发电厂热工温度保护误动及拒动原因分析

张立刚

（中国电建集团河北工程有限公司，石家庄 050000）

发电厂热工温度保护系统起源于早期的电力产业，当时为防止设备过热和损害，工程师们设计了初步的保护机制。随着技术的进步，系统逐渐从简单的手动操作转向自动化、智能化。近年来，由于发电厂规模的扩大和设备复杂性的增加，热工温度保护系统在发电厂运行中的角色变得越来越重要。发电厂温度保护一般分为电气设备温度保护、工艺设备温度保护、旋转设备温度保护等。电气设备温度保护包括线圈温度保护、绝缘油温度保护、线路表面温度保护等；工艺设备温度保护包括炉膛温度保护、水冷壁温度保护、空预器温度保护等；旋转设备温度保护包括轴承温度保护、轴瓦温度保护、壳体温度保护等。

1 发电厂热工温度保护的概述

1.1 概述

发电厂热工温度保护作为发电厂运行中的重要环节，其主要功能是确保发电厂设备在安全的温度范围内运行，防止因超温而导致设备损坏或出现事故。在热工温度保护系统的实际运行中，误动与拒动是2 种常见的异常现象。误动是指在无须热工温度保护动作的情况下，热工温度保护系统仍然起作用；而拒动则是在需要热工温度保护介入时，系统未能正确响应。两者都可能导致设备的非正常停机或运行，影响发电厂的安全与稳定。

温度传感器是一种用于检测和测量物体温度的传感器。其可以将温度转换为电信号，以便进行测量和控制。温度传感器可以用于各种应用，如工业控制、家用电器、医疗设备等。发电厂常见的温度传感器包括热敏电阻、热电偶、红外传感器等。发电厂温度保护传感器一般有双金属温度计、弹簧管温度计、热电阻和热电偶等。

1.2 误动与拒动作用原理

发电厂热工温度保护系统的设计目标是监测设备的温度并在超出安全范围时采取措施。误动和拒动是评估热工温度保护系统性能的关键参数。误动指热工温度保护系统在温度仍处于安全范围内时错误地触发保护措施，可能因为系统故障、传感器误读或其他外部因素。相对而言，拒动是在超出安全温度范围时，系统未能触发必要的保护措施，可能由于系统响应延迟、传感器故障或保护逻辑错误。明确理解和区分这2 种现象对于保障发电厂的稳定运行和提高热控系统的准确性具有重要意义。

2 发电厂热工温度保护误动原因分析

2.1 传感器误差或故障

传感器在热工温度保护系统中负责监测发电厂设备的温度并提供实时数据。当传感器出现误差或故障时，其提供的数据可能偏离实际温度，导致误动。具体而言，传感器的误差可以表述为

式中：ΔT为传感器误差，Tmeasured为传感器测得的温度，而Tactual为实际温度。当ΔT超出特定阈值时，可能导致热工温度保护系统误判。

传感器故障可能是由于多种原因，包括材料疲劳、长时间的环境暴露或电气干扰造成的。当传感器失效或输出不稳定时，系统可能在不需要的情况下启动保护措施，或在实际超温时未能触发保护，都将给发电厂的稳定运行带来威胁。因此，对传感器的性能和状态进行持续监测是确保热工温度保护系统正常运行的关键。

2.2 软件或硬件问题

发电厂热工温度保护系统涉及多个组件，包括软件逻辑和硬件设备。任何组件的异常都可能导致整体系统的误动。

在软件层面，可能存在编程错误、算法不准确或数据处理延迟等问题。考虑一个简单的温度控制算法，其输出控制信号u（t）可以表示为

式中：e（t）为设备温度与设定温度的偏差，而Kp和Ki是控制器的比例和积分增益。如果软件中Kp或Ki的值设置不当，可能导致保护系统反应过激或迟钝，从而引发误动。

在硬件层面，可能面临设备老化、电路中断或接口不匹配等问题。例如，一个模拟-数字转换器（ADC）的转换公式可以表示为

若转换器中的电阻R由于老化或故障出现偏差，那么输出电压Vout将不准确，进而可能导致系统误动。

这些软件和硬件问题的出现可能是多种因素的结果，从设计缺陷到制造缺陷，再到外部环境因素。对于发电厂运营商来说，定期的检查和维护，以及及时的系统升级，是确保热工温度保护系统稳定性的关键措施。

2.3 外部干扰

发电厂热工温度保护系统在其运行过程中，可能受到各种外部干扰，从而影响其正常功能和准确性。这些干扰可以分为电磁干扰、机械振动、温度波动等。

电磁干扰通常来自于发电厂内部的其他电气设备或外部的无线通信设备。当这些干扰源产生的电磁场与热工温度保护系统中的电路或传感器相互作用时，可能导致信号失真或噪声增加。例如，电磁波的强度I在源与系统间的距离d的函数可表示为

式中：P为干扰源的功率。当（Id）超过某个阈值，系统可能开始出现误动。

机械振动和温度波动同样能对传感器和设备产生不良影响。持续的机械振动可能导致设备的物理损坏或传感器的误读，而温度波动可能使某些设备的工作参数偏离其标准值。为了减少外部干扰对热工温度保护系统的影响，发电厂应当采取隔离措施，确保系统的物理安全，并运用高质量的材料和设计，提高系统的鲁棒性和抗干扰能力。

2.4 设备老化

随着时间的推移，发电厂内的设备和组件都会经历老化过程。设备老化可能涉及材料的物理变化、电子组件的性能衰退或化学成分的退化。这些变化可能逐渐降低设备的工作效率，减少其寿命，或导致其工作参数偏离设计标准。

考虑电阻元件，其阻值随时间发生变化可以描述为

式中：R（t）为时间t时的电阻值，R0为初始电阻值，而α为描述电阻随时间变化的系数。当电阻值偏离预期范围，可能影响整个电路的性能，进一步引发热工温度保护系统的误动。

为了应对设备老化带来的挑战，发电厂应定期进行设备检查，评估其性能和状态。适时地更换或修复老化的设备是确保热工温度保护系统持续、稳定运行的关键。

2.5 实际案例分析

2018 年，国家电网吉林分公司的一个主要发电站发生了热工温度保护误动事件。此发电站，位于吉林省的长春市，是该地区的关键电源之一。

事件发生时，保护系统错误地检测到了一个非常高的温度读数。经过详细调查，原因被追溯到了一个温度传感器的故障，该传感器因为长时间的运行和设备老化出现了偏差。尽管实际的设备温度仍在正常范围内，但由于这个错误读数，保护系统启动了紧急关机程序。

这一事件导致了长春市及周边地区持续了几个小时的大规模停电，影响了数十万居民。事后，国家电网公司对该事件进行了彻底调查，针对发现的问题进行了整改，并加强了对其他关键设备的维护和监测。

此案例表明，即使在先进的、大型的发电系统中，一个简单的设备老化或故障也可能导致重大的后果。为此，强化日常维护和监测，确保每一个组件的稳定性和可靠性，对于确保整个系统的安全运行至关重要。

3 发电厂热工温度保护拒动原因分析

3.1 保护逻辑或设置错误

发电厂热工温度保护系统的核心在于其保护逻辑和相关设置。这些逻辑和设置决定了当设备出现异常时，系统如何响应。但当保护逻辑或设置存在错误时，即使实际工况正常，也可能触发拒动。

考虑一个简单的保护逻辑，设备的工作温度T与阈值Tmax和Tmin的关系可描述为

当实际温度T超出这个范围时，保护系统应触发相应的措施。然而，如果Tmax和Tmin的设置过于接近或者错误，那么正常工况下的温度波动就可能导致拒动。

再者，复杂的保护逻辑可能涉及多个参数和关系，如

式中：P为其他相关的参数，如压力，而β 和γ 为相关系数。如果系数设置不当或者基于错误的数据，那么整个保护逻辑的输出可能不准确，导致拒动。

为了确保发电厂热工温度保护系统的准确性和可靠性，必须对保护逻辑和相关设置进行严格校验和测试。

3.2 传感器响应延迟或不灵敏

发电厂热工温度保护系统依赖于传感器提供的即时和准确的数据来进行判断与操作。传感器响应的延迟或其灵敏度的减弱都可能影响到整体系统的决策能力和效率。

响应延迟指的是传感器检测到参数变化到输出相应信号所需的时间。例如，当一个设备的温度突然升高时，如果传感器不能迅速反应并及时传输这一信息到保护系统，可能导致系统未能在关键时刻做出正确的保护决策。

而传感器的灵敏度是指其对待测参数变化的检测能力。随着使用时间的增加或者外部环境的影响，传感器的灵敏度可能会降低。在此情况下，即使设备参数存在轻微的异常，传感器也可能无法准确检测。

这2 种情况都可能导致热工温度保护系统在需要采取措施时产生拒动。为确保系统的高效运行，应定期对传感器进行检测、维护和校准。

3.3 通信中断或延时

发电厂热工温度保护系统的操作依赖于各组件间的信息交流。通信链路的稳定性与效率在此过程中扮演关键角色。通信中断或延时可以导致关键数据未能及时传递到决策模块，从而干扰系统的决策准确性和响应时效性。

考虑系统的通信模型，数据传输时延Δt可以被描述为

式中：d为数据量，α 为与数据量成正比的传输系数，而β为固定的通信延迟，包括硬件处理和传输介质的延迟。

当Δt超出一个预定的阈值，其可能被定义为通信延时；当Δt无限增大时，其被视为通信中断。

通过分析上述模型，可以得出，数据量d的增加或传输系数α 的不稳定都可能是通信延时的因素。另外，硬件故障或外部干扰可能增加β，导致通信延时或中断。

因此，对通信链路的维护和优化，选择适当的通信协议，以及定期的通信测试，都是降低通信中断或延时风险的措施。

3.4 电源问题

发电厂热工温度保护系统中，电源的稳定供应对于整个系统的正常运行至关重要。电源问题可能导致保护系统的不稳定、失效或错误操作，进而增加发电厂设备的风险。电源问题主要可归因于以下几点。

1）电源波动：电压的短暂或长时间的波动可能会对热工温度保护系统的运行造成干扰。当电压下降或上升超出系统的工作范围时，系统可能无法正常工作或产生错误。

2）电源中断：短暂的电源中断可以导致系统重启，而长时间的电源中断可能导致系统完全失效。在这种情况下，备用电源的可用性和及时切换变得尤为关键。

3）电源噪声：来自其他设备或系统的电源噪声可能会干扰热工温度保护系统的运行，使其误读或漏读关键信息。

4）电源质量：电源的质量直接影响到系统的寿命和稳定性。不纯净或不稳定的电源可能会加速系统部件的老化，并增加系统故障的风险。

为确保发电厂热工温度保护系统的正常运行，对电源系统的监控、维护和优化是必要的。确保电源稳定、纯净且无干扰，这对提高系统的可靠性和延长其使用寿命具有关键作用。

3.5 实际案例分析

在浙江温州的温州发电厂中，2020 年冬季发生了一起由热工温度保护系统故障导致的设备停机事件。这一事件持续了约3 h，造成了发电厂损失的电力产出。

事件的经过如下。当天早上，温州发电厂的控制室突然收到热工温度保护系统的报警信号，随后系统自动启动了紧急停机程序。初步检查并未发现机器过热或其他显著的故障迹象。经过详细调查，技术团队发现一个关键传感器的表面沾染了大量的灰尘和杂质，这导致其无法准确地读取温度数据。进一步检测显示，这个传感器在某些特定温度下会显示出远高于实际温度的读数，这个错误的数据使得热工温度保护系统误判并启动了紧急停机。在识别了问题根源后，发电厂技术团队对传感器进行了清洗和校准，并将其重新纳入系统。为了预防此类事件，温州发电厂决定加大对设备的定期检查频率，强化传感器的清洁和校准工作，并提高了对热工温度保护系统的监控力度。这一事件为电力行业提供了一个宝贵的教训，突显了对热工温度保护系统定期维护和监测的重要性，以确保其长期的准确性和稳定性。

4 技术措施

4.1 采用技术可靠且成熟的热工温度元件

技术成熟的温度元件可以提高温度采集的精度和可靠性，从而降低了温度保护系统的拒动和误动情形的发生概率，在根本上提高了系统的整体可靠性和安全性。

4.2 适度采用冗余设计策略

温度采集可以采取多点并列的采集方式，提高温度数据采集的正确率；重要测点的测量通道应布置在不同的卡件以分散危险，提高其可靠性；控制环节也同样采取冗余设计，对采集的数据进行对比分析和判断，从根源上消除拒动和误动发生的因素，从而实现系统的整体高可靠性。

4.3 优化温度保护的逻辑组态

确保逻辑正确，没有死循环，提高保护系统的可靠性、安全性，降低热控保护系统的误动、拒动率。

4.4 增强温度保护系统的硬件质量和软件质量

增加自诊断功能。使温度保护系统具备提前预防、软化故障的作用。

4.5 严格控制温度保护系统的工作环境条件

温度、湿度、灰尘及振动对热控电子设备有十分大的影响。保护系统设备工作环境要求较高，严格控制保护系统设备的工作环境条件，对提高整个系统的可靠性有着十分重要的作用。

4.6 提高和改善热控就地设备的工作环境条件

改善设备的工作环境，如：就地设备接线盒尽量密封防雨、防潮、防腐蚀；就地设备尽量远离热源、辐射、干扰。严格控制电子间的环境条件，可以延长热控设备的使用寿命，并且可以提高系统工作的可靠性。就地设备（如变送器、过程开关等）尽量安装在仪表柜内，必要时对取样管和柜内采取防冻伴热等措施。

5 结束语

综上所述，发电厂热工温度保护的误动与拒动问题是复杂且多面的，涉及传感器误差、硬件与软件的问题、外部干扰、设备老化、保护逻辑或设置的不当，以及通信的中断或延时等多个方面。各种因素可能单独或联合导致保护系统的不正常行为。通过对具体案例，如浙江温州发电厂热工温度保护系统故障的深入分析，可以更好地认识和理解这些问题，为发电厂提供更为准确和高效的解决方案。随着技术的发展，对于发电厂热工温度保护的研究将更加深入，以期更好地满足电力系统的安全、稳定和高效运行的需求。