張 景

(西山煤電股份公司 矸石電廠，山西 太原 030023)

西山煤電股份公司矸石電廠為小型火力發(fā)電廠，裝機容量2 ×6 MW，3 臺鍋爐兩運一備，型號為JG -40/3.82 -M 型循環(huán)流化床，以煤矸石為主要燃料，采用一爐二套給煤機系統(tǒng)供煤。2007 年鍋爐給煤機系統(tǒng)改造，鍋爐給煤機調(diào)速采用較先進的日本產(chǎn)G5 通用電壓型變頻器替代了傳統(tǒng)的滑差耦合調(diào)速方式。工藝流程采用:煤倉+ 膠帶輸送機+ 給煤筒(激振器)+鍋爐。控制部分采用DCS 系統(tǒng)+變頻器+輸送電動機，實現(xiàn)半自動化控制，主要是通過調(diào)整膠帶輸煤機電機轉(zhuǎn)速來控制鍋爐給煤量。鍋爐給煤機系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖1。

圖1 鍋爐給煤機系統(tǒng)工藝流程示意圖

鍋爐調(diào)速系統(tǒng)改造后，變頻器調(diào)速替代了傳統(tǒng)的滑差耦合調(diào)速方式，不僅與鍋爐DCS 系統(tǒng)連接較好，提高了給煤機系統(tǒng)的給煤控制性能和給煤精度，而且與原來滑差式耦合調(diào)速相比具有節(jié)能效果，并減少了耦合環(huán)節(jié)帶來的給煤故障。但經(jīng)運行，鍋爐給煤機系統(tǒng)變頻器出現(xiàn)了多次跳閘，鍋爐給煤部分或全部中斷，導致鍋爐熄火停爐或壓火，主汽壓力波動，不但造成經(jīng)濟上的損失，而且降低了機組對電網(wǎng)供電的品質(zhì)，嚴重威脅了鍋爐機組的安全運行。

1 變頻器跳閘原因分析

變頻器跳閘按保護對象總體上分兩類:一類是保護變頻器自身跳閘，另一類是保護電動機及輔助設備跳閘。下面結合矸石電廠的實際情況，從兩方面分析變頻器跳閘的原因:

1.1 變頻器保護自身跳閘

日本產(chǎn)G5 變頻器與目前國內(nèi)外各變頻器制造商生產(chǎn)的通用變頻器均屬電壓型，為保護其內(nèi)部電子元器件不損壞，都設有“超溫”和“電源電壓異常波動”保護跳閘功能。當變頻器內(nèi)部溫度超過其容許上限時，變頻器交流電源供電，當電壓波動大于額定電壓的±15%，電壓變化率超過變頻器容許上限時，變頻器內(nèi)部自身的保護功能將跳閘。從矸石電廠實際情況分析，變頻器自身風扇定期檢查、清理運行通風良好，周圍環(huán)境溫度不高。實地測量，變頻器配電柜外環(huán)境最高溫度45℃，變頻器最高溫度55℃，遠低于變頻器上限溫度(75 ℃)。因此，“超溫”保護跳閘不是矸石電廠鍋爐給煤機系統(tǒng)變頻器跳閘的原因。變頻器本身都設有“電源電壓異常波動”保護功能，當供電電源電壓偏差、電壓波動與閃變、電壓正弦波畸變率、頻率偏差等超過變頻器的允許值時，即達不到供電電壓質(zhì)量要求時，變頻器就會做出保護性跳閘動作。相應故障記錄類型為:過電壓、低電壓、過電流。經(jīng)分析判斷，產(chǎn)生供電質(zhì)量差的主要原因是:主電網(wǎng)波動大、負荷不平衡、電力切換、負荷側(cè)的大型設備啟動以及雷擊。鍋爐給煤機系統(tǒng)控制圖見圖2。

圖2 鍋爐給煤機系統(tǒng)控制圖

下面結合矸石電廠鍋爐給煤機變頻器跳閘案例，從理論和實踐兩方面進行分析確定。

1)變頻器跳閘案例一。

某日上午10:43，1#鍋爐2 臺給煤機系統(tǒng)變頻器在1 s 內(nèi)相繼全部跳閘，鍋爐給煤全部中斷，發(fā)生鍋爐熄火停爐事故，造成較大的經(jīng)濟損失。

事故發(fā)生后，對1#鍋爐的給煤機DCS 控制系統(tǒng)及給煤機系統(tǒng)進行了全面的檢查。在SOE 系統(tǒng)中顯示引起全爐膛滅火MFT 跳閘的原因:當時正在運行的2 臺給煤機1#、2#變頻器在1 s 內(nèi)全部跳閘，2 臺給煤機DCS 監(jiān)控系統(tǒng)都顯示給煤機故障，而此故障表示變頻控制的給煤機電機故障、變頻器故障、電機反饋信號線路發(fā)生故障3 種可能。經(jīng)過對給煤機系統(tǒng)進行檢查，未發(fā)現(xiàn)任何異常，變頻器跳閘顯示類型為低電壓，于是將檢查的重點放在給煤機變頻器的電源上。在事故分析調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)鍋爐給煤機變頻器跳閘前，即10:43 之前，運行人員切換1#、2#給水泵，啟動132 kW 給水泵電機，而2 臺給煤機變頻器380 V 交流電源都是從與給水泵同母線的電源而來，事后用錄波儀試驗，顯示啟動給水泵時該母線電壓下降到峰值的40%，持續(xù)時間約4 s，1#鍋爐給煤機2 臺變頻器全部跳閘。由此可以判斷，這一大幅度電壓波動是引起給煤機變頻器跳閘的原因。

2)變頻器跳閘案例二。

某日下午5:21，1#、3#鍋爐給煤機變頻器各一臺跳閘。鍋爐給煤部分中斷，運行人員及時采取措施，未造成壓火、停爐事故。但造成1#機組，停機32 min，帶來一定的經(jīng)濟損失。

事故發(fā)生后，對1#、3#鍋爐的給煤機DCS 控制系統(tǒng)及給煤機系統(tǒng)進行了全面的檢查，未發(fā)現(xiàn)任何異常，但變頻器跳閘顯示類型為過電壓，于是將檢查的重點依然放在給煤機變頻器的電源上。在事故分析調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，鍋爐給煤機變頻器跳閘前，即下午5:21 之前，電廠35 kV 線路輸出側(cè);401 開關速斷跳閘，俗稱甩負荷。2 臺38.5 +2 ×2.5% kV/6.3 kV 主變空載運行。1#、2#發(fā)電機組單帶4 臺6.3 kV/400 V廠變。查運行值班記錄顯示:當時6 kV 主電網(wǎng)母線短時波動大，電壓最高值6 600 V 左右，廠變二次側(cè)母線電壓相應波動最高值430 V 左右。1#、2#發(fā)電機出口電壓最高顯示6 700 V。

分析401 開關速斷跳閘(俗稱甩負荷)后，發(fā)電機負載大幅減少，僅帶廠變。而矸石電廠發(fā)電機組為20 世紀80 年代制造，汽機負荷調(diào)整、發(fā)電機端電壓、勵磁電流、功率因數(shù)調(diào)整未實現(xiàn)DCS 系統(tǒng)全自動控制。該廠6 kV 母線、廠變380 V 母線電壓波動較大。因此，確定鍋爐給煤機變頻器在供電電源電壓波動、增幅、閃動超過了變頻器設定允許值的情況下而跳閘。

1.2 變頻器保護電動機和執(zhí)行裝置跳閘

變頻器設有保護電動機和執(zhí)行部件的功能，當有可能損壞電動機或執(zhí)行部件時，變頻器就跳閘，設備停止運行。具體設置有:電機過載、負載短路、電機缺相、電機接地、電機過電壓等保護。為此變頻器圍繞保護設置有可變不同邏輯繼電器輸出接口和不同類型的參數(shù)。若應用、設定參數(shù)合理，可以實現(xiàn)保護功能，反之非但起不到保護作用，還有可能損壞電動機或執(zhí)行部件裝置以及引起變頻器無謂、無故障、不符合情理的跳閘，引起運行系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至造成重大經(jīng)濟損失。矸石電廠鍋爐給煤機變頻器出現(xiàn)多次跳閘，其中有2 次跳閘類型分別顯示過電壓或過電流。該廠對鍋爐給煤機DCS 控制系統(tǒng)及給煤機系統(tǒng)進行了全面的檢查，未發(fā)現(xiàn)任何異常。檢查當日電氣運行值班記錄無大的操作，發(fā)電機、主變、廠變電壓波動正常。變頻器供電電源380 V 母線電壓為400 V，符合要求，基本排除380 V 電源母線電壓的問題。檢查變頻器參數(shù)發(fā)現(xiàn)，變頻器保護重要基準參數(shù)電壓值輸入為380 V，而廠變二次側(cè)380 V 母線電壓400 V(即設定基準輸入值380 V 低于母線現(xiàn)場實際值400 V)，導致以基準參數(shù)為常數(shù)的各種保護計算值偏低，變頻器保護跳閘的“門檻”相應降低，鍋爐給煤機系統(tǒng)變頻器出現(xiàn)無謂、無故障、不符合情理的跳閘。修正電壓參數(shù)為410 V 后，變頻器類似跳閘大大減少。同樣，由于電流設定值偏大，在給煤筒擁堵、輸送機頭堆煤、摩擦力負荷增加的情況下，變頻器未跳閘，造成電動機過負荷燒鍋爐給煤部分中斷，影響鍋爐、發(fā)電機組正常運行。說明變頻器參數(shù)設定值大小影響變頻器保護電動機和執(zhí)行部件以及跳閘。同樣其他參數(shù)，如運行方式選擇、電動機加速、減速時間、啟動時間、啟動過載系數(shù)、電壓值、額定電流等的設定都在一定程度上影響變頻器保護電動機和執(zhí)行部件以及跳閘。

1.3 變頻器跳閘原因

綜合以上分析，矸石電廠鍋爐給煤機變頻器跳閘分兩大類，一類為鍋爐給煤機系統(tǒng)保護性跳閘，另一類為鍋爐給煤機系統(tǒng)無異常跳閘。前者是系統(tǒng)需要的，而后者是系統(tǒng)不需要的。保護性跳閘分兩類，一類是保護變頻器自身跳閘，另一類是保護電動機和執(zhí)行裝置跳閘。通過分析找出造成系統(tǒng)無故障跳閘的原因是變頻器參數(shù)設定值不合理，變頻器供電電源電壓短時不符合要求。

2 對策及實施

2.1 變頻器參數(shù)設定值不合理

1)系統(tǒng)學習G5 變頻器產(chǎn)品使用說明書，全面掌握參數(shù)的類型、意義、功能以及調(diào)整的方法。

2)全面了解變頻器已設定的參數(shù)，結合鍋爐給煤機系統(tǒng)實際，有針對性地調(diào)整和設置參數(shù)，并在運行中不斷修正。具體參數(shù)設置調(diào)整實施見表1。

表1 調(diào)整和設置參數(shù)對應表

2.2 對變頻器供電電源電壓短時不符合要求

2.2.1 對策方案的制定及選擇

1)方案一:用UPS(不間斷電源)電源供電。對于驅(qū)動重要敏感設備的中小容量通用變頻器，通過UPS 來供電，其優(yōu)點是可以避免因交流電源發(fā)生瞬時停電或電壓短期變化引起變頻器跳閘。其缺點是UPS 電源無論采取一對一配置，還是集中配置，設備體積大、價格高、維護工作多、運行自損耗大。

2)方案二:配置動態(tài)電壓補償裝置(VR)。其工作原理:將動態(tài)電壓補償裝置串接在電源和通用變頻器之間，裝置中的電壓監(jiān)測單元一旦檢測到電壓凹陷(下降)，即觸發(fā)控制內(nèi)部逆變器，將裝置內(nèi)直流電壓逆變成相應幅值和相位的交流電壓疊加到電壓凹陷的線路上，整個過程約2 ms，使通用變頻器免受電壓波動的影響。其缺點是動態(tài)電壓補償裝置是有源的，需要從其他電源系統(tǒng)另接一路電源，不管是一對一還是集中配置，設備體積大、價格很高、運行成本高。

3)方案三:配置兩路交流電源。變頻器電源分別從2 段專用供電母線上接出，且該2 段供電母線按互為備用的方式配置。其“常用-備用”互為切換回路必須在變頻器“低電壓”保護跳閘前將備用電源快速切換上去。其接觸器切換回路不能帶延時，若切換邏輯回路異常或失控，有造成切換失敗和不安全的隱患，供電安全性差。

4)方案四:優(yōu)化給煤機DCS 控制系統(tǒng)的控制邏輯。對鍋爐給煤機DCS 控制系統(tǒng)內(nèi)部的控制邏輯做優(yōu)化修改，這個修改需給煤機DCS 控制系統(tǒng)的制造廠實施。其方法是在給煤機變頻器因電源瞬停切換已實際跳閘期間，給煤機的控制器中的邏輯對變頻器的“停止”和給煤機電動機的“失速”信號作延時處理，使上位的控制系統(tǒng)仍接收到“運行中”的信號，在電源恢復正常時再自動重啟給煤機變頻器。其優(yōu)點是設備改動少，缺點是當廠用電瞬時停電切換或因其他原因造成電源電壓波動超過額定電壓的±15%時，運行中的所有給煤機同時有一個“跳閘—再啟動”的過程，雖然能避免觸發(fā)MFT 保護動作和熄火停爐故障，但給煤機實際有一個瞬停的時間，再啟動輸出后，鍋爐給煤量和主汽壓力會產(chǎn)生小幅振蕩現(xiàn)象。

2.2.2 對策方案的確定

通過以上措施方案對比，認為方案四雖鍋煤給煤量和主汽壓力會產(chǎn)生小幅振蕩現(xiàn)象，但理論分析及實踐表明對發(fā)電機組產(chǎn)生的影響很小，而且不需要增加設備，投資少，更符合矸石電廠鍋爐給煤機系統(tǒng)運行實際。因此，確定采用對策方案四。

2.2.3 對策方案四的實施

實施過程原則上按對策方案四執(zhí)行。不同的是“跳閘—再啟動”的過程是由變頻器通過參數(shù)設定自己完成的。日本產(chǎn)G5 變頻器設置有該項功能，過程:跳閘—延時—復位—啟動。優(yōu)點:延時—時間可以由人工通過變頻器來調(diào)整;復位—煤量給定可以自動恢復到跳閘前的值。鍋爐給煤機系統(tǒng)跳閘后很快回復到原來運行狀態(tài)。

2.2.4 實施效果

2013 年5 月，對方案四實施后，至2014 年5 月一年間，鍋爐給煤機變頻器僅跳閘2 次。其中一次，因為輸煤機膠帶跑偏卷入托輥，跳閘類型顯示為過電流，說明變頻器參數(shù)設置合理，起到保護作用。另一次，因為發(fā)電機非同期并網(wǎng)，變頻器跳閘延時時間短，參數(shù)設定值小而跳閘，現(xiàn)已延長時間。

通過對鍋爐給煤機系統(tǒng)變頻器跳閘原因分析，采取對策的研究及實施，解決了電廠鍋爐給煤機變頻器頻繁跳閘，影響鍋爐安全運行的問題，為今后應用變頻器提供了經(jīng)驗。

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