劉先俊，劉云勝，盧 路，徐易揚，楊璐萌

(1.中國華能集團巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 238015；2.中國能源建設(shè)集團安徽電力建設(shè)第二工程有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及控制理論的不斷成熟，變頻調(diào)速已逐步取代了直流調(diào)速，越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)電氣傳動領(lǐng)域，同時變頻器也具有良好的節(jié)能效果、完善的保護功能、靈活的編程能力等特點，能夠滿足絕大多數(shù)的工業(yè)領(lǐng)域各種應(yīng)用對交流調(diào)速的不同要求。隨著變頻器應(yīng)用范圍的擴大，運行中也出現(xiàn)了一些問題，本文就以某發(fā)電廠線路故障造成變頻器異常運行進行分析，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。

1 變頻器的工作原理

目前通用的變頻器主要為交—直—交型，交—交型變頻器盡管效率較高，但調(diào)頻范圍受到限制，應(yīng)用也受到限制。交—直—交型變頻器主電路一般分為三大部分，分別是整流器、濾波器和逆變器，主電路示意圖如圖1所示，工頻的交流電經(jīng)過整流器成為波動的直流電，再利用濾波器來濾波和穩(wěn)壓，變成穩(wěn)定的直流電，隨后逆變器通過PWM斬波的方法，輸出一系列可變脈寬的方波，通過對方波進行調(diào)制，已達到改變輸出電壓幅值和頻率的目的；控制電路主要是控制逆變器6個IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷、檢測主電路參數(shù)、提供變頻器和負載的保護等功能。在主回路和控制回路各元器件的配合下，變頻器按指令運行。

圖1 交—直—交型變頻器主電路示意圖

2 事故過程

2019年2月7日10時09分，某發(fā)電廠6kV補給水段工作電源#1開關(guān)跳閘，查看補給水段工作電源#1開關(guān)綜保裝置故障波形，波形如圖2所示，60ms時保護裝置啟動，B相電流突增至146.26A，C相電流突增至146.28A，B、C相電流方向相反，約95ms時，A相電流突增至146.26A，經(jīng)分析，判斷一次回路發(fā)生B、C相間短路，進一步發(fā)展為三相短路，現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)補給水段#1桿塔架空線B、C相避雷器接線端子裸露部分因新建鳥窩造成短路。故障導(dǎo)致除鹽水泵、干排渣清掃鏈、生活熱水循環(huán)泵等變頻器跳閘，而空氣預(yù)熱器變頻器運行正常。

圖2 補給水段工作電源#1開關(guān)綜保裝置故障波形

3 原因分析

故障時造成該發(fā)電廠整個6kV廠用電系統(tǒng)電壓最低降至60%額定電壓，變頻器直流母線電壓:UDC=400*0.6*1.414=339VDC，均小于除鹽水泵、干排渣清掃鏈、生活熱水循環(huán)泵等變頻器直流電壓關(guān)斷值，跳閘變頻器直流電壓關(guān)斷值見表1，變頻器“直流欠壓”保護動作。

表1 跳閘變頻器設(shè)備信息

為避免過大的啟動力矩對空氣預(yù)熱器導(dǎo)向軸承帶來的沖擊，空氣預(yù)熱器電機采用變頻器驅(qū)動，啟動后由變頻器保持在工頻頻率下運行?？諝忸A(yù)熱器變頻器使用ABB公司生產(chǎn)的ACS55001059A4系列，該變頻器直流電壓關(guān)斷值為360VDC，故障時變頻器直流母線理論電壓值為339VDC，理論上已達到“直流欠壓”停車閥值，而實際空氣預(yù)熱器變頻器運行正常。經(jīng)分析，空氣預(yù)熱器與除鹽水泵、干排渣清掃鏈等負載相比，區(qū)別在于其屬于大慣量負載，故障時空氣預(yù)熱器變頻器頻率減小的瞬間，空氣預(yù)熱器電動機的同步轉(zhuǎn)速ω1隨之下降，而由于機械慣性的原因，空氣預(yù)熱器電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速ω1小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω時，空氣預(yù)熱器電動機從電動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，空氣預(yù)熱器電動機再生的電能經(jīng)逆變器的續(xù)流二極管整流后反饋到直流電路，且無法通過整流器回饋到電網(wǎng)，導(dǎo)致電容器上有短時間的電荷堆積，形成“泵升電壓”[1]，使該變頻器直流母線實際電壓升高，因此空氣預(yù)熱器變頻器在事故時未發(fā)生“直流欠壓”保護動作。

4 預(yù)防措施

變頻器相比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)存在低電壓穿越能力不足等問題，當(dāng)電網(wǎng)由于故障造成電壓降低時，可能觸發(fā)變頻器低電壓保護跳閘閾值，從而設(shè)備停運。根據(jù)《發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低壓穿越技術(shù)規(guī)范》要求，變頻器在工作電壓分別跌落至20%持續(xù)時間不大于0.5s、60%持續(xù)時間不大于5s、90%持續(xù)時間不小于5s的情況下[2]，應(yīng)能夠可靠供電，以保障供電對象的安全運行?？諝忸A(yù)熱器是火力發(fā)電廠的Ⅰ類輔機設(shè)備，運行中跳閘將迫使機組降負荷或停運，該發(fā)電廠空氣預(yù)熱器變頻器在本次事故中雖沒跳閘，但運行方式已不滿足規(guī)范要求。針對上述問題，提出改造方案。

方案一：增加抗電壓擾動設(shè)備，具體主電路示意圖如圖3所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，空預(yù)器變頻器由交流母線供電，抗電壓擾動設(shè)備處于熱備用狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生低電壓穿越時，變頻器直流母線電壓低于抗電壓擾動設(shè)備輸出電壓，轉(zhuǎn)由抗電壓擾動設(shè)備給變頻器提供直流電，保證變頻器正常工作，同樣為火力發(fā)電廠的Ⅰ類輔機設(shè)備的給煤機，該發(fā)電廠已于2016年對其進行了抗電壓擾動改造，在本次故障中給煤機變頻器保持了穩(wěn)定運行。

圖3 方案一主電路示意圖

方案二：采用變頻啟動工頻運行，具體主電路示意圖如圖4所示。由于空氣預(yù)熱器正常啟動后不需要調(diào)速，如果一味使用變頻器進行驅(qū)動，不僅存在變頻器低電壓穿越能力不足的隱患，而且還造成額外的電能消耗。可通過對空氣預(yù)熱器電機增加一路工頻電源，空氣預(yù)熱器先采用變頻啟動，在電機頻率達到50Hz后，通過聯(lián)鎖邏輯，斷開變頻回路接觸器KM1，吸合工頻接觸器KM2，完成空氣預(yù)熱器電機由變頻電源供電向工頻電源供電的切換，從而避免了空氣預(yù)熱器變頻器運行中低電壓穿越能力不足的隱患。

圖4 方案二主電路示意圖

方案一相比方案二費用要高，購買一套抗電壓擾動設(shè)備大約需要15萬，方案二費用低但有局限性，僅適用于啟動后保持在50Hz恒速運行的系統(tǒng)。經(jīng)綜合考慮，方案二投資成本低且可行性較高，為解決該發(fā)電廠空氣預(yù)熱器變頻器隱患的最優(yōu)方案。

除現(xiàn)有改造外，對非Ⅰ類輔機設(shè)備的變頻器還可根據(jù)現(xiàn)場實際需要，通過調(diào)整變頻器相關(guān)參數(shù)或功能，如啟動欠壓故障自動復(fù)位功能，來提高類似故障發(fā)生時設(shè)備的可靠性以及工藝生產(chǎn)的連續(xù)性。

5 結(jié)束語

變頻器運行過程中，電網(wǎng)電壓短時跌落對其產(chǎn)生較大的影響，容易引起設(shè)備停運，本文以某發(fā)電廠為例，簡述了故障時除鹽水泵、干排渣清掃鏈、生活熱水循環(huán)泵等變頻器停運原因，重點分析了故障時空氣預(yù)熱器變頻器未停運原因，并指出了該發(fā)電廠空氣預(yù)熱器在現(xiàn)有運行方式下的隱患，提出可行性改造方案，通過改造解決空氣預(yù)熱器變頻器低電壓穿越能力不足的問題。