400 V备自投异常动作的原因分析及改进措施

马殿勋，周静位，吉元涛，李家汉，梁 刚，赵思意

(中国长江电力股份有限公司白鹤滩水力发电厂，四川 宁南 615400)

备自投装置是当工作电源因故障或其他原因断开后，能快速自动地启动备用电源或其他正常工作电源，使工作电源被断开的负荷不停电的一种自动装置。当运行的电源发生故障时，能自动快速地将备用电源投入，能有效地避免重要负荷因失去电源而造成损失，保障设备持续供电[1]。随着对电网运行质量要求的不断提高，备自投动作的准确性及可靠性也备受关注，导致备自投异常动作的因素有备自投程序逻辑缺陷、电压变送器故障、内部模块损坏、开关电机损坏及控制回路故障等，若备自投发生误动或拒动，可能造成电网故障范围扩大,从而影响电网的安全稳定运行[2]。

根据缺陷统计分析显示，该大型水电站400 V备自投缺陷主要原因是由于电压变送器模拟量输出错误及程序缺陷导致PLC误判。电压变送器长期运行后确有输出不稳定现象，变送器出现输出严重偏移时，在正常分段运行时可能不会表现出故障，只有在备自投需要动作或者有动作激励的条件下才表现出来，可能会导致某些情况下备自投异常动作。厂内大多数供电点均出现过电压变送器输出不正确的现象，最终导致备自投异常动作。采用了参照法或替代法等故障处理方法，快速有效的对故障定位、分析及处理，为系统排除了故障隐患，增强备自投动作的可靠性和准确性，提高了电厂的安全运行质量。

1 大型水电站400 V备自投过程

大型水电站厂内400 V备自投盘柜主要由PLC(西门子S7-300)、电压变送器、中间继电器、开关把手、指示灯等构成，备自投装置电源采用双电源供电。正常运行时单母分段运行，两段母线各有一路电源供。备自投装置功能如下：

1)备自投装置设置3种工作模式。①全自动模式，当主供电源失电后，跳开主供电源开关，发自投指令合备用电源开关；当主供电源恢复正常后，自动启动返回程序，断开备用电源开关，合主供电源开关；②半自动模式，当主供电源失电后，跳开主供电源开关，发自投指令合备用电源开关；当主供电源恢复正常后，不自动返回主供电源供电，维持原供电方式；③退出模式，备自投退出。

2)参与备自投的主、备电源开关手动分闸起动备自投，以便实现自动倒闸操作，设置了PT回路断线闭锁及母线故障闭锁。

3)备自投装置具备自恢复功能，两个进线电源都恢复正常后，备自投动作断开联络开关，合上失压侧进线开关，恢复单母分段运行。

4)每套备自投柜共设置4个电压变送器，用于监测两段进线电压及两段母线电压，并输出4～20 mA模拟量送至PLC进行有压(>320 V)、无压(<100 V)判别。Ⅰ段进线电压监测(BV1)，Ⅱ段进线电压监测(BV2)，Ⅰ段母线线电压监测(BV3)，Ⅱ段母线线电压监测(BV4)。电压变送器输出电流正常时，阈值见表1[3]。

表1 电压变送器输出电流阈值表

400 V Ⅰ、Ⅱ段母线由两个进线电源分别供电，两个进线电源互为备用，Ⅰ、Ⅱ段母线间有联络开关[4]。正常运行时，400 V Ⅰ、Ⅱ段进线开关均处于合闸位置分别向两段母线供电，两段母线电压正常，联络开关处于断开位置。当某段进线失压，另一段进线电源正常，则失压段进线开关延时2.5 s跳闸，联络柜中的备自投装置判断某段进线失压后，进线开关处于断开位置且无闭锁信号时，联络开关合闸向失压侧母线供电。当失压侧进线电压恢复正常，备自投装置延时60 s自恢复断开联络开关，合上失压侧进线开关，恢复分段运行[5]。

2 备自投装置异常动作及原因分析

2.1 事件概况

大型水电站运行人员进行10 kV厂用电倒闸操作时，400 V供电点21JS备自投异常动作导致400 V Ⅱ段母线失电。供电点21JS备自投接线示意图1所示。

图1 400 V供电点21JS备自投接线示意图

2.1.1 倒闸前运行方式

1)10 kV 18 M、19 M由厂内14 M供电，G18K14、G19K18开关合位；10 kV 17M由厂内11 M供电，G17K11开关合位；

2)400 V Ⅰ、Ⅱ段母线分段运行正常，分别由17 M、18 M供电，备自投在“远方”、“全自动”方式。

2.1.2 事件描述

运行人员在10 kV 18 M、19 M由G18K14开关供电倒电至G17K19开关供电的过程中，18 M备自投动作断开G18K14，18 M失电，10 kV备自投动作成功。与此同时，400 V备自投误动作再分进线开关4272，但联络开关4JS21合闸失败。倒闸成功后18 M复电，II段进线电压恢复，400 V 备自投发生拒动现象。运行人员现场退出400 V 21JS供电点备自投，手动合上Ⅱ段进线开关4272后，Ⅰ、Ⅱ段母线分段运行正常。分析发现以下两个问题：

1)备自投误动作。10 kV厂用电倒闸操作过程中，由于10 kV备自投已正确动作，400 V备自投不应动作。

2)主供电源自恢复后备自投动作失败。倒闸成功后，400 V Ⅱ段进线电压恢复，400 V备自投本应动作断开联络开关4JS21、合上进线开关4272，但发生了拒动。

2.2 备自投异常动作原因分析

现场检查发现，备自投柜内PLC装置、指示灯及二次回路等均无异常现象，监控系统未报“故障”、“闭锁”、“断线”等异常信号。

2.2.1 备自投误动作原因分析

检查10 kV 18 M备自投在“半自动”模式，远方发令断开G18K14开关，检查18 M备自投动作正常，G18K14开关分闸正常，G17K19开关合闸正常，17 M带18 M、19 M运行正常。考虑10 kV备自投和400 V备自投的时间配合关系，10 kV备自投已正确动作，400 V备自投不应动作。查看监控系统报警信号，通过查询监控报警信号与运行日志，从G18K14合闸复归到G17K19合闸动作所用时间为2.101 s，如图2所示；查看10 kV备自投动作试验波形，母线失压时间为2.021 s；查看400 V供电点21JS备自投程序中进线开关延时跳闸设置为2 s，小于10 kV母线失压时间，10 kV 备自投和400 V备自投的时间配合不当导致400 V 备自投误动作。

图2 G18K14与G17K19监控系统动作信号图

2.2.2 主供电源自恢复后备自投动作失败原因分析

1)Ⅱ段进线失压后(10 kV 18 M备自投分G18K14，18 M失电)，备自投动作分Ⅱ段进线开关4272成功，维护人员现场查看备自投装置处于全自动模式，且无“故障”、“闭锁”、“断线”等异常信号，同时检查BV1、BV2电流输出量正确，所以Ⅱ段进线开关4272分闸成功，但联络开关4JS21合闸失败。动作逻辑见图3。

图3 全自动/半自动，Ⅱ段进线失压分进线开关逻辑图

2)由于监控系统无异常报警信号，检查Ⅱ段进线开关4272分闸位置开入正确，备自投全自动模式，初步怀疑是BV2、BV3或BV4长期运行后电流输出异常导致，由2.2.1可知，BV2电流输出正确，只能是BV3或BV4输出异常导致联络开关4JS21合闸失败，动作逻辑见图4。当Ⅱ段进线电压恢复后，备自投未动作，经过分析是BV4输出异常导致。维护人员现场测量BV3、BV4输出电流，发现BV3电流输出不稳定，BV4电流测量值偏小，导致PLC未正确采集到模拟量进行逻辑判断，导致备自投拒动，动作逻辑见图5。

图4 Ⅱ段进线失压，备自投动作合联络开关逻辑图

图5 Ⅱ段进线电压恢复，备自投动作逻辑图

3 结 语

大型水电站400 V供电点备自投动作失败的主要原因是由于电压变送器长期运行后输出异常或间歇性异常，备自投程序存在缺陷，导致PLC备自投动作失败。当电压变送器单个出现输出异常(如输入电压400 V左右，输出电流小于14.24 mA)时，正常运行的备自投不会误动，也不会发出电压变送器输出异常告警，但备自投会拒动。针对此类问题提出以下解决措施[6]：

1)针对电压变送器长期运行后模拟量输出不稳定，采购新型电压变送器进行更换，其工作电压、输入电压、输出电流与原型号完全一致，具备输出电流实时显示界面。针对现场情况，考虑到运行的可靠性，现场更换为4个新型电压变送器，由于厂内运行环境基本一致，电压变送器故障应是由其在运行环境使用的寿命所致，但没有明确的数据分析出电压变送器的大致寿命。

2)考虑到厂内10 kV备自投和400 V备自投的时间配合关系，重新梳理优化备自投程序，修改进线开关延时跳闸修改为2.5 s，保证两者时间配合的正确性。

3)电压变送器是备自投电压判别的重要元件，可取消电压变送器，改为电压继电器，并对备自投逻辑程序进行修改，利用电压继电器的接点代替电压变送器输出的模拟量判别逻辑，有效规避电压变送器电流输出不稳定的问题。

4)在备自投程序中增加电压变送器输出电流监视功能模块，利用“开关合位时，开关两侧进线(母线)有压不一致”判电压变送器输出电流异常，并上送监控系统，以便提前发现并处理故障电压变送器。

本文主要以大型水电站400 V备自投异常动作为案例，结合备自投动作逻辑进行分析，总结提出改进措施，改进后的备自投运行情况稳定，缺陷率降低，极大的提高了电厂的运行可靠性。