韓 軍，鄭建農(nóng)，劉 德

（1.華能營口仙人島熱電有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115000；2.華能國際電力股份有限公司，北京 100031）

磨煤機(jī)是火力發(fā)電廠重要輔助設(shè)備之一，運(yùn)行正常與否直接影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。某電廠磨煤機(jī)6kV 電動機(jī)運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)子籠條斷裂和定子接地的故障，從2010 年5 月起至2014 年11月，磨煤機(jī)電動機(jī)連續(xù)13次故障［1］，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的影響。其中一次磨煤機(jī)6kV電動機(jī)接地故障而綜合保護(hù)裝置拒動，造成了越級跳機(jī)事件。每次電動機(jī)故障后抽轉(zhuǎn)子檢查，有時(shí)籠條過熱變形、連續(xù)多處斷裂、轉(zhuǎn)子籠條的銅茬飛出砸傷定子線圈、定子線圈弧光短路、轉(zhuǎn)子籠條端環(huán)徑向開裂，有時(shí)轉(zhuǎn)子籠條完好，而定子線圈端部或直線段絕緣擊穿弧光短路的接地，電動機(jī)端部引線發(fā)熱燒斷引起弧光接地的現(xiàn)象，針對以上現(xiàn)象進(jìn)行以下分析處理。

1 電動機(jī)輸出參數(shù)計(jì)算及啟動方式選擇

每臺塔式爐配備8臺磨煤機(jī)，型號為MB3600/1000/490，打擊輪外徑D＝3 550 mm，打擊輪寬度b＝1 000mm，打擊輪轉(zhuǎn)速n＝490r/min，啟動轉(zhuǎn)矩Tq＝4 000N·m，最小運(yùn)行轉(zhuǎn)矩Tc＝12 860N·m，最大運(yùn)行轉(zhuǎn)矩Tmax＝20 800N·m，飛輪矩TF＝1 200 000kg·m2。電動機(jī)與磨煤機(jī)直軸連接，中間沒有減速齒輪箱。

1.1 軸功率計(jì)算［2］

查1號爐4號磨煤機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS）記錄曲線，給煤量55.3t/h（額定值60t/h），運(yùn)行電流125A，小于額定電流165A。電動機(jī)電壓6.2kV，輸入的功率1 046kW。電動機(jī)空載損耗P0＝61.2 kW（其中鐵耗PFe＝45.1kW），定子滿載銅耗（75℃）Pcu1＝14.1kW；機(jī)械損耗Pmech＝13.0kW；轉(zhuǎn)子滿載銅耗（75 ℃）Pcu2＝16.5kW，雜散損耗Pad＝6.7kW。合計(jì)最大總損耗為95.3kW，減去總損耗，輸出的軸功率P2＝950.7kW，滿足磨煤機(jī)機(jī)械軸功率892kW 的要求。

1.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算［3］

電動機(jī)拖動負(fù)載的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為：

式中：Te為電動機(jī)額定的拖動轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；TF為轉(zhuǎn)動慣量；dn/dt為加速度。

風(fēng)扇磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速從0r/min爬升至n2＝490r/min，啟動時(shí)間延長至200s，則慣性轉(zhuǎn)矩：

Te－TLe＝17 063N·m，該值大于額定啟動轉(zhuǎn)矩7 200N·m，所以變頻器可以拖動電動機(jī)帶磨煤機(jī)啟動。如果啟動時(shí)間縮短為91s，計(jì)算磨煤機(jī)慣性轉(zhuǎn)矩為17 063N·m，此時(shí)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩24 263N·m剛好等于啟動轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩之和，91s是拖磨煤機(jī)啟動時(shí)間的最小臨界點(diǎn)，如果縮短啟動時(shí)間小于91 s，變頻器將無法拖動電動機(jī)帶磨煤機(jī)啟動。

1.3 啟動方式選擇［4］

采用變頻器啟動磨煤機(jī)，調(diào)整頻率的同時(shí)還調(diào)整電壓，保持定子恒磁通，在啟動的低頻階段采用補(bǔ)償電壓的手段，保證了高啟動轉(zhuǎn)矩，逐漸拖動電動機(jī)，啟動期間定轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)速滑差最小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流最小，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱降至最低，籠條變形降至最輕可以解決籠條斷裂問題。

2 改進(jìn)方案實(shí)施

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

采用1臺6kV 高壓變頻器拖動4臺磨煤機(jī)電動機(jī)的方案，變頻器調(diào)壓的同時(shí)調(diào)頻，保證啟動轉(zhuǎn)矩，同時(shí)變頻器可以限制定子電流，防止電動機(jī)過載。在整個(gè)啟動過程中電動機(jī)定轉(zhuǎn)子一直處于低滑差運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速從頻率0.5 Hz開始爬升，緩慢升至頻率50Hz，最大限度降低了轉(zhuǎn)子的啟動電流。

變頻器拖動磨煤機(jī)電動機(jī)頻率至50 Hz，即額定轉(zhuǎn)速，隨后切換至工頻運(yùn)行，采用一拖4變頻軟啟動見圖1。

虛線框內(nèi)為原有設(shè)備，其余為增加設(shè)備，M1、M2、M3和M4分別是4臺磨煤機(jī)電動機(jī)；QFA5是變頻器進(jìn)線斷路器，QFA1、QFA2、QFA3和QFA4是原磨煤機(jī)工頻電源斷路器；QFA7、QFA8、QFA9和QFA10是磨煤機(jī)變頻電源斷路器。

磨煤機(jī)變頻軟啟動的過程如下。

a.初始狀態(tài)：變頻器TFA 經(jīng)過下口電抗器驅(qū)動電動機(jī)M1 變頻啟動。斷路器狀態(tài)：QFA5、QSA1、QFA7合閘位，其余斷路器分閘位。

b.變頻器接收到啟動指令后，輸出驅(qū)動電動機(jī)M1達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

圖1 磨煤機(jī)變頻器啟動電源系統(tǒng)圖

c.PLC自動鎖相變頻器輸出變頻電壓與系統(tǒng)的工頻電壓，檢測壓差、頻差和相差。

d.變頻器PLC 鎖相合格后，合工頻斷路器QFA1，此時(shí)電動機(jī)M1 由變頻和工頻共同供電運(yùn)行。

e.斷開變頻電源斷路器QFA5，變頻器停止輸出，延時(shí)0.5s，斷開變頻斷路器QFA7，變頻器退出運(yùn)行。電動機(jī)M1僅由工頻帶載。

經(jīng)過上述過程，磨煤機(jī)電動機(jī)M1軟啟動成功，其他電動機(jī)同理。

2.2 實(shí)施過程

2.2.1 確定DCS畫面增加的按鈕和模擬量參數(shù)

a.增加按鈕和指示：QFA5變頻器進(jìn)線斷路器分合閘按鈕，啟動和停止變頻器按鈕，變頻器已上電和已斷電指示，M1、M2、M3和M4磨煤機(jī)變頻斷路器分合閘按鈕及位置指示，允許工頻合環(huán)按鈕。

b.增加顯示參數(shù)：QFA5變頻器進(jìn)線電流和功率，M1、M2、M3和M4磨煤機(jī)變頻電流和功率，轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速反饋。

c.增加警示信號：變頻器就緒，變頻器故障，QFA5斷路器控制回路斷線，保護(hù)裝置動作，保護(hù)裝置異常和儲能未滿，M1、M2、M3和M4磨煤機(jī)變頻斷路器熔斷器熔斷和控制回路斷線。

根據(jù)上述原則編制了DCS點(diǎn)表。

2.2.2 確定聯(lián)鎖和閉鎖回路

變頻器就緒時(shí)信號上傳給DCS，才允許合變頻器進(jìn)線斷路器QFA5；QFA5 保護(hù)裝置故障或變頻器故障時(shí)閉鎖變頻器進(jìn)線斷路器QFA5合閘；變頻器啟動過程中，如果電動機(jī)出現(xiàn)故障，采用事故按鈕緊急停機(jī)；4臺磨煤機(jī)變頻電源斷路器采用硬接線實(shí)現(xiàn)相互閉鎖，工作時(shí)只能合其中的一個(gè)斷路器，避免變頻電源與工頻電源撞車；變頻器運(yùn)行時(shí)，不允許用變頻電源斷路器分閘，采用變頻器PLC 的接點(diǎn)閉鎖其分閘回路；為安全考慮，電動機(jī)爬升至額定轉(zhuǎn)速，需要運(yùn)行人員確認(rèn)后，點(diǎn)擊畫面的允許工頻合環(huán)按鈕，變頻器才能進(jìn)入鎖相環(huán)節(jié)，捕捉變頻與工頻電源的壓差、頻差和相差，鎖相合環(huán)結(jié)束后自動解除允許工頻合環(huán)按鈕。

2.2.3 施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

確定6kV 開關(guān)柜電源的進(jìn)線方式，合理布置盤柜確保運(yùn)行操作和維護(hù)空間。改造磨煤機(jī)變頻器進(jìn)線斷路器QFA5，更換其出線電流互感器和零序電流互感器，增加遠(yuǎn)方/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)，繪制變頻器進(jìn)線開關(guān)柜、變頻電源開關(guān)柜和變頻器控制柜的端子排圖，開列柜間連接電纜，優(yōu)化電纜通道的路徑，開列施工材料。開列UPS、直流電源、事故按鈕和工頻合環(huán)等電纜，編制電纜清冊。

2.2.4 設(shè)備安裝和調(diào)試

對干式變壓器、開關(guān)柜、高壓電纜、電流互感器、電壓互感器、避雷器和保護(hù)裝置進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，上傳信號至DCS并與畫面核對，用DCS 和保護(hù)裝置傳動開關(guān)的分合閘。對6kV 變頻電源與工頻電源進(jìn)行核相，杜絕非同相合環(huán)事故的發(fā)生。

調(diào)試期間，變頻器啟動磨煤機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，變頻電源與工頻電源合環(huán)后自動斷開變頻電源斷路器，整個(gè)過程長達(dá)7min，嚴(yán)重影響變頻器的正常使用，當(dāng)電網(wǎng)要求增加機(jī)組負(fù)荷而啟動磨煤機(jī)時(shí)，不能及時(shí)啟動磨煤機(jī)增加負(fù)荷。通過分析原因，采用串電抗器直接啟動變頻器的方案，不采用先不串電抗器啟動，然后再串電抗器啟動磨煤機(jī)的方案，啟動時(shí)間縮短至2min，滿足了運(yùn)行的需要。

工頻合環(huán)調(diào)試時(shí)，整定同期電壓系數(shù)、同期相位kp系數(shù)和同期相位ki系數(shù)。通過對變頻器輸出電壓、變頻器輸入電壓和變頻器輸出電流的在線錄波，探索系數(shù)變化時(shí)相位角的變化規(guī)律，為整定PID 的控制參數(shù)節(jié)約了大量的時(shí)間，最后實(shí)現(xiàn)變頻與工頻的合環(huán)的角度小于3°，實(shí)現(xiàn)了合環(huán)時(shí)對電動機(jī)和系統(tǒng)的沖擊降至最低，為整個(gè)工程能否實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

鑒于磨煤機(jī)工頻斷路器合環(huán)后，變頻斷路器有時(shí)能分閘，有時(shí)不能分閘的情況，現(xiàn)場實(shí)際錄DCS輸出允許工頻合環(huán)指令的波形，測量從狀態(tài)有效到自動復(fù)位的時(shí)長，其中測量1號磨煤機(jī)4次，時(shí)長分別為2.47s、3.29s、2.09s和2.09s；測量3號磨煤機(jī)4次，時(shí)長分別為3.19s、1.58s、3.58s和2.84 s，發(fā)現(xiàn)DCS輸出允許工頻合環(huán)指令有效時(shí)長不穩(wěn)定。結(jié)合PLC程序的運(yùn)行邏輯，對“允許工頻合環(huán)”按鈕予以修改，點(diǎn)擊DCS畫面“允許工頻合環(huán)”的按鈕后，只有當(dāng)DCS得到工頻斷路器（QFA1、QFA2、QFA3和QFA4）合閘位置的反饋信號，延時(shí)1s，才自動解除“允許工頻合環(huán)”按鈕，解決了變頻斷路器有時(shí)能分閘，有時(shí)不能分閘軟故障的問題。

為了避免誤操作，統(tǒng)一開關(guān)柜的KKS編碼；為了避免6kV 工頻電源從變頻電源開關(guān)柜反送電至變頻器的輸出端，引起變頻器絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的爆炸，修訂運(yùn)行操作規(guī)程，要求每次用變頻器啟動磨煤機(jī)結(jié)束后，必須斷開磨煤機(jī)變頻電源斷路器QFA5和變頻電源6kV 隔離開關(guān)QSA1。

3 結(jié)束語

磨煤機(jī)變頻啟動改造工程實(shí)施后，電廠磨煤機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)子籠條沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)定子端部放炮和線圈接地的現(xiàn)象，每年節(jié)約用于高壓電動機(jī)修理費(fèi)近百萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］ 韓軍，鄭建農(nóng)，劉德.磨煤機(jī)接地故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘原因分析及防范措施［J］.吉林電力，2015，43（3）：54－56.

［2］ 周鶚.電機(jī)學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，1994.

［3］ 任興權(quán).電力拖動基礎(chǔ)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1989.

［4］ 佟純厚.近代交流調(diào)速［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.