【精典案例】并网信号瞬间消失,OPC保护误动作,轴向位移增大跳机

【案例分析】某发电厂#4机突然跳闸,查了很久也没确定是什么原因?咋回事?【知识学习】汽轮机上下缸温差为什么不能超过50℃?如何来防范?一、 事件经过某电厂#采用上海锅炉厂生产的SG2028/17.4-M906型亚临界参数、控制循环、四角切圆燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、全钢架结构、露天布置的P型汽包炉;汽轮机----采用东方汽机厂N600-16.7/538/538-1型汽轮机,亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机;旁路采用35%BMCR容量汽动旁路,高低压两级串联系统,高压旁路为单路,低压旁路为双路;发电机----东方电机股份有限公司生产的DH-600-G型QFSN-300-2-20型;制粉系统-----采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统,采用6台中速磨煤机,燃烧设计煤种时,5台运行,1台备用,煤粉细度R90=14%;给水泵----1台30%MCR带液力偶合器的电动调速给水泵;两台50%MCR汽动给水泵高、低压旁路系统----35%MCR的两级串联旁路系统。事件发生前,电厂1、3、4号机组运行,分别带负荷440MW、470MW、480MW。2号机组备用,500kV I母、II母运行,甲线、乙线运行。电厂执行 “3号主变5033CT更换后启动方案”,期间升压站及机组涉网设备未开展其他操作及检修工作。用5033开关同期合环,检查5033开关带负荷正常,检查5033CT极性正确。断开5032开关准备增加负荷进一步核对5033CT极性。

图1  500kV升压站主接线图18时29分 3号机组汽机调门关闭,机组甩负荷480MW,2秒钟后汽机调门重新开启,负荷升至198MW,受3号汽轮机负荷冲击,汽机轴向位移从(-0.56/-0.57mm)上升到(-1.73/-1.66mm),汽机轴向位移保护动作,主汽门关闭,机组失去动力源转而向系统吸收有功率,发变组保护C柜接收到汽机保护联跳信号,发变组程序跳闸逆功率保护动作,发变组解列灭磁,5033开关跳闸。机炉电联锁动作正常。二、原因分析1. 本次机组跳闸涉及热工、电气专业,因此事件排查主要从这两个专业着手开展:1)热工专业从现场实际动作情况,可以初步判断是数字电液控制系统(以下简称DEH系统)汽轮机转速保护(以下简称OPC)动作造成跳门关闭。触发OPC保护,造成调门关闭的条件有两个:(1)汽轮机转速超过3090转/min以上;(2)机组并网信号消失时汽轮机中压缸排压力大于额定负荷的15%。具体逻辑图见图2

图2 DEH系统调门关闭逻辑示意图事件发生时汽轮机无超速现象,汽轮机转速信号稳定在3000转/分钟,调取动作时刻的历史趋势,3号机并网信号存在瞬间消失情况,可能触发OPC保护动作,因此事件调查的重点集中在查找并网信号消失的原因。2)电气专业由于3号机组并网信号的消失是诱发本次机组跳闸事件的直接原因,因此重点排查3号机组并网信号的相关回路。3号机组出口断路器为5032、5033开关,每个开关A/B/C三相的就地常开辅助位置节点并联后形成一个并网信号送至热工DEH系统,现场一共送了3个并网信号至热工DEH系统,由DEH系统做“三取二”逻辑判断,接线原理图如图3所示

图3并网信号接线原理图根据并网信号接线原理图所示,按三取二逻辑,3号机组并网信号消失至少需要两个开入回路的12个辅助接点全部断开。重点排查从500kV升压站送至热控DEH的这三路并网信号的可靠性,排查中分别检查了5032开关、5033开关机构箱和汇控箱的二次接线,检查了升压站至热控DEH的二次电缆,检查发现18对接点及二次接线无异常,接点对地和断口绝缘都大于100MΩ,二次电缆绝缘大于10MΩ。检查中发现3号机组从500kV升压站送至热控DEH的三路并网信号为同一热工信号电缆。为验证5032断路器的操作是否对3号机组的并网信号有影响,在3号机组跳闸后,在向调度部门申请并得到许可后将5032、5033断路器转为冷备用状态,将5033断路器的三对并网信号引入3号机发变组故障录波系统,先合5032断路器、再合5033断路器,最后分开5032断路器(5033断路器保持在合位),监测3号机并网信号12小时未发生变化。2.事件原因分析从整个事件初步的排查结果分析,造成本次3号机组跳闸的直接原因在于5032开关断开后,5033开关送至3号机组DEH系统的并网信号短时消失,造成DEH系统OPC动作,调门关闭。因此查找3号机组DEH系统接收到的3号机组并网信号消失的原因是本次事件调查的核心部分。DEH通道并网信号输入到TPS卡件,卡件的原理图图4所示:

图4 TPS卡件原理图

图5 TPS卡件从原理图上看,并与TPS卡件厂家核实确认,该卡件的开关量输入信号采用光电隔离模式。从图6 DEH系统动作趋势图上看,并网信号只消失了一路,热工DEH系统对并网信号采用的是“三取二”原则的处理逻辑,即三个并网信号中至少需要消失两个并网信号,系统才会认为是并网信号消失。

图6  DEH系统动作趋势图注:BW1、BW2、BW3为机组并网信号,1DCV1POS、1DCV2POS、1DCV3POS、1DCV4POS为4个高压调门位置反馈信号,1DLV1POS-为左侧中调位置反馈信号。在DEH系统针对OPC动作设计有两路触发通道,一路是固化在TPS板卡上的通道(以下简称硬逻辑),一路是DEH系统内部的软件(以下简称软逻辑),其中硬逻辑通道的扫描周期为12mS,软逻辑通道的扫描周期为160mS,从通道扫描周期这个角度上看,OPC保护硬逻辑的灵敏度要大于软逻辑。从图6趋势记录上看到的所有历史数据都是DEH系统OPC保护软逻辑记录的,推断本次3号机组OPC保护动作是由于并网信号瞬时消失,触发了OPC保护硬逻辑出口,造成3号机组调门关闭,而OPC保护软逻辑由于扫描周期较长,未能采集到并网信号消失,没有任何出口,因此在趋势图上没有留下相关的证据。为了验证这一推论,在3号机组DEH系统上重新进行了模拟试验,重现当时3号机组跳闸的过程。现场利用保护校验仪模拟进入DEH系统的三路并网信号,在同一时刻并网信号1断开2S,并网信号2断开20mS,并网信号3保持完好,成功触发了DEH系统OPC动作,动作趋势见图7:

图7 模拟试验DEH系统动作趋势图从模拟试验DEH系统动作趋势图中可以明显看出,DEH系统软件只采集到了并网1信号的消失,并网2和并网3信号是未发生信号翻转,但是调门关闭,因此可以证实是OPC动作硬逻辑出口。OPC保护软逻辑对于短脉冲的并网信号采集存在一定的随机性,经过现场测试验证,只有当并网信号的脉冲宽度在300mS以上时,OPC保护软逻辑才能正确采集,当脉冲宽度低于300mS时,OPC保护软逻辑信号采集的数据呈现不规则分布。DEH通道并网信号查询电压为DC24V,利用电阻箱改变电阻对3号汽轮机DEH通道进行校验,发现并网1、并网2两个并网信号接入通道闭合状态下的噪声容限值偏高。校验数据如下表所示:信号噪声容限值(V DC)并网116.24并网214.01并网38.34以上测试可以证实3号机组跳闸的原因是由于5033开关并网信号瞬时消失造成的。接入3号机并网信号的DEH卡件有两个DC24V通道在5032开关断开后无法完全过滤干扰电压,造成DEH系统误判机组脱网,关闭高中压调节门,在高中压调节门调整过程中,汽机轴向位移保护达到动作定值,造成了3号机组跳闸。三、暴露问题1、DEH系统并网信号采集TPS卡件电压等级为DC24V,该信号需要通过500kV升压站,在升压站电磁环境发生变化时易受到影响,造成热工保护误动作。2、机组从500kV升压站送至热控DEH系统的三路并网信号为同一电缆,汽机电子设备间DEH机柜距离500kV升压站500米左右,虽然在热工逻辑上做了“三取二”的冗余处理,但是当电缆受到外力损坏时容易造成三个重要信号同时受影响,直接引起机组跳机。随着机组服役年限的增加,控制系统硬件老化,通道噪声容限值升高,可靠性降低,在受到干扰时,容易造成信号失真,导致保护误动,危及机组的安全稳定运行。四、防范措施1. 目前DEH系统采集的并网信号电压等级较低为DC24V,存在较大隐患。应对在所有机组DEH系统并网信号回路进行改造,以达到提高DEH系统并网信号的抗干扰能力的目的。2. 对热工控制系统进行检查,对不满足热工控制系统要求的卡件立即更换,提高控制系统的可靠性。3. 机组送至热控DEH系统的三路并网信号为同一电缆,存在一定的隐患。在机组停机期间重新敷设500kV升压站至各台机组的并网信号电缆,保证三个并网信号通过不同的电缆送至机组DEH系统,信号电缆应通过不同的电缆沟进入厂房,保证重要信号的独立性。来源:热控圈

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