 kV母线电压通过厂高变后转换为6.3 kV母线电压，6.3 kV母线电压经脱硫变后转换为0.4 kV厂用控制电源。表1所示仿真模型发电机组等值系统的两种运行方式，基于此，分别模拟母线电压跌落，得到不同运行方式下的0.4 kV控制电源电压值。

表2为仿真参数设定，按照该厂实际运行参数，给出了发电机、主变压器、启备变压器的容量、短路阻抗、额定电压、额定电流及二次电流。此为前置仿真条件，在此条件下，模拟220 kV母线电压跌落得到仿真数据。

表1 等值系统

表2 主设备参数汇总表

2.1 数据分析

分别在表1所列出的大运行方式及小运行方式下，模拟220 kV母线故障，得到6.3 kV及0.4 kV母线各相电压。故障类别AN为A相与中线短路；BN为B相与中线短路；CN为C相与中线短路；ABCN为三相电压均与中线电压短路，数据特征如图2所示。以ABCN故障进行数据分析，其他数据与此类似。

图2 母线故障数据雷达图

从大运行方式ABCN故障类型可知，当发生220 kV母线三相电压与中线短路的故障时，厂高变原三相额定输出的5.12 kV变为A相2.43 kV、B相2.48 kV、 C相2.45 kV，跌落至47%左右。厂高变电压二次侧为脱硫变的三相输入，厂用控制电源由原额定的0.32 kV变为A相0.15 kV、B相0.15 kV、C相0.16 kV，跌落至47%左右。在此工况下，会使电厂重要负荷失电跳闸，进而引起安全事故。小运行方式道理类似，不再赘述。

图3 大运行方式下220 kV母线ABCN故障电压波形

图4 小运行方式下220 kV母线ABCN故障电压波形

图3 、图4分别为发电机在两种运行方式下，220 kV母线三相故障时，0.4 kV厂用控制电源的电压波形。经过对仿真数据的对比分析可知，当220 kV母线发生三相短路故障时，6.3 kV母线电压约降至额定值的47%左右。由章节1.1的案例描述可知，实际故障期间该厂6.3 kV母线电压跌落至3 kV左右（47.6%），基本与故障模拟情况一致。

3 故障解决措施

3.1 控制电源直流改造

案例中，当取自0.4 kV母线的MCC段马达发生交流母线电压跌落时，控制电源电压也会相应跌落，当跌落深度达到负荷最低工作电压值时，会发生主机系统马达故障，进而引起安全故障。该厂跳机的马达主要有送风机油泵、氢侧密封风机、小机油泵，且全部位于未改造的MCC母线上。

直流供电系统不受当地电网复杂的负荷变化、昼夜变化、电站多样化等因素而产生电网电压过高或过低的现象[3]，也不受当地大型设备开启、关闭等因素而产生电磁干扰、谐波、闪变、浪涌等现象，杜绝了当地复杂电力网络中直接雷和感应雷对设备的损害，避免引起关键负荷跑跳机的现象[4]。

取自直流屏柜的110 V直流电源可以为信号系统、继电保护与自动装置等提供稳定的工作电源，对保障电厂的持续和安全运行至关重要，即便发生交流母线失电的情况，仍可为部分关键负荷提供一定时间的供电保证，大大提高关键负荷安全运行的稳定性。在该厂故障中，位于改造过的MCC母线段上的综保继电器采用直流供电，不会因为母线电压跌落而引起失电故障，故只要母线电压及时恢复，接触器会在毫秒级的时间内立即吸合，对马达运行几乎没有影响。

3.2 变频器低电压穿越

变频器是火电厂发电重要的辅机设备，但大多数变频器的低电压穿越能力很差。当出现控制电源电压跌落时，很可能造成变频器闭锁，退出运行。为满足火电厂辅机变频器低电压穿越的技术要求，保证在电网电压跌落期间，变频器仍可稳定工作，需配置低电压穿越电源[5]。

变频器低电压穿越电源采用电力电子变换技术，设计了一种DC-DC升压电路。此电源输入为厂用380 V控制电源，输出为520 V直流电源，接入变频器直流母线。平时处于后备运行方式，当出现厂内低电压时，电源启动并快速响应，稳定输出直流电源，供变频器正常运行。

4 结论

本文从实际案例出发，通过220 kV母线故障分析，得到了关键负荷供电电压的变化趋势作为理论依据。进而，通过实际电网母线故障，分析和阐述了关键负荷交直流供电的优缺点，从而提出一种变频器低电压穿越期间可靠运行的改进方案。通过配置低电压穿越电源，保证了变频器及其拖动电机系统在电压跌落时的转速、功率、转矩不变。此装置为后备式运行，正常情况下不参与控制，从而降低了故障概率。低电压期间启动迅速，动作切换时间为毫秒级，对变频器的稳定运行不会造成冲击。

[1]卞二东, 李继忠. MCC双电源自动切换故障排除及改造[J]. 电力安全技术, 2012, 14(4): 37-39.

[2]孙志刚. 火电厂直流系统的调试技术研究[J]. 中国机械, 2014(24): 63-64.

[3]鲁庆初, 王平, 冯泮臣. 变电站及电厂直流系统的讨论[J]. 电源技术应用, 2012(10): 217.

[4]李世雄, 胡俊, 安福旺. 火电厂厂用保安电源的设计优化[J]. 内蒙古电力技术, 2011, 29(4): 66-69.

[5]刘耀中, 马永岗, 王国庆, 等. 火电厂辅机变频器低电压穿越电源的设计[J]. 电力电子技术, 2014, 48(11): 13-15.

Mechanism Analysis on Supply Fault of Load in Thermal Power Plant and its Resolution Strategy

KONG Yong-ke, XUE Li-jun, WANG Li-chao, SHI Shan
(Zhuhai Power Plant, Guangdong Yuedian Group Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong,519050, China)

The stability of control power supply for essential load in thermal power plant is closely related to the safe operation of the unit. In accordance with a case of fault, the voltage value of each phase is simulated and proved consistent with the actual value, and based on which, a resolution strategy is carried out through combination of reformation on DC control power supply and cut across on low voltage of converter, aiming to effectively avoid the control power loss caused by the low voltage, which will further guarantee the normal operation of the unit.

Thermal Power Plant; Numerical Simulation; DC Reformation; Cut Across on Low Voltage

TM611

A

2095-8412 (2016) 06-1155-05

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.027

孔永科(1977-)，男，硕士研究生，工程师。研究方向：继电保护及电力系统自动控制。

E-mail: kongyk@sina.com