提升400 V MCC低电压穿越能力的研究与实践

孔庆强，廖桂豫

（广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东　珠海　519050）



提升400 V MCC低电压穿越能力的研究与实践

孔庆强，廖桂豫

（广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东珠海519050）

〔摘 要〕分析了某大型燃煤机组400V MCC低电压故障的典型案例及原因。通过比较2种提升400V MCC低电压穿越能力方法的优缺点，采用具备自动重启动和低电压检测功能的智能型电动机保护控制装置的改造方案，完善了400V MCC保护的配置。改造方案实施后，400V MCC能可靠地实现低电压穿越。

〔关键词〕电动机控制中心；低电压穿越；电动机保护控制装置；自动重启动

0　引言

大型燃煤机组低压厂用电系统通常采用动力中心（PC）—电动机控制中心（MCC）接线方式供电，简称PC-MCC。在该供电方式中成对的PC母线由互为备用的2台6kV/400V低压厂用变压器供电，当其中1段PC母线因上级变压器停运或其他原因失电时，另外一段工作电源则会自动投入，以保证PC不失电。MCC由对应的PC单电源供电。2段MCC之间可设母线联络开关，也可不设母线联络开关。

某电厂MCC开关通过西门子公司的低压电动机先进控制系统（SAMMS-LVX）实现可编程的电动机控制与保护。SAMMS-LVX系统具备可编程的瞬间失电穿越功能，适用于在双接点控制回路中实现不超过1s的失电穿越。在低电压故障或电源短暂失去时，如果电动机正在运行，那么主接触器M主触点断开以避免频繁弹跳，一旦电源在1s内恢复，则主接触器M主触点重新闭合，电动机得以继续运行。

大型火电燃煤机组一般在电气系统内部或外部故障、雷击、电气设备短路或接地等时，都会引起厂用电系统电压瞬间降低。该电厂曾出现几次MCC重要负荷在低电压期间跳闸的现象，甚至还造成了跳机事故，表明400V MCC低电压穿越能力较弱。

1　案例分析

1.1案例1

1.1.1事件经过

该电厂2台机组均带满负荷，220kV双母线按正常方式运行。因区外220kV系统发生严重的三相故障，系统220kV母线电压三相突然同时降低，均由134kV左右降至63kV，持续时间约120ms；4段6kV厂用电系统电压全部同步降低，其中2A1段三相电压由6.12kV降为4.26kV左右，2B1段三相电压由6.13kV降为4.25kV左右。120ms后，电压开始逐渐上升；200ms恢复到额定电压的90％；320ms，2A1段、2B1段三相电压恢复至6kV左右；400ms恢复至额定电压。

故障期间2A小机1号润滑油泵、2B小机2号润滑油泵、2B定子冷却水泵、2号轻油输送泵等部分400V辅机负荷发出故障信号。

厂用电系统电压降低发生2 741ms后，2号机组因发电机定子水进出口差压低，发变组保护C柜非电量保护发“定子冷却水跳闸”指令；2号机—主变220kV开关跳闸。

1.1.2原因分析

此次跳机事件的直接原因是：在厂用电系统低电压期间，正在运行的2B定子冷却水泵开关断开，泵停止运行，而后自启动成功（MCC的1s失电穿越功能）；然后2A定子冷却水泵联锁（定子冷却水的进出口压力低联锁信号）启动成功，但定子冷却水已失压超过2s，发电机定子冷却水进出口差压低（3取2）持续时间超过2s，导致“发电机定子冷却水进出口差压低”保护动作，发电机跳闸。

定子冷却水泵电动机动力回路如图1所示。由图1可知，因2B定子冷却水泵MCC控制电源取自动力回路电源本身，一旦上级发生低电压故障导致动力回路电源电压降低，主接触器线圈无法保持，仍会导致开关跳闸。本次低电压持续时间未超过1s，主接触器能恢复闭合状态，但负荷失去动力的实际时间超过1s，且在电气逻辑上会判断2B定子冷却水泵没有跳闸，造成电气联锁的备用2A电动机无法及时投入，进而导致发电机冷却水压无法维持而跳机。

图1　定子冷却水泵电动机动力回路

在本次低电压故障中，厂用电系统电压在400ms时恢复至额定电压，并未超过400V MCC瞬间失电穿越功能1s的限时。根据SOE事件记录分析，2B定子冷却水泵并未发出MCC TROUBLE报警闭锁REMOTE START信号，400ms时电源电压恢复后SAMMS-LVX重新启动自检，整个启动时间约为1 500ms（400ms厂用电系统低电压故障时间+1 000ms SAMMS-LVX自检时间+100ms主接触器吸合时间）；但定子冷却水系统实际是失压的，依靠定子冷却水的进出口压力低联锁信号才联锁启动2A定子冷却水泵，虽然2台定子冷却水泵均启动成功，但由于“发电机定子冷却水进出口差压低”保护动作，发电机跳闸。

本次低电压故障证明：通过SAMMS-LVX实现的可编程瞬间失电穿越功能并不能可靠实现MCC低电压穿越。其原因是控制回路电源与SAMMS-LVX的CPU电源取自动力回路电源本身，即使MCC有1s的失压穿越功能，也会造成MCC开关跳合1次， 出现CRT虽显示正常但负荷实际已失压的现象。机组的重要负荷（如定子冷却水泵）发生此现象，将直接跳机。这也在故障发生后多次对MCC开关与SAMMS-LVX的低电压试验中得到验证。

1.2案例2

1.2.1事件经过

某电厂2号机组正常运行中，因设备故障检修，运行人员需要将PC 2A12段由进线开关切换到联络母联开关。在切换完成数分钟后，因母联开关综合保护继电器故障误动跳开母联开关，PC 2A12及下级MCC 2A121失电，其上所有辅机电动机负荷跳闸。故障前2号保安ⅡA段PC 2DG2由PC 2A12供电；PC 2A12失电后，PC 2DG2电源成功切换至PC 2B11供电（见图2），但2号保安ⅡB段MCC 2DG21所有辅机电动机负荷跳闸。

图2　保安段PC—MCC接线

跳闸的400V辅机电动机负荷包括：2A空预器驱动电动机、2B引风机2号润滑油泵。2B引风机1号润滑油泵（电源取自MCC 2B221）联锁启动，但未能成功建立油压，导致2B引风机跳闸；2A空预器跳闸导致2A引风机跳闸。2台引风机跳闸后，锅炉MFT，机组跳闸。

1.2.2原因分析

保安段电源的自动切换逻辑是：工作电源电压低（400V PC母线电压低于70％ UN）→启动时间继电器27TR/B经0.5 s出口→送电源故障信号到柴油发电机PLC→PLC一方面发出跳闸命令跳开工作电源开关，另一方面对备用电源进行判断→如果备用电源正常（电压正常，断路器在工作位置），则在1.6 s内给备用电源开关发出3次合闸命令→如果在1.6 s内备用电源开关合闸不成功，则启动柴油发电机。保安段母线的2路正常电源是互为备用的，切换逻辑相同。保安段电源低电压切换设定为：70％ UN，延时0.5s。

从上述分析可知，即使是正常的切换过程，保安段PC电源低电压自动切换整个过程也需要2-3s，PC 2DG2-MCC 2DG21所有400V辅机电动机负荷失电的时间远大于SAMMS-LVX实现瞬时失电穿越功能的1s。因此，一旦电源低电压故障时间超过1s，即使保安段PC电源切换成功，电源恢复，位于保安段MCC 2DG21上的所有400V辅机电动机负荷也会全部跳闸，无法恢复。

2　提升MCC低电压穿越能力方法的探讨

综合以上2个案例可以看出，对于此类400V MCC的控制与保护配置，采用1s失电穿越功能无法实现低电压故障下的可靠穿越。最直接的原因是MCC开关主接触器的线圈控制电源取自动力回路电源本身，当低压低到线圈的最低吸合电压定值下，就会导致负荷实际失压，低电压时间低于1s会导致负荷无动力且联锁不启动，高于1s会导致开关直接跳闸。因此，必须采取措施提升MCC低电压穿越能力。

2.1思路1

借鉴6kV真空断路器开关柜和400V PC空气断路器开关柜的分合闸模式，采用带机械自锁和脱扣功能的双线圈接触器，合闸回路控制电源仍取自动力回路电源本身，跳闸回路使用直流控制电源。启动时DCS发出REMOTE START指令，合闸线圈充电使主接触器合闸并自锁，无论低电压故障或者合闸控制电源失去，主接触器均保持在合闸状态，当电源恢复时，电动机即可重新启动。停运则由DCS发出REMOTE STOP指令通过可靠的直流控制电源使脱扣机构动作跳开接触器。但是这种方法存在如下弊端。

（1）目前400V重要辅机负荷大多成对配置且互为备用，采用2级联锁。第1级联锁是电气联锁，即运行负荷主接触器的辅助接点接入DCS，一旦主接触器分闸，其辅助接点翻转，DCS判断电动机处于“OFF”状态，则给出备用负荷的启动指令。第2级联锁则是通过定子冷却水的进出口压力低联锁信号实现联锁启动备用负荷，一旦低电压故障无法恢复，则运行负荷的主接触器由于未接到跳闸指令而无法断开，无法联动备用负荷，将通过定子冷却水的进出口压力低联锁信号启动备用负荷，大大延长了联动时间，对机组的安全稳定运行存在较大的隐患。此外，长时间的低电压会导致电动机负荷长时间运行在欠压状态，可能对电动机本身产生破坏性的损伤。

因此，必须进一步完善400V MCC母线保护的配置，为400V MCC配备低电压保护功能。母线低电压保护延时的配合，既要确保在低电压故障无法恢复的情况下及时跳开母线上所有400V辅机电动机，又要确保躲开厂用电切换（包括保安段电源低电压切换）的动作时间和220kV系统区外故障的电源恢复时间。

（2）带机械自锁和脱扣功能的双线圈接触器电气回路和机械机构都比较复杂。尤其是其机械自锁和脱扣机构，一旦发生故障，极易发生频繁弹跳或无法跳闸的情况，造成设备损坏和故障范围扩大。

2.2思路2

采用可靠的直流电源或UPS电源作为MCC开关的控制电源及SAMMS-LVX的CPU电源。

案例1是低电压故障比较严重，电压低、时间长，造成SAMMS-LVX CPU失电，当电源恢复后，SAMMS-LVX的重启自检时间延长了定子冷却水泵的启动时间，造成“发电机定子冷却水进出口差压低”保护动作。案例2是保安段电源低电压切换时间超出SAMMS-LVX瞬间失电穿越功能的1s限制，同时触发DCS发出MCC TROUBLE报警闭锁REMOTE START指令。这2个案例问题的根源都在于MCC开关控制电源取自动力回路电源本身的不可靠性，若采用可靠的直流电源或UPS电源作为MCC开关的控制电源，使SAMMSLVX的CPU电源与控制回路电源不受动力回路电源低电压故障的影响，则可从根本上解决问题。

当然，将MCC开关的控制电源独立于动力电源，一旦发生低电压故障且未能及时恢复，则思路1中不能实现电气联动和电动机长期欠压运行的状况也同样会发生。

3　改造方案设计要点

综合上述分析可得出结论：必须完善400V MCC保护的配置。改造方案设计应具备以下要点。

（1）MCC开关接触器线圈控制回路取自动力回路电源本身，当系统发生低电压故障时，线圈失电断开主接触器，以便启动电气联动备用负荷，同时防止电动机长时间欠压运行；在一定时限内电压恢复后应立即重新启动。

（2）控制回路电源采用可靠的直流或UPS电源，以确保MCC保护装置的正常运行，防止因掉电而导致的无保护和失去控制状态。

（3）400V MCC启停控制回路采用双接点控制方式，合闸回路设计为电气自保持回路，避免因DCS故障失去启动指令误跳重要负荷。

（4）采用具备自动重启动和低电压检测功能的智能型电动机保护控制装置，且自动重启动与低电压故障检测的时限可在一定范围内调整，从而可以适应不同的厂用电切换时间，并确保在低电压故障无法恢复的情况下可靠跳闸。

4　改造方案设备选型

根据改造方案设计的要点，对提升低电压穿越能力的MCC控制回路设计与智能型电动机保护控制装置的选型如下。

4.1MCC控制回路设计

（1）控制回路电源采用可靠的220V直流系统；智能型电动机保护控制装置的工作电源24V DC来自于110V直流系统，通过2个并联的电源模块转化为24V直流电源。

（2）开关接触器采用单线圈接触器，以减少机构故障的几率；接触器的线圈电源取自动力回路电源本身，在低电压故障情况下，当电压不足以满足线圈吸合要求时断开主触点，以尽快实现备用负荷的电气联动，并防止长期欠压运行对电动机的损害。

4.2智能型电动机保护控制装置选型

经调研，智能型电动机保护控制装置选择ABB公司的M102。

该装置除具备常规电动机保护控制装置的热过载保护、堵转保护、启动时间过长保护、断相保护、三相不平衡保护、接地故障保护等功能外，还具备自动重启动功能，即当电动机处于运行状态且系统电压瞬间降低时，可以重新启动电动机。自动重新启动最长时间可以设定为5 000ms。

5　结束语

改造方案实施后，经过多次模拟低电压故障和厂用电切换试验，400V MCC能可靠地实现低电压穿越。

对于大型燃煤机组的厂用电系统，大多数低压电动机，包括直接影响主机、重要辅机设备安全稳定运行的400V重要辅机，由400V MCC供电。但400V MCC的设计不如10kV或6kV等级厂用电系统那样完善，电动机控制与保护配置也比较简单，而且MCC不具备低电压穿越能力或低电压穿越能力较弱。如果突发接地、短路或低电压故障，重要辅机的跳闸将给机组的安全和稳定运行造成重大威胁。

因此，建议对于MCC上的重要负荷，必须更改其控制与保护原有设计，使其具备低电压穿越的能力；对于影响机组、重要辅机安全和稳定运行较少的次要负荷，保留原有设计不变。这样，重要负荷可满足低电压穿越的要求，确保机组安全运行；次要负荷即使发生低电压跳闸，也不会造成大的损失，在电压恢复后重新启动即可，从而可降低改造的成本。

参考文献：

1 国家能源局.DL/T5153—2014火力发电厂厂用电设计技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2015.

收稿日期：2016-03-01。

作者简介：

孔庆强（1973-），男，工程师，主要从事MCC双接点控制回路改造工程工作，email：13823025099@163.com。

廖桂豫（1973-），男，高级工程师，主要从事MCC双接点控制回路改造工程工作。