巨型水轮发电机组高可靠性电源冗余控制技术应用与研究

周立成，张 堃，艾远高，金笑笑，李翰夫

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

DC 24V电源是电气控制中最常用的电源系统，包括电气元件和控制回路两部分，电气元件是构成DC 24V电源冗余控制系统的硬件部分，由AC/DC 220V转DC 24V电源装置和DC 24V冗余装置等元件组成[1]，控制回路实现冗余功能。DC 24V电源系统广泛应用在水轮发电机组监控系统、保护系统、调速系统等重要电气控制供电回路中。某巨型水电站巨型水轮机调速器电气柜DC 24V故障是机组停机的重要参考条件，DC 24V电源的可靠对水轮发电机组的安全、稳定运行至关重要。

水轮发电机组电气控制回路通常采用多路DC 24V进行冗余布置，该巨型水电站水轮发电机机组的电气盘柜均采用了DC 24V冗余电源[2]，但DC 24V冗余电源供电方式和控制原理及采用的电气元件都不相同。本文通过对该巨型水电站水轮发电机组DC 24V电源冗余装置、供电回路进行深入研究，从供电方式的可靠性、控制原理的简化性、电气元件的通用性三方面，研究适用于水轮发电机组的高可靠性DC 24V电源冗余控制设计，并将设计应用于现场控制。

1 电气元件分析

1.1 AC/DC 220V转DC 24V电源装置

该巨型水电站水轮发电机组电气盘柜在用的AC/DC 220V转DC 24V电源装置有WM（明纬）电源、ABB电源、POWER ONE（宝威）电源三种，如图1所示。

图1 AC/DC 220V转DC 24V电源装置Figure 1 AC/DC 220V to DC 24V power supply device

明纬NES型电源为需风扇降温型，并且电源装置的输入电源必须区分AC 220V或者DC 220V；ABB的SD832（5A）、SD833（10A）、SD834（20A）都有运用，其中，SD834支持AC/DC 220V电源输入，并且有一组开关量接点可对输出DC 24V输出进行监视；POWER ONE电源运用最为广泛，其中的LXR型有2.5A、5A、10A、20A规格容量可选，均支持 AC/DC 220V电源输入，LXN型与LXR型的外形相同，但却有两路完全隔离独立的DC 24V输出，相当于两块电源装置，一路输出损坏后，另一路仍能正常输出，在实际运用中非常关键。

该电站水轮发电机机组电气盘柜在用的AC/DC 220V转DC 24V电源装置为ABB的SD834型（20A）和POWER ONE的LXN型。

1.2 DC 24V冗余装置

该巨型水电站为保证水轮发电机组电气盘柜DC 24V供电的可靠性，盘柜配置有多路AC 220V或者DC 220V电源，即有多个AC/DC 220V转DC 24V电源装置，再将这多路DC 24V电源进行冗余输出给设备供电，即一路（或多路）DC 24V电源故障后，另一路（或多路）DC 24V电源仍能不间断给设备供电。

冗余装置是利用具有对直流单向导通性的二极管实现，即将两路DC 24V电源的负极短接在一起，再将一路DC 24V电源的正极接在一个二极管的正极，另一路DC 24V电源的正极接在另一个二极管的正极，将两个二极管的负极短接在一起输出DC 24V的正极，这样，当一路DC 24V故障时，另一路DC 24V仍能正常输出[3]。

该巨型水电站水轮发电机组电气盘柜的三种冗余装置情况对比如表1中图片所示。

通过表1的对比，可以得出：

表1 DC 24V电源冗余装置对比Table 1 DC 24V power supply redundant device comparison

（1）直接采用了标准的桥式整流模块用做冗余装置。

（2）菲尼克斯的专用冗余装置，就是将两个二极管进行了集成。

（3）ABB的SS832冗余装置，在两路二极管的基础上加入了芯片控制。

2 DC 24V电源系统电气回路研究

2.1 目前的DC 24V电源冗余系统

该巨型水电站水轮发电机机组的电气盘柜采用一路AC 220V和一路DC 220V电源输入，控制原理如图2所示。此种电气回路可实现一路DC 24V电源故障后，另一路DC 24V电源仍能不间断给设备供电功能。

该巨型水电站机组的水轮机动力柜[4]是用PLC控制两台油泵和两台排水泵，有着两路交流电源和一路直流电源，盘柜就配置了4块电源模块进行了3次冗余，控制原理如图3所示，相比图2的单冗余，4个电源模块损坏3个，DC 24V电源仍能保持不间断输出，可靠性得到了增强。

图2和图3的冗余方式有一个共同的隐患，即单一的冗余装置异常就将造成整个盘柜的DC 24V电源故障。如图2中的冗余装置UK1故障或者UK1的DC 24V输出的L+或L-的接线端子松动，图3中的UK3故障或者UK3的DC 24V输出的L+或L-的接线端子松动。

2.2 DC 24V电源冗余系统优化

针对图2的一路AC 220V和一路DC 220V电源输入的单冗余系统，优化后的电气图如图4所示，在原电路电源装置U1、U2输出给UK1的基础上，增加了一个冗余装置UK2，同样由U1、U2输出给UK2，再将冗余装置UK1、UK2的输出并接后给负荷供电。这样，电路中的电源装置U1、U2和冗余装置UK1、UK2中任何一个元件损坏，仍能保证DC 24V电源的不间断输出。这种将DC 24V冗余装置的输出并接在一起的供电方式同样适用于图3的多个（两个以上）电源模块的系统，只需取消UK3，直接将余装置UK1、UK2的输出并接在一起给负荷供电[5]。

图2 一路AC 220V和一路DC 220V电源输入的单冗余系统Figure 2 Single redundant system with one AC 220V and one DC 220V power input

图3 二路AC 220V和一路DC 220V电源输入的多冗余系统Figure 3 Multi-redundant system with two AC 220V and one DC 220V power input

图4 一路AC 220V和一路DC 220V电源输入的冗余系统优化Figure 4 Redundant system optimization of AC 220V and DC 220V power input

针对图3的巨型水电站机组水轮机动力柜的二路AC 220V和一路DC 220V电源输入的多冗余系统[6]，因该盘柜是用PLC控制两台油泵和两台排水泵，负荷较为对称，优化后的电气原理图如图5所示。将1路AC 220V/DC 24V电源装置U1与DC 220V/DC 24V电源装置U2的冗余装置UK1给1号油泵、1号排水泵控制回路。将2路AC 220V/DC 24V电源装置U4与DC 220V/DC 24V电源装置U3的冗余装置UK2给2号油泵、2号排水泵控制回路。最后再将以上两路DC 24V电源经冗余装置UK3给公共部分的PLC、触摸屏供电。这样即将DC 24V电源分为了3段共5个开关控制，确保了各DC 24V电源开关的独立可靠性[7]。

图5 二路AC 220V和一路DC 220V电源输入的多冗余系统优化Figure 5 Multi-redundant system optimization of two AC 220V and one DC 220V power input

3 DC 24V电源冗余系统标准要求

电气盘柜内DC 24V电源的电气元件需与强电设备分区域合理布置，与强电回路不使用同一根电缆，电缆成束分开排列[8]。

DC 24V电源系统的电源模块、冗余装置等发热电气元件的安装间隙宜为10～15mm，盘柜需合理相应配置散热装置。

DC 24V电源冗余系统在现场实际接线需并接的线路较多，所有接线端子最多并接两根线，并且并接的两根线必须压接双线鼻，而不能各压接一单线鼻后再并在一起，防止因端子松动造成公共端失电。因导线需压接双线鼻，所以尽量不采用单股铜芯线，而采用多股铜芯线。

接线时充分利用电源装置的DC 24V输出各有两个L+和L-接线端，合理有效分配，减少通过双线鼻短接。以图4为例，电源装置U1的DC 24V输出需同时接至冗余装置UK1和UK2，如果在电源装置U1的只各接一个L+、L-，再经双线鼻分别接至UK1和UK2，当电源装置U1的L+、L-处端子松动，就将导致U1失去作用。而图4中是将电源装置U1的两个L+、L-分别接至UK1和UK2，供电可靠性得以增强。

DC 24V电源冗余系统在接线上还有个显著特点，就是所有DC 24V的L-端必须并接在一起，仍以图4为例，将冗余装置UK1的L-端采用双线鼻，一根线接至UK1的L-端，另一个线接至空气开关QF3的负极，冗余装置UK2的L-端同样采用双线鼻，一根线接至UK1的L-端，另一个线接至空气开关QF7的负极，最后又将QF3～QF7这5个空气开关的负极全部再用双线鼻进行短接，相当于2个冗余装置与5个空气开关的负极上全部是双线鼻，确保回路稳定可靠，减低了因某一端子松动的风险。

4 结束语

巨型水电站水轮发电机机组的稳定运行，对于发电厂和电网的安全至关重要。DC 24V电源冗余系统对水电设备的稳定运行有着重要意义，优化后的DC 24V电源冗余系统不仅适用于本文中分析的水轮发电机机组电气盘柜，同样适用于所有需DC 24V电源供电的设备，从而保证设备的正常运行。