控制柜芯线分布电容对热工保护的影响及防范措施

吕胜利，刘卫东，张德宽，刘彦肖，李俊伟

（1.国电菏泽发电厂，山东 菏泽 274000；2.华能济宁电厂，山东 济宁 272100；3.华能沾化热电厂，山东 沾化 256800）

0 引言

随着热工保护技术的发展,DCS及PLC等微电子产品在热控系统中的应用越来越广泛，其中机侧大、小机ETS系统普遍采用运算速度较快且硬件更可靠的PLC来实现其保护功能。但在某些保护柜中强电回路与弱电回路同时存在，强电回路用继电器与弱电回路用继电器在同一板件中无法有效分离，当两个电路之间电位差发生波动，就会有由电位差产生的电流流过它们之间的绝缘介质，这时彼此相临的两条线路可以看作是一个电容器的两极，这就是芯线之间的耦合电容。当强电系统受到干扰，如出现直流接地的情况下，虽然热工与电气相联系的信号电缆通过屏蔽层单端接地等措施有效地抵抗了电缆通道上的干扰，但是由于控制柜内布线之间的分布电容及板件上印刷线路之间分布电容的存在，会将干扰通过信号线引入热工保护回路，此时若采样电源与干扰信号能够构成回路，就会将干扰电压引入到基于微电子设备的热控保护回路，造成保护误动作。下面以在某300 MW机组发生的一起电跳机保护误动事故为例进行介绍。

1 事故经过

某机组正在正常运行，突然机组解列，汽机保护系统首出显示为发电机故障动作，发电机保护显示为主汽门关闭动作，光子牌报电气直流系统接地，两套保护系统首出原因互相矛盾。

2 事故原因分析

事故发生后热工、电气保护人员检查各自回路及跳闸信息，发现三个情况:①SOE记录首先主汽门关闭，然后油开关跳闸。②当天天气阴有小雨，事故发生时造成电气直流110 V+接地，SOE记录到的频率最高有50 Hz左右，实际某些未记下频率应当高出许多。③检查大机ETS系统采样用直流24 V电压，对大地为24 V，说明24 V负端接地，经检查测量确认一根负端芯线绝缘层被挤破接地。

初步判断为汽轮机先跳，最终导致发电机解列，汽机跳闸原因与电气直流接地有关。

综合热工、电气回路画出电跳机保护回路图，图1为电气柜保护板件继电器图，图2为电气保护柜内板件至端子排示意图，综合图1、图2、及热工回路得到图3电跳机保护等效电路图。

图1 电气柜保护板件继电器图

图2 电气保护柜内板件至端子排示意图

图3 电跳机保护等效电路图

图 3 中的 C1、C2、C3、C4 为电气柜内板件印刷线路之间与芯线之间的分布电容。读图可知，C1、C2耦合的电压加在了24 V正端对ETS系统PLC输入通道无影响，可不予以考虑；C4耦合的电压虽加在了通道正端，但为负电压，因此对PLC输入通道亦无影响，可不予以考虑；因此，最后只剩下耦合电容C3的作用。又由于在检查中发现PLC采样24 V直流电源负端接地，电气直流系统也通过检测大电阻接地，因此两个电源为共地系统。对图3简化得到图4，对图4进一步简化得到图5，这时会发现图5实际为经典的一阶RC微分电路。

图4 进一步简化等效电路图

图5 最终简化等效电路图

图6为典型微分电路输入输出响应曲线，下面仅就输入信号上升沿做简要说明：由微分电路基本原理可知，在输入端电压突然上升时，由于电容电压不能突变，在0时刻可理解为短路，此时输出电压VR大小等于输入电压，随后电容被快速充电大约经过3 τ（微分电路时间常数τ=RC3）后VC电压与输入电压相等，输出电压VR降低到零。即当输入端有一电压突变时，在微分电路的输出端会有一宽度为3 τ的电压脉冲。

图6 微分回路输入输出响应

下面以图5、图6为基础进行定性分析：

根据当时事故后SOE记录情况，在事故发生前电气直流+110 V频繁接地，频率有50 Hz左右，在实际的直流接地中会出现拉弧现象，频率要高出很多，因此在图5中Vi可以看做是幅值为+110 V，宽度tw为从20 ms至可能小于1 ms的一系列脉冲信号。

电容C3的大小根据《施耐德PLC系统接地与电磁兼容性》提供的数据为100 PF/M（1 mm芯线紧密相靠、最大），我们的经验值为平行电缆芯线间400 PF/M，实际测量值为180 PF/M。电气柜内线把长度大约在1.5 M左右，因此图5中分布电容C3≈270 PF。

ETS保护柜卡件DI通道相关参数及检测情况：①输入阻抗R，在无电流情况下测量阻抗约为0.99 MΩ。②事故后实际测试ETS保护柜PLC卡件DI输入通道动作参数：动作电压为7.2 V（门槛电压），电流为4.14 mA，通道启动功率为0.0298 W，说明该装置门槛电压较低，启动功率极小。③根据该装置系统动作时间测试报告（SOE记录），输入信号与跳闸输出信号最小时间间隔为2 ms，说明输入通道的采样时间，在考虑到CPU运算、输出通道时间、DCS系统SOE采样时间等情况下，要远远小于1 ms

通过以上参数及检查数据说明PLC卡件DI输入通道输入端电压VR（即图5中微分回路输出电压）超过+7.2 V，且脉宽不超过1 ms时，就会使通道翻转。

结合图 5、图 6，τ=RC3≈0.27 ms，符合构成微分电路的必要条件 τ=RC3＜（1/5～1/10）tw。其中，VR宽度（3 τ）大约为 0.81 ms。

综合上定性分析可知，干扰源、芯线及板件的分布电容、PLC输入通道的输入阻抗、ETS柜中采样电源负端接地四个方面，满足了构成微分回路条件，亦满足了使ETS系统中PLC通道动作的条件。因此此次事故由电气直流系统接地产生干扰，干扰被引入ETS系统，造成保护误动作的可能性最大。

3 模拟试验

在电气保护柜内进行模拟。当电气直流+110 V拉弧高频接地时，利用示波器观察至ETS系统信号线上的信号，有向上、向下的尖脉冲信号存在。由于信号难以扑捉，仅锁定住向下的脉冲，如图7所示，说明了电气直流高频接地确实造成了脉冲信号被引入ETS控制系统。

图7 在电气保护柜内模拟直流接地扑捉到的脉冲信号

4 结语

在热工保护中，对于取自电气系统的信号，由于信号源侧强电较多，电磁环境复杂，在热工保护柜内，往往忽视控制柜芯线及板件分布电容的影响，不注意采取防范措施；对于采样用直流电源负端接地，可能会与干扰源构成回路联系，酿成保护误动事故。从前面的分析不难看出,造成此次事故的主要原因除去电气直流接地外，还有三个方面：①控制柜内芯线之间及板件电路之间存在分布电容，当电气热工控制回路电压产生突变，联络芯线之间有电位差时，分布电容的存在造成信号之间的相互干扰。②当前PLC控制系统输入通道启动功率较小，无法抵抗较强干扰。③ETS系统采样用直流电源负端接地，致使与干扰信号构成回路，导致干扰信号窜入。

由于电气直流接地、控制柜芯线及板件之线路之间的分布电容由于各种原因不可避免，防范措施为：在ETS保护柜内增加大功率隔离继电器，以增强抗干扰能力；ETS柜内采样用直流电源负端浮空，防止与外部干扰信号构成回路，避免干扰信号窜入。