王志誠

（大唐陜西發(fā)電有限公司渭河熱電廠，陜西 咸陽 712085）

0 引言

晃電是指因電力系統(tǒng)遭遇雷擊、短路、大電動機(jī)集中直接啟動、電源故障切換或其他原因所引起的電網(wǎng)瞬間斷電或電壓波動，致使用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常的現(xiàn)象，不可預(yù)見是晃電的基本特性。

電壓短時(shí)間內(nèi)大幅度波動、供電短時(shí)中斷、電壓閃變等現(xiàn)象都屬于常見的晃電類型。生產(chǎn)現(xiàn)場典型的電壓波動表現(xiàn)為幅值驟降，時(shí)間一般在0.01～60 s，（電壓下降至標(biāo)稱電壓的10%～90%）；一般供電中斷時(shí)間在0.01～3 s 內(nèi)則為短時(shí)斷電；電壓發(fā)生閃變時(shí)，電壓波形一般呈規(guī)律性變化而電壓幅值則呈不確定性變化，直觀現(xiàn)象則是照明異常。

在火電廠中，主輔機(jī)系統(tǒng)低壓電動機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行是確?；痣姀S安全高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間不允許出現(xiàn)重要負(fù)荷因?yàn)楣╇娫驅(qū)е略O(shè)備停車事故。在生產(chǎn)現(xiàn)場低壓電動機(jī)電源系統(tǒng)容易受到多種因素影響，發(fā)生晃電致使運(yùn)行中的重要負(fù)荷停電，造成機(jī)組快速減負(fù)荷、機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)甚至造成電網(wǎng)故障范圍擴(kuò)大等惡性事故。因此，必須采取有效的防晃電技術(shù)來解決設(shè)備晃電再啟動、輔機(jī)變頻器防晃電等問題。

1 晃電對火電廠低壓電動機(jī)供電回路的影響

1.1 晃電對交流接觸器的影響

在火電廠中，交流接觸器被廣泛應(yīng)用在機(jī)組電動機(jī)控制中心（Motor Control Center，MCC）段、動力中心（Power Center，PC）段等低壓電動機(jī)控制回路中。當(dāng)其供電系統(tǒng)發(fā)生晃電時(shí)，交流接觸器將會偏離其正常工作電壓范圍，致使接觸器線圈對于鐵心的吸力由于電流的減少而減弱，這會使控制回路中的接觸器釋放斷開，造成運(yùn)行中的電動機(jī)停車，嚴(yán)重威脅燃料制粉及汽機(jī)潤滑等主輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。交流接觸器在其額定控制電源電壓的85%～110%之間任何值應(yīng)可靠閉合，當(dāng)交流接觸器線圈電壓在降到其額定電壓的50%時(shí)將會發(fā)生抖動；降到30%～40%時(shí)接觸器釋放斷開；在電壓降低到額定電壓的75%及以下時(shí)，一般持續(xù)幾個(gè)周期后接觸器也會釋放斷開［2］。

1.2 晃電對輔機(jī)變頻器的影響

火電廠生產(chǎn)指標(biāo)日趨苛刻，部分一類輔機(jī)比如給煤機(jī)、給粉機(jī)、空氣預(yù)熱器等［3］重要設(shè)備需要滿足軟啟動、精準(zhǔn)調(diào)速、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等能耗要求，故需采用變頻器回路供電。變頻器一般采用“交流—直流—交流”的工作鏈路，主要由控制電源回路和動力回路2部分組成，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生晃電現(xiàn)象時(shí)，低壓變頻器將會受到晃電影響觸發(fā)低電壓保護(hù)跳閘，從而導(dǎo)致給煤機(jī)等一類輔機(jī)設(shè)備停機(jī)，進(jìn)而造成機(jī)組停機(jī)或機(jī)組輸出功率大幅下降［4］。因此，火電廠輔機(jī)變頻器不具備高、低電壓穿越能力的問題已經(jīng)成為威脅火電廠安全運(yùn)行的重大隱患。

2 防晃電措施

火電廠生產(chǎn)過程具有設(shè)備不間斷運(yùn)行的特點(diǎn)，完成燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程需要大量主輔機(jī)設(shè)備協(xié)同工作。磨煤機(jī)油泵、送風(fēng)機(jī)潤滑油泵、機(jī)組頂軸油泵、給煤機(jī)等關(guān)鍵輔機(jī)分別接在火電廠MCC段、PC 段上。當(dāng)發(fā)生晃電時(shí)，由馬達(dá)保護(hù)器與接觸器組合的電動機(jī)控制回路會自動停車，采用變頻器控制的給煤機(jī)等輔機(jī)設(shè)備也會停車。在這種情況下電動機(jī)供電電源第一時(shí)間恢復(fù)正常后其不會自行啟動，必須人為介入啟動?；痣姀S相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備缺乏相應(yīng)的防晃電措施，導(dǎo)致設(shè)備跳閘后無法繼續(xù)保證連續(xù)生產(chǎn)。

在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間，生產(chǎn)現(xiàn)場一類輔機(jī)運(yùn)行中停車后，一方面將會觸發(fā)相關(guān)邏輯保護(hù)動作，進(jìn)而造成機(jī)組跳閘或出力大幅降低；另一方面不利于系統(tǒng)故障的快速消除，會使電網(wǎng)故障范圍擴(kuò)大，增加潛在風(fēng)險(xiǎn)隱患。此外，文獻(xiàn)［3］對火電廠輔機(jī)低電壓穿越提出明確技術(shù)要求?；诖耍痣姀S相關(guān)設(shè)備采取防晃電措施是十分必要的。

2.1 交流接觸器防晃電措施

1）方案1 為采用斷電延時(shí)時(shí)間繼電器。

如圖1 所示，電動機(jī)因晃電停機(jī)后，當(dāng)電源電壓在時(shí)間繼電器定值整定時(shí)間段內(nèi)恢復(fù)正常時(shí)，在時(shí)間繼電器延時(shí)斷開觸點(diǎn)及其控制回路的作用下電動機(jī)將即刻運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)晃電后電動機(jī)的自啟動。圖1 中SB1、SB2、KT、KM、KA 依次分別為啟動、停止按鈕，時(shí)間繼電器，接觸器線圈，中間繼電器。

圖1 電動機(jī)自啟動原理

2）方案2 為采用防晃電交流接觸器。

如圖2 所示，防晃電接觸器內(nèi)部含有一個(gè)雙線圈結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)電源正常時(shí)，F(xiàn)S 接觸器內(nèi)置模塊將處于儲能狀態(tài)，接觸器的啟動（SB1）、停止（SB2）和普通接觸器操作方法一樣，當(dāng)發(fā)生晃電致使FS 接觸器線圈上的工作電壓降低到其維持電壓門檻下限值時(shí)，F(xiàn)S 接觸器內(nèi)部儲能將通過特定方式立即介入補(bǔ)償接觸器線圈工作電壓，從而實(shí)現(xiàn)FS 接觸器線圈繼續(xù)勵(lì)磁吸合。當(dāng)系統(tǒng)電源恢復(fù)正常以后，內(nèi)置控制模塊將再次轉(zhuǎn)入儲能狀態(tài)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)設(shè)備防晃電的目的。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，接觸器內(nèi)部電容短接（A1、A3 導(dǎo)通）釋放儲存的能量，確?？煽客C(jī)。

圖2 FS 防晃電交流接觸器工作原理

3）方案3 為采用具備欠壓重啟動功能的馬達(dá)保護(hù)器裝置。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，馬達(dá)保護(hù)器裝置欠壓重啟動功能已完善且其具有較強(qiáng)的防晃電能力（工作電源范圍80～265 V）。圖3 中，馬達(dá)保護(hù)器裝置電源（38、39 端子）由外置電源模塊提供，可保證系統(tǒng)電源斷電后馬達(dá)保護(hù)器正常工作9 s。系統(tǒng)電源正常時(shí)，保護(hù)器內(nèi)部繼電器接點(diǎn)（21、22）接通，接觸器（KM）勵(lì)磁后保持閉合，電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在晃電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)接觸器釋放斷開且其系統(tǒng)電源在9 s 內(nèi)恢復(fù)，滿足馬達(dá)保護(hù)器欠壓重啟定值時(shí)則保護(hù)器自動發(fā)出合閘指令，此時(shí)接觸器將勵(lì)磁吸合處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的重啟，達(dá)到了安全防晃電的目的。電動機(jī)正常的啟停及保護(hù)動作均閉鎖馬達(dá)保護(hù)器欠壓重啟動功能。

圖3 帶欠壓重啟動功能的保護(hù)器接線

上述交流接觸器3 種常見防晃電方案都不同程度地實(shí)現(xiàn)了防晃電功能，其安全性和優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。可見，采用具備欠壓重啟動功能的馬達(dá)保護(hù)器裝置作為防晃電措施，具有經(jīng)濟(jì)可靠、改造簡單、可實(shí)現(xiàn)分批再啟動、智能化狀態(tài)自檢與故障診斷、長運(yùn)行壽命等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 輔機(jī)變頻器防晃電技術(shù)

1）方案1 為串聯(lián)動態(tài)電壓恢復(fù)裝置交流補(bǔ)償。

在變頻器的交流輸入端與交流進(jìn)線端串聯(lián)動態(tài)電壓恢復(fù)裝置（Dynamic Voltage Restorer，DVR），如圖4 所示。該裝置由整流器、逆變器、儲能裝置等器件組成。通過裝置內(nèi)部元器件組成的控制回路精準(zhǔn)控制逆變器等電力電子器件工作，實(shí)現(xiàn)了變頻器直流母線電壓恒定。當(dāng)電源電壓跌落時(shí)，DVR 輸出三相補(bǔ)償電壓，確保變頻器交流輸入電壓不受其電源電壓跌落影響，避免變頻器異常運(yùn)行而跳閘［5］。

表1 交流接觸器常見防晃電技術(shù)的性能與優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖4 變頻器交流補(bǔ)償工作原理

2）方案2 為加低電壓穿越裝置直流補(bǔ)償。

由于變頻器功率輸出取自其直流母線，因而在變頻器直流母線側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償供電是應(yīng)對其電源電壓跌落導(dǎo)致變頻器閉鎖輸出的有效方法。變頻器低電壓穿越裝置直流補(bǔ)償?shù)牡湫驮砣鐖D5 所示。變頻器低電壓穿越裝置動力電源采用交直流均可（采用直流電源供電，可滿足極端情況下實(shí)現(xiàn)電源電壓降至0 V 輔機(jī)變頻器的無擾動連續(xù)運(yùn)行）。正常工作情況下，變頻器工作電源由交流供電回路提供，低電壓穿裝置處于旁路熱備用狀態(tài)，變頻器正常運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)電源電壓發(fā)生晃電時(shí)，低電壓穿越裝置立即響應(yīng)并捕捉其系統(tǒng)電壓波動趨勢，當(dāng)達(dá)到低電壓穿越裝置動作設(shè)定值時(shí)，裝置升壓回路立即投入運(yùn)行，維持到晃電發(fā)生前變頻器正常輸出工況，確保輔機(jī)變頻器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在系統(tǒng)電源電壓恢復(fù)正常后，低電壓穿越裝置將處于旁路熱備用狀態(tài)，交流供電回路繼續(xù)提供變頻器工作所需電源，從而實(shí)現(xiàn)了無擾動切換，不會對變頻器造成沖擊。

圖5 輔機(jī)變頻器低電壓穿越裝置工作原理

3）方案3 為前端串聯(lián)交流不間斷電源（UPS）。

UPS 可在電源瞬間停電或失壓后，穩(wěn)定地向負(fù)載提供數(shù)十分鐘的電能。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS 將市電整流逆變后供應(yīng)給負(fù)載使用；當(dāng)市電故障時(shí)，UPS 立即將備用直流電源通過逆變器轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的工頻電流輸出向負(fù)載繼續(xù)供電，在變頻器的前端串聯(lián)交流不間斷電源，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備無擾動切換供電，典型工作原理如圖6 所示。

圖6 變頻器前端串聯(lián)交流不間斷電源工作原理

上述輔機(jī)變頻器3 種常見防晃電方案都不同程度地實(shí)現(xiàn)了防晃電功能，其安全性和優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2?？梢?，輔機(jī)變頻器加裝低電壓穿越裝置作為防晃電措施，裝置平時(shí)處于熱備用狀態(tài)，具有可靠性高、使用壽命長、運(yùn)維成本低等優(yōu)點(diǎn)。

某火電廠廠用低壓電動機(jī)供電回路廣泛采用馬達(dá)保護(hù)器與交流接觸器相結(jié)合的配置方案，不具備防晃電功能。按照馬達(dá)保護(hù)器欠壓重啟動技術(shù)方案擇機(jī)對2 臺機(jī)組所屬的送風(fēng)機(jī)油泵、頂軸油泵、磨煤機(jī)潤滑油泵、引風(fēng)機(jī)軸承冷卻風(fēng)機(jī)等共計(jì)30 臺重要負(fù)荷進(jìn)行升級改造，即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)器重啟動功能，保證電動機(jī)晃電后的再啟動，亦可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)分批啟動。

表2 變頻器常見防晃電技術(shù)的性能與優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 臺機(jī)組各配置5 臺給煤機(jī)，采用無防晃電功能的某型號變頻器進(jìn)行控制。從生產(chǎn)應(yīng)用的角度對10臺給煤機(jī)變頻器進(jìn)行技術(shù)改造，使其滿足發(fā)電廠及變電站輔機(jī)變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范要求。

2018-08-20T16∶49∶00，該火電廠6 kV IIA 段弧光保護(hù)告警，2A 循泵過熱保護(hù)動作、速斷保護(hù)動作跳閘，高壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置報(bào)文顯示過熱跳閘、速斷動作，動作電流Imax=178.866 A（折算成一次電流約10 740 A），保護(hù)動作時(shí)間約75 ms，電機(jī)就地接線盒處存在明顯電弧燒損痕跡。經(jīng)查詢當(dāng)時(shí)系統(tǒng)（設(shè)備）運(yùn)行方式，調(diào)閱2 號機(jī)組故障錄波器相關(guān)報(bào)文，本次故障持續(xù)約180 ms，2 號機(jī)廠用6 kV IIA 段電壓最低降到約35%，電壓波動大，造成廠用380 V 多臺設(shè)備跳閘、聯(lián)啟，但已采取防晃電措施的設(shè)備經(jīng)受住了考驗(yàn)，未造成故障范圍擴(kuò)大避免了機(jī)組跳閘或出力大幅降低事故的發(fā)生。表3 所示為此次2 號機(jī)組

表3 2 號機(jī)組廠用IIA 段380 V 設(shè)備動作情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

火電廠低壓電動機(jī)供電回路采用馬達(dá)保護(hù)器欠壓重啟動技術(shù)是對其電源系統(tǒng)發(fā)生晃電后交流接觸器斷開的補(bǔ)救措施之一。此外，火電廠給煤機(jī)等輔機(jī)變頻器加裝低電壓穿越裝置（直流補(bǔ)償），可以有效避免由于廠用電源系統(tǒng)發(fā)生晃電造成的變頻器保護(hù)動作閉鎖輸出，從而避免機(jī)組出力大幅降低甚至機(jī)組跳閘事故。防晃電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，夯實(shí)了火電廠主輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，減小了設(shè)備因晃電而造成的不良影響，可有效提高火電廠及電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。