高壓變頻裝置運(yùn)行中存在的問(wèn)題分析及對(duì)策

王會(huì)勤，謝葛尚

（浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

為降低廠用電耗能，某廠5、6號(hào)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)和凝泵電動(dòng)機(jī)安裝了日立公司產(chǎn)DHVECTOL-HI系列變頻器。據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析，一次風(fēng)機(jī)和凝泵的節(jié)電率分別為31.5%和56.9%，節(jié)能效果顯著。但是，高壓變頻器投用也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，如廠用電系統(tǒng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器瞬停的影響、變頻器的散熱冷卻及凝泵變頻的接線方式等。這些問(wèn)題應(yīng)引起重視，并采取必要的防范及改進(jìn)措施。

1 變頻器瞬停故障

某日因220 kV電網(wǎng)故障，6號(hào)機(jī)廠用電系統(tǒng)電壓突降。故障錄波器記錄顯示，6 kV 6A段母線電壓降至86.17%，6 kV 6B段母線電壓降至86.08%，持續(xù)時(shí)間40 ms。6號(hào)A、B一次風(fēng)機(jī)變頻器輕故障報(bào)警，瞬停保護(hù)啟動(dòng)。

根據(jù)廠家提供的相關(guān)資料得知，變頻器檢測(cè)到主電源故障即停止輸出，電動(dòng)機(jī)處于自由惰走狀態(tài)。若主電源2 s內(nèi)恢復(fù)正常，變頻器恢復(fù)輸出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)正常。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，自高壓變頻器投入運(yùn)行以來(lái)，瞬停保護(hù)頻繁發(fā)生。因外部故障而造成的瞬停達(dá)11次，因大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的瞬停為1次，可見(jiàn)廠用電系統(tǒng)電壓波動(dòng)對(duì)高壓變頻器運(yùn)行的影響很大。

2 影響變頻器瞬停保護(hù)的因素

2.1 變頻器瞬停保護(hù)動(dòng)作原理及作用

變頻器在輸入側(cè)設(shè)置一隔離移相變壓器，將高壓的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟M低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到一個(gè)功率單元 （見(jiàn)圖1），經(jīng)整流、濾波變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過(guò)逆變成為交流電，逆變器由4個(gè)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）構(gòu)成。若干功率單元的交流輸出串接形成高壓的交流電源。6 kV電壓等級(jí)變頻器每相有8組單元串聯(lián)疊加輸出，波形非常接近于正弦波。

圖1 變頻器功率單元結(jié)構(gòu)圖

功率單元整流器DS的輸入電壓隨著變頻器主電源電壓的下降而下降，因整流器輸出端的電容器有較強(qiáng)的儲(chǔ)能功能，電容器的端電壓下降不明顯。當(dāng)功率單元整流器DS的輸入電壓快速下降到一定值時(shí)，整流橋上二極管因正向電壓太低而不能導(dǎo)通，整流器停止輸出。若此時(shí)逆變器仍保持工作狀態(tài)，則由電容器暫時(shí)單獨(dú)向逆變器提供能量，電容器上的能量急劇減少，電壓迅速下降。待整流器DS的輸入電壓恢復(fù)至一定值時(shí)，整流橋上二極管因正向電壓足夠大再次導(dǎo)通，整流器重新產(chǎn)生輸出。

當(dāng)變頻器檢測(cè)到主電源電壓＜80%，即停止輸出，電動(dòng)機(jī)自由惰走，如果主電源電壓恢復(fù)至＞90%，則變頻器立即跟蹤電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，重新產(chǎn)生輸出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)正常設(shè)定值，若主電源電壓2 s內(nèi)未達(dá)到90%，則變頻器跳閘，重故障報(bào)警。變頻器主電源電壓降低到一定值，變頻器停止輸出是為了保護(hù)變頻設(shè)備必須采取的措施。

在發(fā)電廠的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，引起變頻器主電源電壓突變的因素很多，如母線電源切換、大容量電動(dòng)機(jī)啟停及外部故障切除等。若變頻器經(jīng)常性出現(xiàn)停運(yùn)將嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 廠用電系統(tǒng)電源切換的影響

目前廠用電源快速切換裝置已在大容量發(fā)電機(jī)組廠用電系統(tǒng)中廣泛使用。各種類(lèi)型切換裝置一般都具有并聯(lián)快速切換、串聯(lián)快速切換、同期捕捉及低電壓或工作電源偷跳觸發(fā)的非正常切換功能。

目前各類(lèi)微機(jī)型的電源快速切換裝置可靠性都較高，一般情況下均能完成快速切換，同期捕捉及非正常切換在實(shí)際運(yùn)行中很少發(fā)生。母線電壓最?lèi)毫拥那闆r為串聯(lián)快速切換時(shí)有大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。切換時(shí)的電壓波動(dòng)將導(dǎo)致母線電壓低至80%以下，從目前了解的情況來(lái)看，無(wú)論進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)變頻器均無(wú)法承受這一電壓擾動(dòng)。

2.3 大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響

大容量電動(dòng)機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流將達(dá)到5～7倍的額定電流，同時(shí)將導(dǎo)致母線電壓較大幅度下降，整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間將達(dá)到10～15 s。在6 kV母線正常運(yùn)行狀態(tài)下，大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起母線電壓的下降值，可用下式計(jì)算 （忽略預(yù)接負(fù)荷及線路阻抗）：

式中：Ks為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)；Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流；Xxt為電源的計(jì)算電抗。

大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)6 kV母線電壓影響的計(jì)算結(jié)果如表1所示，在不同運(yùn)行方式下，其最大的電壓下降值約為20%的額定電壓。

表1 大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)6 kV母線電壓的影響%Ue

根據(jù)故障錄波器的記錄，正常運(yùn)行狀態(tài)下（最大運(yùn)行方式），電動(dòng)給水泵空載啟動(dòng)后，6 kV母線電壓下降11%～14%，增壓風(fēng)機(jī)空載啟動(dòng)后，6 kV母線電壓下降9%～12%。據(jù)此分析，大容量電動(dòng)機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，雖然啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但6 kV母線電壓基本能維持在80%以上。

2.4 外部故障的影響

當(dāng)廠用電系統(tǒng)或相連電網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，將造成6 kV母線電壓驟降。由于故障類(lèi)型、故障點(diǎn)位置及開(kāi)關(guān)類(lèi)型不同，母線電壓恢復(fù)時(shí)間也不相同。各類(lèi)廠用電系統(tǒng)故障中，以同一母線相鄰一次回路發(fā)生三相短路故障影響最為惡劣。電網(wǎng)故障以線路在220 kV母線附近發(fā)生三相短路故障影響最為惡劣。

外部故障對(duì)母線電壓波動(dòng)的幅值影響很大，但持續(xù)的時(shí)間都較短，主要是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的固有分閘時(shí)間都較短，一般小于50 ms。微機(jī)型的保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間一般小于30 ms。故障切除后，母線電壓的恢復(fù)過(guò)程一般只需3～5個(gè)周波。變頻器無(wú)法躲過(guò)此類(lèi)干擾，因此瞬停保護(hù)的動(dòng)作電壓設(shè)定必須與動(dòng)作延時(shí)設(shè)定密切配合。

2.5 變頻器瞬停影響的對(duì)策

綜合以上分析，為防止變頻器頻繁進(jìn)入瞬停狀態(tài)，應(yīng)對(duì)其保護(hù)的整定參數(shù)進(jìn)行修改。在保證變頻器安全運(yùn)行的前提下，瞬停保護(hù)動(dòng)作電壓設(shè)為額定電壓的65%～80%，延時(shí)設(shè)為2～3 s較為合適。

針對(duì)變頻裝置在運(yùn)行中瞬停保護(hù)動(dòng)作過(guò)于頻繁的問(wèn)題，在保證變頻裝置安全運(yùn)行的前提下，將變頻器的瞬停動(dòng)作電壓整定值由80%降至75%，恢復(fù)延時(shí)仍為2 s。

結(jié)合設(shè)備檢修機(jī)會(huì)，對(duì)三期6套變頻裝置的瞬停保護(hù)參數(shù)進(jìn)行了修改。保護(hù)參數(shù)改進(jìn)后，變頻裝置運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生瞬停現(xiàn)象，保證了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

3 其它問(wèn)題及對(duì)策

3.1 高壓變頻器散熱

為了提高高壓大功率變頻器的應(yīng)用穩(wěn)定性，解決變頻器散熱問(wèn)題，目前均采用密閉式空調(diào)冷卻。一次風(fēng)機(jī)變頻器室建造在相應(yīng)空預(yù)器下面，并且靠近出灰設(shè)備，空氣中含塵量大，不利于空調(diào)的運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行中曾多次出現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)變頻器室空調(diào)的室外機(jī)散熱片被灰塵堵塞，造成所有空調(diào)停運(yùn)，變頻器室溫度突升至40℃，因運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理才未造成變頻器跳閘。

目前使用的空調(diào)不具備電源恢復(fù)后的自啟動(dòng)功能。在廠用電系統(tǒng)切換過(guò)程中，空調(diào)在電壓較低時(shí)將自動(dòng)停運(yùn)，電壓恢復(fù)后并不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，使變頻器的安全運(yùn)行存在較大隱患。

要提高空調(diào)工作的可靠性，可選用在電源停止恢復(fù)后可自啟動(dòng)的工業(yè)空調(diào)，在變頻裝置運(yùn)行時(shí)，需對(duì)空調(diào)的運(yùn)行加強(qiáng)檢查和維護(hù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。另外，也可改變變頻器冷卻方式的設(shè)計(jì)，由密閉式空調(diào)冷卻改為通風(fēng)冷卻。

3.2 凝泵變頻器的接線方式

因機(jī)組的凝泵設(shè)計(jì)為一用一備，考慮經(jīng)濟(jì)性，變頻器改造時(shí)只對(duì)其中一臺(tái)泵配置變頻器。這樣會(huì)造成一臺(tái)泵長(zhǎng)期運(yùn)行，而另一臺(tái)泵處于備用狀態(tài)，基本不運(yùn)行，運(yùn)行方式不合理?？蓪?duì)凝泵的變頻器一次接線方式進(jìn)行改造，增加切換回路并修改相應(yīng)的熱工邏輯，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)變頻器帶任何一臺(tái)凝泵運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

配置高壓變頻器的輔機(jī)一般都是重要輔機(jī)，這些輔機(jī)的事故停運(yùn)極有可能造成機(jī)組大幅甩負(fù)荷，甚至引起機(jī)組事故停運(yùn)，其損失遠(yuǎn)非節(jié)能效益可以彌補(bǔ)的。因此，機(jī)組及設(shè)備的安全可靠運(yùn)行更為重要。在高壓變頻器運(yùn)行中要充分考慮上述問(wèn)題，保證變頻裝置的安全可靠運(yùn)行，切實(shí)發(fā)揮節(jié)能作用。

[1]東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司.DHVECTOL-HI用戶使用手冊(cè)[G].

[2]劉一福，周東生，李必偉.發(fā)電廠應(yīng)用高壓變頻節(jié)能改造的若干問(wèn)題[J].電力設(shè)備，2007，8（9）:53-56.