高建民

（晉控電力山西同達熱電有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

我國發(fā)電企業(yè)為了滿足社會生產(chǎn)與居民生活的用電需求，在對火力發(fā)電機輔助機進行設(shè)計時廣泛使用變頻技術(shù)。在發(fā)電機中使用變頻器可以實現(xiàn)發(fā)電機無極調(diào)速、輔助機軟啟動以及成本經(jīng)濟性等諸多優(yōu)勢。盡管在火力發(fā)電機輔助機設(shè)計時使用變頻器具有諸多優(yōu)勢，但是在實際的電力生產(chǎn)過程中，我國有相當(dāng)一部分火力發(fā)電機輔助機變頻器不具有良好的低電壓穿越能力，更有甚者根本無法完成低電壓穿越。

因為低電壓穿越效果的不理想，所以在我國火力發(fā)電企業(yè)頻繁出現(xiàn)因系統(tǒng)故障造成火電發(fā)電機組停機事故，造成大范圍、長時間停電，給社會生產(chǎn)、發(fā)電企業(yè)以及人民生活造成嚴(yán)重損失。究其故障原因，是因為在短時間內(nèi)電壓過低或者是短時間內(nèi)變頻器因各種故障狀態(tài)下導(dǎo)致低電壓發(fā)生無法穿越而終止運行，輕則導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)被迫降負荷，重則導(dǎo)致各種保護動作停機。

我國火電廠因為電壓過低引起的跳機事故引起國家電網(wǎng)的高度重視，停機引發(fā)的電力故障給社會生產(chǎn)和人民生活造成的嚴(yán)重損失是無法挽回的。因此，本次研究火電機組低壓穿越能力差的問題，提出改進措施，提升火電機組低電壓穿越能力，確?；痣姍C組正常運行，降低故障率，確保社會正常生產(chǎn)與人民幸福生活。

1 中電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司停機事故

早在2020年10月13日凌晨，中電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司發(fā)生了一場機組被迫降負荷事故。#2機組10 kV A段廠用電配電柜因過電壓保護器在運行過程中被擊穿，本配電柜因出線側(cè)電纜單相接地短路而跳閘，10 kV A段電壓瞬間被拉低，進而造成#2機組的#1一次風(fēng)機和#1二次風(fēng)機變頻器出現(xiàn)重度故障，最終因變頻器無法躲過瞬時低電壓而跳閘，導(dǎo)致鍋爐因風(fēng)量不夠被迫降負荷運行。

工作人員經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，#2機10 kV A段變電源配電柜過電壓保護器接地故障，啟動過流保護跳閘，即本次異常跳閘是出于保護目的引起的。進一步分析發(fā)現(xiàn)，本次故障的根本源頭在#2機10 kV A段變電源配電柜投運不久，過電壓保護器A相擊穿導(dǎo)致單相接地。如果不能及時制止這種故障現(xiàn)象，短路故障就會進一步發(fā)展為三相，并且會出現(xiàn)極大的短路電流。

當(dāng)火電機組因電壓過低發(fā)生故障后，電壓為10 kV的電動機在35 ms內(nèi)跳閘電流保護。開展試驗的過程中需要結(jié)合斷路器的自身性質(zhì)進行分閘，時間控制在40 ms以內(nèi)。通過故障錄波器觀測電壓形成的波形，作為數(shù)據(jù)分析依據(jù)。經(jīng)初步分析，故障切除時間約為60 ms，故障在發(fā)生階段#2機10 kV A段電壓相位最低電壓下降至1.3 kV。

#1一次風(fēng)機變頻器電流Imax=198 A，#1二次風(fēng)機變頻器電流Imax=108 A，此時電流過低，10 kV A段變電源配電柜過電壓保護器故障時拉低電壓，故障發(fā)生60 ms內(nèi)切除本段所帶的#1一次風(fēng)機和#1二次風(fēng)機，機組出現(xiàn)因風(fēng)量不足被迫降負荷事故。

2 變頻器結(jié)構(gòu)與模型

常用的變頻器由控制單元、整流器、平波電抗器、續(xù)流晶閘管以及逆變器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻器結(jié)構(gòu)

在變頻器的工作過程中，輸入電壓整流和濾波的工作都由主回路負責(zé)，控制回路結(jié)合外界指令展開運算，實現(xiàn)對逆變功率模塊的控制，從而以盡可能精確的速度響應(yīng)電機運行場合。主回路電流與交流輸出需要展開檢測運算[1]。變頻器主回路發(fā)生過壓和過流等異?，F(xiàn)象會造成部分元件不可逆性損壞，因此才設(shè)置保護回路，同時對異步電機與傳動設(shè)備起到保護[2]。

常見的電壓源型變頻器均使用半橋和全橋結(jié)構(gòu)，本次研究中數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建以圖2所示的單相全橋逆變電路為準(zhǔn)，狀態(tài)變量選擇為電感電流iL與電容電壓uC，輸入變量選擇逆變橋中點輸出電壓us與輸出電流i0[3]。

圖2 單相全橋逆變電路

3 關(guān)于變頻器的低電壓穿越

3.1 現(xiàn)階段輔機變壓器低壓穿越的狀況

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)低壓故障、設(shè)備啟動以及備自投切換狀況時，由于短時間內(nèi)通過的電流過大因此會出現(xiàn)沖擊和過熱現(xiàn)象。沖擊過大或溫度過高過電壓保護器就會被瞬間擊穿燒毀，電壓變化將不再受到控制[4]。電壓在短時間內(nèi)或者是瞬間小于變頻器低電壓保護值整值，出現(xiàn)電纜側(cè)接地和三相短路故障現(xiàn)象，本段母線所帶的風(fēng)機變頻器同樣受到牽連，從而會引發(fā)低壓變頻器因無法躲過瞬間低電壓，啟動保護動作，變頻器跳停[5]。

3.2 變頻器低壓穿越接線原理

需要切斷接受測試的火電機組變頻器電源，展開接線實驗，電壓暫降發(fā)生器在變頻器輸入空開的兩側(cè)接入[6]。電量分析儀與變頻輸入和輸出電壓信號相接，分析變頻器的輸入電流與輸入電壓。

變頻器輸入處于空開的狀態(tài)下，閉合輔機變頻器的電源，調(diào)整電壓暫降發(fā)生器到正常輸出電壓，直至變頻器運作正常。輔助電機啟動，調(diào)整載荷，電壓暫降發(fā)生器輸出電壓調(diào)整至20%，在0.5 s狀態(tài)下開始低壓穿越實驗。然后將電壓暫降發(fā)生器輸出電壓調(diào)整至60%，同樣在5 s狀態(tài)下開始低壓穿越實驗[7]。

4 中電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司輔機變頻器低壓穿越實驗

當(dāng)電壓暫降發(fā)生器的輸出電壓為給煤機變頻器的實際輸入電壓，下降至額定電壓60%，此時低壓穿越中斷，一次風(fēng)機和二次風(fēng)機變頻器也停止運行，此時輸出功率為0[8]。電壓暫降發(fā)生器的輸出電壓與一次風(fēng)機和二次風(fēng)機變頻器輸入電壓相等，即額定電壓的60%時，一次風(fēng)機與二次風(fēng)機變頻器也停止運行，此時輸出功率為0，7 s后再次啟動電壓暫降發(fā)生器，變頻器實際輸入電壓仍為額定電壓的60%，理想持續(xù)運行時間為5 s，此時發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)機和二次風(fēng)機變頻器并不能滿足低壓穿越實驗實際要求。

當(dāng)一次風(fēng)機和二次風(fēng)機變頻器停止運行時，此時的實際輸出功率為0。在2.5 s內(nèi)，啟動變頻器同時電壓波動超過10%，變頻器實際輸入電壓下降至額定電壓20%時斷電，一次風(fēng)機和二次風(fēng)機變頻器停止運行，此時輸出功率為0[9]。結(jié)合實際生產(chǎn)需求，發(fā)現(xiàn)無論是一次風(fēng)機變頻器還是二次風(fēng)機變頻器都不符合實驗要求的電壓下降至額定電壓20%狀態(tài)下的電壓穿越效果。

低壓穿越電源系統(tǒng)的優(yōu)點主要是通過電廠直接向變頻器提供電量，并且接線相當(dāng)快捷，對動切換不會造成干擾，在電壓下降至額定電壓1/4，時間超過20 ms～10 s時，變頻器的運行將被中斷，在低壓狀態(tài)下為實現(xiàn)穿越可以為電源添加少量的蓄電池[10]。

5 結(jié) 論

本次研究對火電廠10 kV高壓變頻設(shè)備的低電壓穿越能力進行分析。以中電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司停機事故為案例，分析變頻器低壓穿越無法順利進行引發(fā)的故障，分析了變頻器結(jié)構(gòu)，建立了模型，還闡述了變頻器的低電壓穿越，包括對問題闡述、分析現(xiàn)階段輔機變頻器低壓穿越的狀況以及介紹變頻器低壓穿越接線原理。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在電壓下降至額定電壓1/4，時間超過20 ms～10 s時，變頻器的運行將被中斷。在低壓狀態(tài)下可供應(yīng)少量的蓄電池電源，由此實現(xiàn)有效的低壓穿越。