一起柴油发电机出口开关异常跳闸的原因分析

2021-09-07陈志勇

电力与能源 2021年4期

陈志勇

(广东粤电大亚湾综合能源有限公司，广东惠州 516083)

某电厂一期为2台600 MW燃煤火力发电机组，其中2号柴油发电机组为国产组装FPM1108/A型柴油发电机。柴油发动机型号为帕金斯4012TWG2，额定功率为1 000 kW，交流发电机型号为马拉松MX-1030-4，调速器为海茵茨曼的680/84，调压器为马拉松公司的DVR2000E，控制系统为凯迅GU320A控制器，并网控制系统为GAC同步模块搭接继电器回路构成，柴油发电机配置一个施耐德MT20H1型出口K0开关。柴油发电机每周进行一次空载试验，每月进行一次带载试验。在一次2号柴油发电机带载试验过程中，试验正常，但是在柴油发电机正常停机过程中，发现柴油发电机出口K0开关无法正常分闸，经过全面分析排查，确认是由于继电器故障导致K0开关无法正常分闸，最终导致K0开关过载脱扣异常跳闸。

1 原理分析

在发电厂中，柴油发电机用作事故保安段的备用电源，机组运行中发生厂用电中断事故时，可保证机组安全停用[1-3]。该厂2号机组保安段分为保安2A段、保安2B段、保安2C段，保安2A段与保安2C段配置一个联络开关K1，保安2B段与保安2C段配置一个联络开关K2，正常运行时，K1，K2开关分闸。每个保安段配置一套江苏金智科技股份有限公司的MFC5208A发电厂备保安电源自动切换装置。保安A段由锅炉B段或汽机A段供电，正常运行时，K9开关合闸、K7开关合闸、K5开关合闸、K3开关分闸，保安A段由锅炉B段供电，当锅炉B段失电或K9、K7开关故障分闸时，MFC5208A切换装置合K3开关，自动切换至汽机B段供电。保安2C段带柴油发电机，柴油发电机设出口断路器K0开关。当汽机段和锅炉段均失电时，MFC5208A切换装置自动检测到失压将发命令给柴油发电机控制器，柴油发电机控制器收到命令后14 s内启动柴油发电机，自动合K0开关，MFC5208A切换装置收到柴油机启动成功命令并检测到保安2C段有电压自动合K1开关，由柴油发电机给保安2A段供电。同理，保安2B段与保安2A段原理一致。机组保安电源一次原理图如图1所示。

图1 机组保安电源一次原理图

2 事件介绍

该厂2号柴油发电机自2009年投运以来，每周进行一次空载试验，每月进行一次带载试验，试验参数均正常。2020年4月完成2号柴油发电机控制系统升级改造，将原GU320A控制器和GAC同步器升级改造为深海8620控制器。改造完成后，柴油发电机空载试验正常、带载试验正常、保安段切换试验正常。2020年8月16日，运行人员在定期进行2号柴油发电机带载试验时，带载600 kW，试验正常。在试验结束时，运行人员手动降负荷至150 kW，远方发停柴油发电机命令，柴油发电机控制器发出“发电机分闸失败”、“发电机过电流报警”。随后，柴油发电机出口K0开关跳闸。

3 原因分析

3.1 柴油发电机出口K0开关检查

柴油发电机出口K0开关为施耐德MT20H1框架式断路器，额定电流2 000 A。柴油发电机带载试验时，试验正常，在柴油发电机停机过程中，控制器出现“发电机分闸失败”和“发电机过电流”报警，5 s后K0开关才跳闸。经了解，近期柴油发电机本体及二次回路无检修工作，K0开关无任何检修工作，初步怀疑K0开关分、合闸存在问题。立即对K0开关进行全面检查，经检查K0开关已脱扣，开关触头有灼伤痕迹，其余未见异常。查阅说明书，K0开关为过载脱扣且配有欠压线圈，当出现过载或者欠压时，K0开关脱扣器动作自动跳开开关。K0开关控制回路为220 V直流，直流系统运行正常，排除是欠压线圈动作造成K0开关脱扣。对K0开关复位后，开关机械分、合正常，排除K0开关本体故障。初步，判断是外部原因引起K0开关过流，导致K0开关脱扣器动作，从而跳开K0开关。

3.2 柴油发电机控制器检查

2号柴油发电机控制系统为深海8620控制器和PLC控制回路构成。现场对2号柴油发电机控制器进行详细检查。检查2号柴油发电机控制器报警历史记录，发现2号柴油发电机控制器在停机过程中出现“发电机分闸失败”和“发电机过电流”报警。继续用DSE软件连接柴油发电机控制器，检查带载试验的数据记录。通过数据记录发现，2号柴油发电机在停机过程中，有功功率缓慢下降，电流缓慢下降后短暂突变至2 650 A，如图2所示。

图2 2号柴油机带载试验功率及电流曲线图

继续检查2号柴油发电机带载试验数据，发现9：44：15 2号柴油发电机启动，9：44：17柴油发电机带载，最高带载629 kW。11：07：40，运行人员远方停柴油发电机，柴油发电机功率125 kW，电流180 A，柴油发电机控制器已收到柴油发电机停机命令并发出出口K0开关分闸命令，但K0开关实际未分闸。11:07:45，柴油发电机电流由180 A突升至2 650 A，导致K0开关过载脱扣跳闸。11：07：47，柴油发电机功率为0，出口K0开关分闸。试验数据记录表如表1所示。

表1 2号柴油发电机带载试验数据记录表

为了确认柴油发电机带载试验过程中确实存在2 650 A的大电流，从SIS系统查阅了2号柴油发电机带载试验曲线，带载试验正常。但是在停机过程中功率下降为50 kW左右，电流突变2 650 A，与柴油发电机控制器里数据记录一致，如图3所示。

图3 2号柴油发电机带载试验电流曲线图

2号柴油发电机带载试验停机时，柴油发电机控制器已发出分闸命令，但实际K0开关未正常分闸，而是柴油发电机控制器发出分K0开关命令后，延时5 s，柴油发电机三相电流由180 A上升到2 650 A，导致K0开关过载脱扣，引起K0开关异常跳闸。综上，初步判断故障在柴油发电机控制器至K0开关二次回路之间的元器件上。

3.3 柴油发电机控制回路检查

为了进一步查明K0开关未正常分闸的原因，对图纸进行了全面梳理。运行人员在DCS系统发出柴油发电机停机令后，柴油发电机控制器收到停机令，柴油发电机自动减负荷。当负荷降到120 kW左右，控制器发K0开关分闸命令给PLC，PLC收到K0开关分闸命令后，直接发命令给K0开关，自动分K0开关，其原理图如图4所示。

图4 2号柴油发电机带载试验停机原理图

柴油发电机控制器收到停机令并发出K0开关分闸命令，但K0开关实际未正常分闸，而是大电流造成K0开关过载脱扣异常跳闸。检查柴油发电机控制器正常，排除控制器故障，检查K0开关机械分、合闸正常，排除K0开关故障，判断故障出现在PLC程序或PLC控制回路。进一步检查PLC程序，未见异常，用仿真软件模拟PLC程序，确认PLC程序正常，排除PLC程序故障，初步判断故障在PLC控制回路的元器件上。继续将K0开关拉至试验位，联系运行人员进行柴油发电机假同期试验，远方启动柴油发电机，柴油发电机控制器检测到同期条件满足要求后，K0开关合闸成功。DCS远方发停机令，检查PLC运行状态，发现PLC控制回路中输出K0开关分闸指令的J2继电器未动作。综上所述，2号柴油发电机带载试验正常，在正常停机过程中，运行人员远方手动发出停柴油发电机命令，柴油发电机控制器收到停机命令后，自动将负荷降到安全值，发出分K0开关命令。因控制K0分闸命令的J2继电器故障，使控制器发出的分K0命令，K0开关未收到，导致控制器出现“发电机分闸失败”报警。柴油发电机控制器发出K0分闸命令后5 s，由于柴油发电机已进入停机状态，K0开关未分闸，此时柴油发电机由发电机变成电动机运行，导致柴油发电机三相电流由180 A突升至2 650 A，控制器出现“过电流报警”，最终引起K0开关过载脱扣而异常跳闸。

4 处理方法

领取备用继电器校验合格后，更换J2继电器。联系运行人员进行柴油发电机带载试验，试验正常。DCS发停机令后，PLC输出正常，J2继电器动作，K0开关正常分闸，分闸过程中无大电流通过，如图5所示。

图5 2号柴油发电机带载试验功率和电流曲线图

5 优化建议

(1)定期对柴油发电机控制柜内的继电器进行校验，对于不符合要求的继电器及时更换。

(2)增加K0开关分闸、合闸监视回路并接入DCS系统。当K0开关分、合闸回路接触不良，在DCS系统报“控制回路报警”，便于维护人员及时处理。K0开关位置接入DCS系统原理图如图6所示。

图6 K0开关位置接入DCS系统原理图

(3)国内柴油发电机均采用“一机一套”接线方式，每台发电机组的交流保安电源系统相互独立，使得柴油发电机组只能为本台机组提供保安电源。由于突发事件的不可预见性，发电厂的发电机组会发生失去厂用电造成设备损坏的重大事故[2]。国外已有两台机组的柴油发电机互为备用的例子。为了提高厂用电的可靠性，可对1，2号柴油发电机进行升级改造，改造为2台柴油发电机互为备用。当1号机厂用电失电，1号柴油发电机无法启动时，自动启2号柴油发电机，提高厂用电的安全性。柴油发电机互为备用原理如图7所示。