发电机解列信号扩展继电器组改造设计

2022-12-02王刚

仪器仪表用户 2022年12期

王刚

（秦皇岛发电有限责任公司，河北秦皇岛 066003）

秦皇岛发电有限责任公司3 号机组原发电机解列信号扩展继电器组设计存在隐患，如输出信号拒动，将导致机组严重超速或功率不可控；如输出信号误动，将导致机组逆功率跳闸，严重影响了机组安全、稳定运行。鉴于这种情况，利用机组检修机会对原发电机解列信号扩展继电器组进行了重新设计、改造。此次设计、改造中的几个要点将在此文中进行总结、分析。

1 原扩展继电器组存在的隐患

3 号机组发电机解列信号分别取自220kV 开关站的A、B、C 三相主油开关的中间继电器接点，解列后该接点闭合，再由信号电缆送至3 号机组保护室内发电机解列信号扩展继电器柜，3 个信号各由一个扩展继电器实现信号扩展。3个扩展继电器的常闭接点作为发电机并网信号，分别输出一路送至DEH 系统，由DEH 系统进行三取二运算判断后，参与重要控制逻辑和联锁保护；3 个扩展继电器再分别输出一路常开接点作为发电机解列信号，在柜内采用硬线搭接三取二后，输出一路发电机解列信号送至ETS，实现发电机解列跳机保护功能[1]。3 个扩展继电器的电源取自热工220V 直流电源柜，配有电源监视继电器，输出电源失电报警信号至热工报警信号系统。

原扩展继电器组存在以下隐患：

1）扩展继电器的电源为单路220V 直流供电，失去电源将导致DEH、ETS 系统相关保护联锁拒动，电源回路接地将导致保护联锁误动。

2）每相主油开关动作信号采用单一扩展继电器扩展，至ETS、DEH 系统信号共用同一继电器，两个系统采样信号电压等级不同，使风险相对集中，降低了可靠性。

2 扩展继电器组改造设计要点

2.1 扩展继电器组合设计

原扩展继电器组采用的方式是每相主油开关动作信号送给一个扩展继电器，A、B、C 三相共有3 个扩展继电器，至DEH、ETS 系统的扩展信号均由这3 个扩展继电器带动。当其中任意一个扩展继电器出现故障，接点所带信号将无法输出。而且，由220kV 开关站来的主油开关动作信号在机组并网运行后长期处于断开状态，扩展继电器不动作，其是否正常无法得知。只有发电机解列后，常开接点闭合才能知道继电器是否动作正常，但保护条件已经发生，后果是无法挽回的，尤其是两个以上的扩展继电器故障，发电机解列联跳汽轮机保护将拒动，DEH 系统相关逻辑仍误认为并网状态。此时，机组功率迅速降为零，汽机各调门将开启到最大，造成机组严重超速，直至OPC 或OPT 动作。ETS 系统只能依靠发变组故障保护信号跳闸，而发变组故障保护作为单一信号，如果未能接收到该信号，机组将维持挂闸状态，主汽门仍为开启状态[2]。这种工况下极容易出现机组电超速或机械超速保护动作。根据以上情况，提高扩展继电器组的可靠性、安全性是此次改造设计的重点。

可靠性方面，根据GB/T21109.2-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全第2 部分应用指南》的要求[3]，提高可靠性的主要手段为冗余、分散和防止共同失效，结合现场实际需求采用了以下方案：

1）至DEH 和ETS 系统的信号独立分开，各自采用独立的扩展继电器组，不会出现交叉使用的情况。

2）为DEH 和ETS 系统分别提供三路冗余的扩展信号。机组并网后，至DEH 系统的信号为常闭接点，也就是发电机并网信号；至ETS 系统的信号为常开接点，也就是发电机解列信号。DEH 和ETS 系统接收三路信号后再进行三取二处理，可靠性大幅提高。

3）扩展继电器分为3 组，每相主油开关信号带一组扩展继电器，每组由6 个继电器组成。3 个用于DEH 系统，取常闭接点；3 个用于ETS 系统，取常开接点。

安全性方面，送至DEH 和ETS 系统的三路冗余信号输出前采用三取二硬线搭接方式。即每路信号分别取自A、B、C 扩展继电器组的其中一个继电器，或为常开接点，或为常闭接点，3 个接点在输出端子排处采用三取二搭接法输出扩展后的信号。即使出现单个继电器故障拒动，或任何一组扩展继电器（A 组、B 组或C 组）故障拒动，或两个不同组的继电器故障拒动，均不会影响任何一路输出信号的发出。即使用于任何一路输出信号搭接的两个或3 个继电器同时故障，只会影响这一路扩展输出信号，最终三路输出信号在DEH 或ETS 系统里的三取二结果不会受到影响。在设计方案中，每相主油开关动作信号驱动一组6 个继电器的方式体现了冗余和分散的原则；采用三取二搭接法输出三路冗余信号是为了防止共同失效。整体设计基本解决了原扩展继电器组的可靠性、安全性低的问题。

2.2 供电系统改造设计

原扩展继电器组电源只有一路，取自热工220V 直流电源柜，具体如图1。电源的正、负极装有过流保险，如果任一保险熔断或电源上级开关跳闸，或由于检查直流系统绝缘要进行拉路试验，与该信号相关的发电机解列联跳汽轮机、DEH 系统甩负荷预测、切换转速控制回路等功能将彻底失去；如果出现直流电源接地将导致扩展信号误发，造成汽轮机跳闸，存在很大安全风险。因此，增加冗余电源配置是提高安全、可靠性的重要手段。

图1 原扩展继电器组电气原理图Fig.1 The electrical schematic diagram of the original extended relay group

新设计的3 个扩展继电器组采用三路电源独立供电的形式。热工220V 直流电源柜提供一路电源，热工220V 交流UPS1、UPS2 电源柜各取一路。由于来自220kV 开关站的信号电缆只有一根，同一根电缆内交、直流混用危险性很大。而且，220kV 开关站信号柜内继电保护信号均采用直流信号，如果将交流电源引至该柜，必将产生干扰，严重时会造成继电保护信号误动。所以，使用轻型开关电源装置将220V 交流电源转换为220V 直流电源[4]，转换后再加上另一路直流220V 电源，分别提供给A、B、C 3 个扩展继电器组，具体如图2。在电源监视方面，为每个扩展继电器组均配置了电源监视继电器，失电报警信号并联后输出至热工报警信号系统，任一电源失去后发出光字报警。为防止强电回路与弱电回路交叉布置产生干扰，引起输出信号误动，将继电器组与交、直流供电回路分开前、后布置。

图2 扩展继电器组回路原理图Fig.2 Schematic diagram of the extended relay group circuit

图3 三取二组合接线原理图Fig.3 Schematic diagram of three-out-two combination wiring

图4 电源回路设计图Fig.4 Design of the power circuit

2.3 预防直流接地造成继电器误动的设计

采用直流电源的信号回路最大的隐患就是回路接地引发的保护误动。在新设计当中，从扩展继电器的选型和组合方面进行了考虑。

首先，扩展继电器选择的是OMRON 公司生产的MMX4XPN 型中间继电器，供电采用220V 直流电源，配置4 对常开接点、4 对常闭接点，电气性能见表1[5]。

表1 继电器电气参数表Table 1 Relay electrical parameter table

此型号中间继电器的输出接点匹配直流电源系统，与DEH 和ETS 系统开关量输入通道采样电压相符合，并且预留了足够的接点余量，为今后增加取用接点提供了便利条件。

其次，在继电器组合使用方面，主要考虑到每个直流回路继电器组的动作功率要求。根据DL_T_5136-2012《火力发电厂变电站二次接线设计技术规程》中7.1.8 条规定：直接跳闸的重要回路应采用动作电压在额定电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器，并要求其动作功率不低于5W[6]。在使用220V 直流的回路中，动作功率5W时回路电流应为22.7mA 左右。这一数值普遍高于常用的220V 直流接地监测装置的报警值。也就是说，如果发生直流电源回路接地，在中间继电器动作之前，接地监测装置就会发出报警值。反之，如果中间继电器的动作功率低于5W，动作时的回路电流低于直流接地检测装置的报警值，则在发生误动之前无法及时发现接地报警。

MMX4XPN 型中间继电器每个的动作功率为2.7W，动作电流12mA，见表1。如果每组220V 直流回路只使用一个继电器，就不符合此项规定。每组使用6 个继电器，总动作功率为16.2W，总动作电流为72mA，满足规定要求，对于防止直流接地导致继电器误动起到了重要的作用。

3 今后可继续完善的方面

3.1 增加继电器组动作不匹配检测

改造后的扩展继电器分为3 组，每组由6 个继电器组成。机组并网正常运行后，继电器处于未动作状态，发电机解列后继电器动作。正常情况下，6 组共计18 台继电器动作状态应保持一致，至DEH 和ETS 系统扩展信号分别由9 个继电器采用三取二的方式实现。由于采用硬线搭接的方法，当其中某个继电器未动作，但又不影响三取二的输出结果时，就很难在每次动作后判断出哪个继电器有了问题，为下次扩展信号的正常发出留下了隐患。

如果将18 个扩展继电器的备用接点全部引入DCS 进行监视，将占用DCS 较多的备用通道，并且需要放置大量的柜间电缆，造成资源浪费。经过仔细研究，可在扩展继电器柜内搭接一个继电器组动作匹配监视回路，对每个三取二输出回路的A、B、C 继电器进行监视，当3 个继电器出现动作不一致的情况时可发出报警提示，搭接方法如图5。

图5 继电器组动作匹配监视回路Fig.5 Relay group action matching monitoring circuit

继电器组动作匹配监视回路的工作原理是：由三取二搭接用的A、B、C 继电器各取一个常开接点和常闭接点，采用图5的串、并联接法，正常情况下无论是3 个继电器均动作或均不动作，最终输出至热工信号报警系统的接点都是断开的，只有出现一个或是两个继电器未动作，也就是3 个继电器的动作状态出现了差异，最终输出接点就形成了闭合回路，引发热工报警信号发出报警提示。

3.2 改进220V直流供电回路

改造后扩展继电器组供电回路采用一路热工220V 直流电源柜来的220V 直流电源、一路热工UPS1 电源柜来的220V 交流电源、一路热工UPS2 电源柜来的220V 交流电源。交流电源在扩展继电器柜内通过交、直流转换装置变成220V 直流电源。改进措施可从两个方面入手：

一是电源的上游系统，如果能提供三路220V 直流电源是最好的方式。目前，热工220V 直流电源柜只能提供一路电源。OPC 电磁阀、MFT 的跳闸继电器等采用220V 直流供电的保护设备对多路冗余电源的需求越来越多，未来可对热工220V 直流电源柜进行升级改造，使之能够提供两路或三路电源，这样就可以满足扩展继电器柜和其他重要保护系统的电源使用需求。

二是在电源回路中增加直流接地监视装置。虽然，改造后在继电器组的结构上考虑了电源接地对继电器动作的影响，但目前热工电源回路中没有直流接地监视装置。尽管热工220V 直流电源柜的上级系统有直流接地监视装置，但经过交、直流转换装置的220V 直流电源回路并没有加装直流接地监视装置，如果出现直流接地情况将无法发出报警。今后具备条件时应在热工220V 直流电源柜或扩展继电器柜内增加直流接地监视装置。

3.3 发电机解列信号源电缆应分散

根据《国家能源集团电力二十五项重点反事故措施》第9.4.3 条，“保护信号应遵循从取样点到输入模件全程相对独立的原则”[7]，国家能源集团公司要求开展隐患排查，防止类似事故发生。3 号机组3 个发电机解列信号共用一根电缆，改造增加的交、直流转换装置为浮地电源装置，如果绝缘损坏或外力破坏，将引起DEH 和ETS 系统保护误动或拒动；或两点接地时，导致不同直流电源间互相影响，严重时可损坏扩展继电器。所以，应利用机组检修机会及时补充信号电缆，以实现3 个发电机解列信号电缆的独立配置。