發(fā)電廠自動化系統(tǒng)電源切換裝置可靠性測試方法研究

林兆樂，王寶文，葛樹俊，王巖青，吳俊霞

（1.華能沾化熱電有限公司，山東 濱州 256800；2.山東和信智能科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著發(fā)電廠自動化系統(tǒng)在電力生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用和其覆蓋面的不斷擴展，其對發(fā)電機組安全經(jīng)濟(jì)運行和電網(wǎng)穩(wěn)定的影響逐漸增大。熱工自動化系統(tǒng)可靠性要求越來越高，其自身供電可靠性更加重要。供電電源按來源分4 類：廠用電源（A 段、B 段），來自廠用電變壓器；UPS 電源；保安電源（A 段、B 段）；直流電源。供電電源按重要程度分4 類：極重要電源（直流110 V／220 V，機組保護(hù)和連鎖等用）、交流不間斷電源（交流220 V，DCS、DEH、ETS 等控制系統(tǒng)用）、交流保安電源（全廠停電時需提供安全保障）、一般廠用電源（供給次要負(fù)荷、輔助系統(tǒng)、檢修電源等）。以機組DCS系統(tǒng)為例，一般采用交流220 V 供電，要求配備2路獨立可靠的交流電源互為冗余，一路來自UPS電源作為常用電源，另一路來自保安電源作為備用電源，經(jīng)電源分配柜分配到各控制柜和工作站，經(jīng)電源切換裝置供給各設(shè)備所需電源，工作電源優(yōu)先采用UPS 電源。

電源故障將直接影響熱工自動化系統(tǒng)乃至發(fā)電機組的安全性和可靠性，其設(shè)計、產(chǎn)品選型、工程施工以及后期設(shè)備維護(hù)等方面存在一些被忽視的細(xì)節(jié)問題，例如電源切換裝置連接等，往往是導(dǎo)致故障的關(guān)鍵因素［1］。文獻(xiàn)［2］對火力發(fā)電廠熱控系統(tǒng)的電源現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對電源系統(tǒng)中存在的問題從運行維護(hù)管理方面給出了建議。文獻(xiàn)［3］根據(jù)DCS 電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀，從理論上對幾種不同的電源設(shè)計方案進(jìn)行可靠性定量分析，通過建立各種電源系統(tǒng)可靠性框圖，估算可靠性指標(biāo)，比較了不同方案下的平均無故障工作時間（MTBF），給出了系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果，為合理采用電源切換裝置提供了理論依據(jù)。DL／T 261—2012《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)導(dǎo)則》對熱工自動化系統(tǒng)電源提出了具體要求［4］：系統(tǒng)交流220 V 電源一般采用電源切換裝置實現(xiàn)冗余供電，每個機柜內(nèi)配置獨立的電源切換裝置，電源為220 V 單相交流，容量在3 kVA 以下，電源切換時間要求在20 ms 以下，對供電可靠性的要求更高，這類電源切換裝置是研究的重點。電源切換裝置在電源冗余中起關(guān)鍵作用，研究其在熱工自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用方式，找出適合于現(xiàn)場運行維護(hù)的可靠性測試方法非常必要。

1 電源切換裝置型式

1.1 轉(zhuǎn)換開關(guān)類型

電源切換裝置的關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)換開關(guān)，雙路供電的熱工自動化系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇主電源或備用電源為負(fù)載供電。轉(zhuǎn)換開關(guān)分3 類：機械開關(guān)（Mechanical Power Switch，MPS）、電子開關(guān)（Electrical Power Switch，EPS）、混合開關(guān)（Hybrid Power Switch，HPS）。

電源系統(tǒng)中常用的電磁繼電器、接觸器和斷路器等一般為機械開關(guān)型式。這類開關(guān)電路的連接采用機械觸點，電路斷開時有明顯的分?jǐn)辔恢?，可以實現(xiàn)電氣隔離，但動作時間較長，一般電磁繼電器的動作時間為20～100 ms，接觸器和斷路器的動作時間在40 ms 以上。采用MPS 組成的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路如圖1所示，正常運行時，MPS1 閉合，MPS2 分?jǐn)唷?/p>

圖1 MPS 型轉(zhuǎn)換開關(guān)

電子開關(guān)采用可控硅、IGBT 等電子器件實現(xiàn)電路的通斷控制，這類開關(guān)動作速度快，但不能實現(xiàn)電氣隔離。EPS 組成的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路如圖2 所示，電路結(jié)構(gòu)與MSP 型一致，只是使用電子開關(guān)取代了機械開關(guān)，正常運行時，EPS1 導(dǎo)通，EPS2 截止，電子開關(guān)本身存在電壓降會消耗功率導(dǎo)致發(fā)熱。

圖2 EPS 型轉(zhuǎn)換開關(guān)

混合開關(guān)是將機械開關(guān)和電子開關(guān)并聯(lián)起來，如圖3 所示。正常運行時，機械開關(guān)MPS1 閉合，MPS2 斷開，電子開關(guān)EPS1、EPS2 斷開；當(dāng)主電源故障（如電壓降低）時，電子開關(guān)EPS2 快速閉合，為負(fù)載供電，然后機械開關(guān)MPS1 斷開，EPS1 斷開，MPS2閉合為負(fù)載提供穩(wěn)定電源。電子開關(guān)只是短時承受負(fù)載電流，實現(xiàn)了雙電源快速切換，綜合了機械開關(guān)和電子開關(guān)的優(yōu)點，但是這類電源切換裝置控制電路較復(fù)雜，要求主電源和備用電源同步，因此并沒有得到應(yīng)用。

圖3 HPS 型轉(zhuǎn)換開關(guān)

1.2 常用電源切換裝置型式

1.2.1 雙繼電器型

雙繼電器型切換典型電路如圖4 所示，是由兩個繼電器（或接觸器）組合而成，實現(xiàn)雙電源的冗余切換功能。正常運行時，KM1 帶電，主電源為負(fù)載供電；當(dāng)主電源失電時，KM1 失電，KM2 帶電，備用電源為負(fù)載供電。在發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)中，一些獨立裝置的供電依然沿用這種方式，應(yīng)用比較普遍。這類裝置的切換斷電時間取決于繼電器或接觸器的動作時間，一般為20 ms 以上。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、機械故障點較少、價格便宜，但存在電壓檢測功能不全、機械聯(lián)鎖不可靠、線圈長期處于通電狀態(tài)、耗電大、容易燒毀等缺點，不適應(yīng)于可靠性要求非常高的場合［5］。

圖4 雙接觸器型電源切換電路原理

1.2.2 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）是自動將負(fù)載在主電源和備用電源之間切換的電器，文獻(xiàn)［6］對這類電器進(jìn)行了詳細(xì)描述。此類電源轉(zhuǎn)換集開關(guān)與邏輯控制于一體，實現(xiàn)機電一體化的雙路電源自動切換供電。此類電源切換系統(tǒng)產(chǎn)品的觸頭系統(tǒng)采用“單刀雙擲”設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，其原理如圖5 所示。該類產(chǎn)品一般使用接觸器或斷路器實現(xiàn)負(fù)載切換，切換平穩(wěn)可靠。開關(guān)帶有機電聯(lián)鎖裝置，可實現(xiàn)自投自復(fù)、自投不自復(fù)、失壓、欠壓、手動－自動轉(zhuǎn)換、延時控制等，為電源切換類主流產(chǎn)品。但是ATSE 一般為機械開關(guān)型式，在切換過程中會中斷對負(fù)載的供電。

根據(jù)是否具有分?jǐn)喽搪冯娏髂芰?，ATSE 分為PC 級和CB 級。CB 級ATSE 能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏?，在不考慮人為延時的情況下，切換斷電時間在50ms 以上，適用于廠用電保安電源、普通廠用電負(fù)載切換等交流動力電源場合，并不適用于以計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機等組成的熱工自動化系統(tǒng)。PC 級ATSE 能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)鄶嗦冯娏鳎袚Q斷電時間可以達(dá)到20 ms，基本滿足計算機類負(fù)載的要求，在熱工自動化已經(jīng)有較多應(yīng)用。

1.2.3 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)

STS 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）為電源二選一自動切換系統(tǒng)，正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。在主電源發(fā)生故障時，負(fù)載自動切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動切換到主電源。STS 采用先斷后通的切換方式，可以實現(xiàn)不同輸入電源之間的不間斷切換，為單電源負(fù)載提供雙母線供電。這類電器采用了固態(tài)電子元件組成無觸點開關(guān)，利用電子元件（如開關(guān)三極管、可控硅等半導(dǎo)體器件）的開關(guān)特性，可無觸點無火花地為負(fù)載提供雙路供電，其原理如圖6 所示。

圖5 ASTE 原理

圖6 STS 原理

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)具有下列功能：電壓超差保護(hù)，當(dāng)主電源欠壓或過壓時，負(fù)載自動切換到備用電源；斷電檢測，任一時刻某一路斷電（含人工切換）設(shè)備會自動切換到另一路，切換時間小于10 ms；智能報警，當(dāng)設(shè)備斷電或超限時，自動發(fā)出報警信號。這類設(shè)備價格相對較高，其本身為半導(dǎo)體器件，不具備電氣隔離功能，在發(fā)電廠熱控系統(tǒng)應(yīng)用并不多。但是隨著技術(shù)發(fā)展，采用混合型開關(guān)的電源切換裝置將會得到廣泛應(yīng)用。

2 電源切換裝置測試方法

2.1 測試系統(tǒng)組成

電源切換裝置測試系統(tǒng)原理接線如圖7 所示。需要使用下列設(shè)備：調(diào)壓器（輸入交流220 V，輸出0～300 V）2 臺；模擬負(fù)載1 套（工控計算機2 臺、24 V10 A 直流電源2 臺、電阻器2 個、電容器2 個）；錄波器（或示波器）1 臺；電壓表3 臺；電流表3 臺；萬用表1 套。

圖7 電源切換裝置測試系統(tǒng)組成

2.2 輸入電源參數(shù)測量

根據(jù)圖7，斷開電源切換裝置輸出開關(guān)，進(jìn)行輸入電源參數(shù)測量，輸入主電源和備用電源須滿足電壓和相位要求。利用電壓表測量主電源和備用電源電壓，應(yīng)為交流220×（1±10%）V；利用錄波器測量主電源和備用電源的相別，應(yīng)確定為同一相位，相角差為0，頻率為50×（1±2%）Hz；利用電流表測量電源電流應(yīng)為0 A。

2.3 主電源失電切換

接通電源切換裝置輸出開關(guān)，測量輸出電壓，應(yīng)與主電源電壓一致。斷開開關(guān)1 關(guān)閉主電源，切換裝置應(yīng)能自動把輸出從主電源切換至備用電源。利用錄波器測量切換時間，切換時間應(yīng)不大于20 ms，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。切換裝置應(yīng)發(fā)出主電源故障報警信號。

接通主電源開關(guān)，切換裝置應(yīng)能自動把輸出從備用電源位置切換至主電源。利用錄波器測量切換時間，切換時間應(yīng)不大于20 ms，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。切換裝置應(yīng)發(fā)出主電源恢復(fù)信號。交流電壓是50 Hz 正弦交流波形，電壓在峰值或零點失電對切換時間有影響，試驗應(yīng)重復(fù)進(jìn)行5 次，測得數(shù)據(jù)切換時間按最大值記錄切換時間。

2.4 主電源電壓降低切換

利用調(diào)壓器逐漸降低主電源電壓，直至切換裝置繼電器動作，輸出從主電源位置切換至備用電源，記錄輸出電壓，應(yīng)不低于170 V，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。切換裝置應(yīng)發(fā)出主電源故障報警信號。

利用調(diào)壓器逐漸恢復(fù)主電源電壓，直至切換裝置繼電器動作，輸出從備用電源位置切換至主電源，記錄輸出電壓，應(yīng)不低于180 V，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。切換裝置應(yīng)發(fā)出主電源恢復(fù)信號。

2.5 備用電源監(jiān)測

斷開備用電源開關(guān)，測量輸出電壓，應(yīng)與主電源電壓一致。切換裝置應(yīng)保持輸出不變，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。切換裝置應(yīng)發(fā)出備用電源故障報警信號。

接通備用電源開關(guān)，測量輸出電壓，應(yīng)與主電源電壓一致。切換裝置應(yīng)保持輸出不變，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。切換裝置應(yīng)發(fā)出備用電源恢復(fù)信號。

利用調(diào)壓器逐漸降低備用電源電壓，測量輸出電壓，應(yīng)與主電源電壓一致。切換裝置應(yīng)保持輸出不變，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。降低備用電源電壓，直至切換裝置發(fā)出備用電源故障信號，記錄備用電源電壓，應(yīng)不低于170 V。

利用調(diào)壓器逐漸恢復(fù)備用電源電壓，直至切換裝置發(fā)出備用電源恢復(fù)信號。記錄輸出電壓，應(yīng)不低于180 V，模擬負(fù)載應(yīng)保持正常，工控計算機不能復(fù)位或宕機。

3 現(xiàn)場測試應(yīng)用

在現(xiàn)場安裝的熱控系統(tǒng)電源切換裝置，應(yīng)定期進(jìn)行切換可靠性試驗。除采用模擬負(fù)載進(jìn)行試驗外，也可在現(xiàn)場安裝的機柜內(nèi)串接調(diào)壓器、帶實際負(fù)載進(jìn)行試驗驗證。試驗的步驟為：輸入電源參數(shù)測量、正常運行、主電源斷電、主電源上電、主電源電壓降低、主電源電壓恢復(fù)、備用電源斷電、備用電源上電、備用電源電壓降低、備用電源恢復(fù)。如果電源切換裝置已經(jīng)在實驗室完成可靠性測試并滿足切換要求，在現(xiàn)場的驗證步驟可以簡化為：正常運行、主電源斷電、主電源上電、備用電源斷電、備用電源上電。

應(yīng)用所述測試方法，對電源切換裝置進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖8 所示，可以看出此裝置的切換斷電時間為14 ms。

圖8 電源切換裝置切換時間測試

4 結(jié)語

電源切換裝置在熱控系統(tǒng)電源中應(yīng)用廣泛，其可靠性影響發(fā)電廠自動化系統(tǒng)正常運行。不同型式的電源切換裝置斷電切換時間差別較大，對于要求較高的計算機控制系統(tǒng)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求，切換時間應(yīng)不超過20 ms，保證當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時能自動切換到備用電源控制系統(tǒng)能正常工作。發(fā)電廠自動化系統(tǒng)電源應(yīng)采用快速ATS 或STS 型切換裝置，不能采用繼電器型切換裝置。對于繼電器型電源切換裝置，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)改造時予以更換。