220 V直流II段智能监控装置故障原因分析与处理

董翰宁，董锦川

（1.国网新源控股有限公司电力检修分公司，北京100068；2.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山064309）

220 V直流II段智能监控装置故障原因分析与处理

董翰宁1，董锦川2

（1.国网新源控股有限公司电力检修分公司，北京100068；2.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山064309）

主要是结合生产实际分析水泵水轮发电机在水泵工况运行过程中，由于地下厂房220 V直流II段智能监控装置长时间运行老化，装置瞬时故障导致直流系统电压超限。造成监控系统1号机组现地控制单元CPU停止工作，1号机组跳闸停机。通过认真分析研究决定对地下厂房220 V直流II段智能监控装置进行更换，更换后的装置运行正常，最终彻底消除此隐患。为抽水蓄能电站今后的运行和设备维护方面提供了借鉴。

水泵水轮发电机；直流；监控装置；故障

1 电厂概况

某抽水蓄能电站安装4台单机容量为250 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机组，装机总容量为100万kW。电站上水库设计有效库容895.11万m3，下水库有效库容895.11万m3，额定水头225 m。电站引水系统长度2 065.6/2 043.7 m，采用2管4机方式布置，设计年发电量13.382亿kW·h，设计年抽水电量17.843亿kW·h，年发电利用1338h，设计综合效率75%。机组以II回220 kV出线接入某电网，机组全部由该电网统一调度，主要服务于该电网，电站在系统中主要担负调峰、填谷作用，兼有调频、调相和紧急事故备用等功能。

2 事件经过

2016年03月22日02:34，电站监控系统报出地下厂房直流系统I段动力母线（现地为II段），“PWR BUS SECI VOLT A LIM2”（电压超限2）及“PWR BUS SECI VOLT A LIM1”（电压超限1）、1号机组现地控制单元UPS“BUSBAR INVERTER PWR2 FAULT”、1号机组“OSM PROCESSBUS FAULT”、1号机组“P/TOLMPROFIBUS PDR FAULT”、1号机组“UPS DC OVERVOLTAGE FAULT”、1号机组“UPS INVERTER FAULT”。

1号机组现地控制单元柜显示UPS逆变器故障、1号机组UPS母线过压报警信息，1号机组紧急停机。现地直流充电柜3内智能监控装置上显示“母线电压超限”和“充电输出超限”。

1号机停机后汇报省调相关情况，申请2号机组抽水并网。检查1号机停机流程和相关参数正常。

运维人员切换1号机UPS供电至旁路。切换地下厂房直流系统由I、II段分段运行至I段带I、II段运行，恢复地下厂房直流系统II段正常运行。

3 处理过程

3.1 情况梳理

监控系统有地下厂房220 V直流II段电压超限报警，地下厂房220 V直流II段现地盘柜有电压超限报警。

1号机组现地控制单元LCU1 UPS故障与地下厂房220 V直流II段电压超限故障同时出现，应该由地下厂房220 V直流II段电压超限引起UPS切换，但UPS两个逆变器未成功切换至旁路侧，负载短时失电，导致监控系统CPU停电，最终导致1号机组跳机。

3.2 问题排查

首先，直流系统故障排查，根据监控及现地报警信息判断出地下厂房220 V直流II段动力母线电压瞬时超限，瞬时最大值达到302 V DC，监控系统上地下厂房220 V直流II段动力母线电压高报警2电压值为250 V DC，高报警1电压值为270 V DC，地下厂房直流系统监控装置上动力母线电压高超限设置值为260V，控制母线电压高超限设置值为242V。

其次，UPS故障排查：

（1）现场主要报警信息如下：

1）02:34:00 1号机组UPS报出1号机组逆变器故障。

2）02:34:00 1号机组UPS报出1号机组母线过压。

3）02:34:39监控硬件组态显示CPU从启动模式转为运行模式。

（2）根据以上信息判断，此时1号机组监控系统UPS控制柜输出电源断电，导致监控系统CPU失电。

3.3 确定故障点

（1）此次故障是由于智能监控装置长时间运行设备老化导致模块瞬时故障，充电机组高频电源模块的输出电压值超限，即地下厂房220 V直流II段动力母线电压超限，随之引起控制母线电压也超限。

（2）LCU1就地单元系统的逆变部分是由两台3 kVA的逆变器组成的串联系统运行的，该逆变器正常工作的直流电压范围是185～280 V DC，当直流输入电压大于280 V DC或小于185 V DC时，逆变器自动保护转旁路运行（但要满足旁路电压在187～253 V AC的正常范围内，即保证旁路电压正常)。

（3）其直流输入电源是由LCU1就地单元系统的直流部分的3个220 V DC并联的直流模块和外部两路直流屏并接供给。经检查发现是外部直流屏故障致直流输入电压瞬间上升到290 V DC，导致两台逆变器同时保护转旁路，逆变器转旁路的时间小于8 ms。备用逆变器的输出是接到主逆变器的旁路输入端的，在备用逆变器切换过程中，主逆变器的旁路输入电压为0 V，主逆变器检测旁路电压输入超出范围，认为电压异常，转换失败，导致负载瞬间失电。

3.4 处理步骤

（1）对地下厂房220 V直流II段智能监控装置进行更换，更换后的装置运行正常。

（2）对1号机现地控制单元柜T1CRN01电源柜进行切换试验，试验结果无瞬时断电现象，供电情况均正常。

（3）对1号机现地控制单元柜T1CRN01逆变器进行检查更换。

（4）对1号机现地控制单元柜电源进行改造。

1）直流部分

①将系统的直流输入分为3个直流母排，直流母排1由系统的第1个整流模块和外部1个直流屏提供输入电源，然后供给备用逆变器直流电压。

②第2个直流母排由系统的第2个、第3个整流模块和外部的另1个直流屏提供电源，然后供给主逆变器直流电压。

③第3个直流母排由第1和第2个直流母排提供电压，然后供给系统的直流负载。

④直流母排1、直流母排2与直流母排3之间均有一组二极管，这样直流母排1和直流母排2之间的电压互不影响，直流母排1和直流母排2的电压不会同时增大，不会导致两个逆变器同时切换，可以避免切换失败的发生。

2）交流部分

改造前的交流负载是由主逆变器逆变输出带负载，经检查确认现场重要负载是双路电源输入的，现将有双路电源输入的负载改为一路电源由备用逆变器提供，另一路电源由主逆变器提供。

4 原因分析

（1）地下厂房220 V直流II段智能监控装置长时间运行老化，装置瞬时故障导致直流系统电压超限。

（2）1号机组监控系统UPS逆变器在直流电源供电母线超压时，导致两台逆变器同时保护转旁路，逆变器转旁路的时间小于8 ms。备用逆变器的输出是接到主逆变器的旁路输入端的，在备用逆变器切换过程中，主逆变器的旁路输入电压为0 V，主逆变器检测旁路电压输入超出范围，认为电压异常，转换失败，导致负载瞬间失电。负载短时失电，导致监控系统1号机组现地控制单元CPU停止工作。

（3）运维人员日常检查时维护检查、试验内容不全，试验方法有局限性，未能及时发现设备存在的隐患。

（4）设备更新改造计划制定不及时，长时间运行的设备未能及时进行升级改造。

（5）故障机理复原：地下厂房直流系统II段智能监控装置故障导致充电机组高频电源模块的输出电压值超限，即地下厂房220 V直流II段动力母线电压超限，同时引起由动力母线调压的控制母线电压也超限。

1号机组UPS正常由地下厂房直流系统的控制母线供电，由于控制母线电压超限，导致1号机组母线过压，引起1号机组逆变器故障。

监控硬件组态显示CPU从启动模式转为运行模式。而逆变器故障后未能正确切换至旁路供电，导致1号机组监控系统UPS控制柜输出电源断电，负载短时失电，监控系统1号机组现地控制单元CPU停止工作，1号机组跳机。

1号机组监控系统UPS电源工作原理：

（1）3路交流电源（2路取自厂用电、1路取自地区电源），分别给3个整流器供电，3个整流器通过整流分别给UPS控制柜内的直流母线供电，厂内直流系统也通过2路给UPS控制柜内的直流母线供电，总共有5路电源给UPS控制柜内的直流母线供电，用于逆变器直流电源。任何1路或多路正常供电，UPS直流母线均不会停电。

（2）当正常供电时，逆变器A3和A4从UPS柜中直流总线L+和L-取220V DC电源，经过逆变，输出220 V AC；两个逆变器A3和A4互为热备用（其中A4主用，A3备用）。

（3）当直流总线L+和L-直流电源故障（断线或超压）时，两个逆变器会切至旁路运行（即交流电通过F38和F39分别通过旁路给交流输出供电）。

（4）如果直流超压，超过242 V DC即会切换，最大耐压值到达280 VDC。

图1 1号机组监控系统逆变模块

5 暴露问题

（1）地下厂房220 V直流系统、1号机组现地控制单元LCU1 UPS均没有有效的抑制电压瞬时超限的装置，致使电压瞬时超限直接影响直流系统及机组的稳定运行。

（2）直流系统、UPS检修维护检查、试验内容不全，试验方法有局限性，未考虑到电压突变对系统的影响。

（3）运维人员对设备结构、运行原理掌握不够，对故障设备分析能力不足。

6 防止对策

为预防和控制同类缺陷再次发生而采取的技术措施、管理措施，以及举一反三的排查和防控措施等见表1所示。

表1

7 结束语

本文对某抽水蓄能电站水泵水轮发电机组在水泵工况运行过程中，由于设备更新改造计划制定不及时，长时间运行的设备未能及时进行升级改造而发生的故障原因，进行认真分析及相应的检查处理过程进行了介绍，可以看出，地下厂房220 V直流II段智能监控装置长时间运行老化，装置瞬时故障导致直流系统电压超限，同时引起由动力母线调压的控制母线电压也超限，导致1号机组现地控制单元柜显示UPS逆变器故障、1号机组UPS母线过压报警信息，1号机组紧急停机。针对此问题该电站立即采取了可靠措施尽早恢复了相关机组的运行，同时，切换1号机UPS供电至旁路。切换地下厂房直流系统由I、II段分段运行至I段带I、II段运行，恢复地下厂房直流系统II段正常运行。通过近一段时间设备的运行情况看，取得了比较理想的效果。

TV738

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1672-5387（2017）12-0036-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.12.014

2017-11-01

董翰宁（1990-），男，助理工程师，从事抽水蓄能电站安全生产信息系统运行、维护、检修工作。