汽机ETS电跳机保护信号误动的原因分析

邱夏宁

摘要：文章针对汽轮机的危急遮断系统（ETS）在投入电跳机保护时误发跳机信号的原因进行分析，通过试验证明电跳机保护信号电缆在投入保护的瞬间存在电容充电现象，会把PLC的DI通道电压拉低至动作值附近导致ETS误动，采用充电电阻巧妙解决ETS保护误动隐患。

关键词：汽机ETS；电缆电容；保护信号；电跳机

中图分类号：TK269 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0072-02

某电厂2×135MW汽轮机危急遮断系统（ETS）保护装置由上海汽轮机有限公司（STC）提供ETS电跳机保护工作原理示意图，当主PLC（MPLC）和辅助PLC（BPLC）输入通道同时扫描到电跳机回路触点闭合，主PLC（MPLC）和辅助PLC（BPLC）经过逻辑运算后由其输出通道断开AST电磁阀的电源，使AST电磁阀失电动作。

1 事件经过

某电厂#2机组并网后投入ETS电跳机保护的瞬间机组误跳闸。查#2机组DCS的SOE记录，发现#2机组跳闸情况很奇异，甚至可以说跳闸得有些不符合逻辑，具体情况

如下：

12时13分56秒841毫秒（推算为投K1时间）ETS装置发汽轮机主汽门关闭、MFT指令；56秒940毫秒发变组出口开关2201跳闸；57秒10毫秒发电机灭磁开关跳闸；57秒22毫秒汽机主汽门关闭；58秒867毫秒（推算为投K2时间，因为正常情况下此时间与两外一路发变组）ETS装置发出发电机出口开关跳闸信号。查ETS跳闸首出逻辑画面显示“电跳机”（说明：主汽门关闭信号不进ETS首出逻辑，所以即便是汽轮机先跳闸也不会在首出画面显示），检查汽机跳闸前后各参数正常，检查#2机ETS未发现问题。后联系电气专业检查#2发变组出口开关2201辅助触点及就地端子箱，联系机务专业重点检查EH油、润滑油系统有无泄漏。电气和机务专业检查后未发现设备异常。后向中调申请空载合2201开关，试投电跳机保护正常。#2机组重新并网，再次投入ETS电跳机保护正常。

2 原因分析

从热工控制的方向分析，要让AST电磁阀失电跳机只有三方面的原因：（1）AST电磁阀双路110VAC电源在投入保护过程中恰好故障，导致汽机跳闸。但测量双路电源都正常，排除这种可能；（2）ETS开关量双路输出卡件（通道）在投入保护过程中恰好故障，导致汽机跳闸。通过检查和测试卡件工作正常，所以也排除这种可能；（3）在投入保护过程中恰好输入回路瞬间扫描到电跳机接通信号，通过ETS输出卡件发出AST电磁阀失电指令，跳闸汽机，排除了以上两种可能性，只有这种原因导致跳机。

调查当时投保护的三人已确认2201开关在合闸状态，且操作完全按照操作票正常执行，排除误操作的可能。排除人为因素，就只剩下保护回路自身的问题。由于电跳机回路电缆总长有300米，存在电容效应，在投入电跳机保护时有导致信号通道电压瞬间拉低的可能，以致ETS系统误判，进而误跳机。

因此本次离奇的跳机的原因锁定在电跳机回路设计缺陷。

3 电跳机回路电容效应分析及试验

通过分析确定跳机原因之后，还要证实分析是否正确。下面通过理论和试验来分析验证。

3.1 理论分析

3.1.1 图1是电跳机输入回路的工作原理图，当K1、K2闭合的情况下（即保护投入状态）只要现场发电机出口开关辅助接点S闭合，光耦的正负极之间有电流流过，并电流大于2.5mA足够接通光耦，则认为S闭合。

图1

3.1.2 那么该回路是否有误认S闭合可能性，如果将K1、K2到S间的信号电缆看作是一个电容，实测电容容量为49nF。K1本身也可以看作是一个电容，在K2投入的瞬间，即使在K1没有投入的情况下，实际上电源的正负极之间有电流流过，所以可造成瞬间误判导致跳机。

3.2 投保护试验

3.2.1 用CAAP2000录波仪分别测量PLC的I/O通道24VDC电源电压、电跳机DI通道电压、电跳机信号电缆电压，观察在K1、K2开关投入瞬间PLC通道电压变化情况。发现在电跳机保护投入的瞬间PLC通道电压瞬间降到11.46VDC，持续1ms后恢复正常。经过反复试验，PLC通道电压在每次投保护时谷值都有不一致，范围在11.13～12.46VDC。在不接地线情况下测得PLC通道最低电压为10.15VDC，这说明接地线对通道压降有一定影响。

3.2.2 甩开发变组出口开关至ETS柜的电缆，只测量发变组保护屏至ETS柜的电缆在保护投入瞬间电压，此段电缆长度约为50米。结果发现PLC通道电压下降幅度不大，谷值在19.97VDC附近。

3.2.3 甩开发变组保护屏至ETS柜侧信号电缆，只测量2201开关至ETS电缆在投入保护瞬间电压，此段电缆长度约为250米。结果发现PLC通道电压下降幅度很大，谷值在13.47VDC附近。

从以上试验可以判定，在投入电跳机保护瞬间，PLC通道在给电缆进行充电，导致PLC通道电压突降，但不是每次都会降至I/O通道判断的门槛值，所以不是每次投保护时都会导致保护误动。

4 解决方案

证实原因分析正确后下一步就是采取措施进行防范。我们在投切开关间采用充电电阻，对电缆进行充电，以提高在保护投切的瞬间PLC通道扫描电压的稳定性。

具体措施如图2所示，在K1、K2上并接合适的电阻，使其在K1、K2断开时对电缆进行充电。在闭合K1、K2后充电电阻被旁路掉，不影响PLC对2201开关辅助接点信号的扫描。

图2 电跳机保护回路增加充电电阻R1、R2示意图

此方案的关键问题在于找出一个合理的电阻值。我们通过在PLC输入回路里串入滑线变阻器（R1、R2）试验电跳机保护回路的方法来寻求此电阻值。初步试验发现串入电阻值在4490Ω以下时PLC还可以扫描到开关量的状态，电阻值大于5190Ω时PLC认为外回路处于断开状态。进一步改变滑线变阻器（R1、R2）的阻值，观察信号电缆在合闸状态下的电压值。我们发现R1、R2阻值越大外回路分压越小。说明长电缆有自放电现象，放电电流在1mA左右。为保证外回路电压大于20VDC，最后选用R1、R2阻值为50KΩ、功率0.5W的电阻。

5 实施效果

确定电阻后，观察接入电阻后投入电跳机保护时PLC通道、信号电缆电压波形。发现在接入电阻的情况下投入电跳机保护，对通道电压影响非常小，消除了在投保护瞬间电缆充电对通道的影响。

增加充电电阻后进行开关分闸试验，分闸后电压降时间为0.2ms，保护回路动作时依然可以实现快速可靠。

6 结语

根据试验数据分析，加装保护回路充电电阻对保护装置和保护逻辑无影响。满足保护的快速性，巧妙解决长电缆充电导致PLC误判的问题。又不违反ETS设计标准和二十五项反措要求。实施起来方便，成本可以忽略不计。此方法适用于所有PLC、单片机的开关量长电缆输入信号投切保护回路。

参考文献

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[2] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 火力发电厂热工控制系统设计技术规范（DL/T5175-2003）[S].

[4] 火力发电厂热工保护系统设计规定（DL/T5428-2009）[S].