國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在百萬(wàn)機(jī)組的運(yùn)行可靠性研究

趙曙偉

（神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東臺(tái)山529228）

國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在百萬(wàn)機(jī)組的運(yùn)行可靠性研究

趙曙偉

（神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東臺(tái)山529228）

廣東臺(tái)山電廠二期2臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組的凝結(jié)水泵使用了國(guó)產(chǎn)高壓變頻器，為了提高運(yùn)行可靠性，需要從設(shè)計(jì)選型、運(yùn)行控制、日常維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析并采取相應(yīng)的預(yù)控措施，通過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況和應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行闡述，提出對(duì)提高高壓變頻器運(yùn)行可靠性的一些注意事項(xiàng)，最終達(dá)到了提高凝結(jié)水系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性的目的。

高壓變頻器；百萬(wàn)機(jī)組；可靠性

1 引言

為降低廠用電能耗，廣東臺(tái)山電廠二期2臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組的凝結(jié)水泵使用了變頻控制，每臺(tái)機(jī)組有3臺(tái)1 600kW的50%容量凝結(jié)水泵，其中A，B泵使用了某公司MLVERΤ-D06/2100.B（額定功率2 100kV·A，額定電流200 A，額定電壓6kV）高壓變頻器，C泵使用的是工頻泵。正常運(yùn)行方式下，2臺(tái)變頻泵運(yùn)行、工頻泵備用。通過(guò)2 a多來(lái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，A，B 2臺(tái)凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行時(shí)日耗電量約為5.1～6.4萬(wàn)kW·h，而A，B 2臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行時(shí)日耗電量約為3.8～4.4萬(wàn)kW·h，體現(xiàn)出變頻器較好的節(jié)能效果，由此也帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

鑒于凝結(jié)水泵在火電機(jī)組中的重要性和節(jié)能工作的必要性，如何充分發(fā)揮高壓變頻器的作用、如何保證高壓變頻器的運(yùn)行可靠性就顯得尤為重要，另外高壓變頻器的核心元器件如功率模塊、主控箱等價(jià)格不菲。由此可以看出，如果變頻器運(yùn)行不穩(wěn)定或發(fā)生故障將會(huì)給機(jī)組帶來(lái)一定的安全威脅以及昂貴的維護(hù)成本，就會(huì)削弱變頻器帶來(lái)的節(jié)能成果。因此必須從各方面加強(qiáng)對(duì)高壓變頻器運(yùn)行可靠性的研究。

2 系統(tǒng)概述

凝結(jié)水泵高壓變頻器為直接“高-高”型，設(shè)計(jì)原理是將電網(wǎng)送來(lái)的三相6kV/50Hz交流電經(jīng)移相變壓器，供電給18個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊的額定輸出電壓為577 V，相鄰功率模塊的輸出連接起來(lái)，每相6個(gè)功率模塊進(jìn)行疊加，使得高壓變頻器的額定輸出相電壓為3 464 V。三相共18個(gè)功率模塊，形成Y連接結(jié)構(gòu)，使得線電壓為6 000 V，直接供給電動(dòng)機(jī)。變頻器疊加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻器疊加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Converter overlay topology

其中移相變壓器為Y/Yn/△接線方式，二次△側(cè)共18套副邊繞組，采用延邊三角形連接，每相分為6個(gè)不同的相位組，互差10°（電角度），分別為±5°，±15°，±25°移相角度。凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)圖Fig.2 High voltage frequency conversion of condensate pump system diagram

3 設(shè)計(jì)選型可靠性分析

3.1 額定電流

國(guó)產(chǎn)主流品牌的高壓變頻器多采用多級(jí)電容串聯(lián)實(shí)現(xiàn)整流后的升壓，大功率電力電子元件（整流逆變單元）都采用IGBΤ。單只IGBΤ的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5～2倍以上，因此凝結(jié)水泵MLVERΤ-D06/2100.B變頻器選擇的IGBΤ額定電流為450 A，達(dá)到2.25倍變頻器額定電流，具有一定的安全裕度。

3.2 過(guò)載能力

高壓變頻器的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流并有足夠的安全裕度，且能達(dá)到150%，1 min的過(guò)載能力，才能避免由于工況急劇變化時(shí)，引起變頻器過(guò)載、停機(jī)或閉鎖輸出。所以根據(jù)凝結(jié)水泵171 A的額定電流，選用的變頻器額定電流為200 A，并具有256.5 A（150%電動(dòng)機(jī)額定電流、128%變頻器額定電流）、60 s的過(guò)載能力。

3.3 過(guò)電壓能力

當(dāng)發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)突然甩去全部負(fù)荷，電樞反應(yīng)突然消失，此時(shí)由于調(diào)整系統(tǒng)和自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)整裝置都是由慣性環(huán)節(jié)組成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仍將升高，而勵(lì)磁電流不能突變，使得發(fā)電機(jī)電壓在短時(shí)間內(nèi)要升高，6kV廠用母線電壓也會(huì)隨之升高，因此高壓變頻器必須具備承受一定過(guò)電壓的能力。凝結(jié)水泵高壓變頻器在額定輸入電壓（6kV）±10%范圍內(nèi)可保持正常運(yùn)行，1.2倍額定輸入電壓時(shí)無(wú)時(shí)限過(guò)壓報(bào)警，單個(gè)功率模塊過(guò)壓旁通運(yùn)行，多個(gè)功率模塊同時(shí)過(guò)壓變頻器則會(huì)系統(tǒng)重故障而停機(jī)。

臺(tái)山電廠二期百萬(wàn)機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)6kV母線相電壓最高約至3.79kV，為變頻器額定輸入電壓的1.1倍；100%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，6kV母線相電壓最高約至3.81kV，為變頻器額定輸入電壓的1.1倍。由以上數(shù)據(jù)可看出，變頻器的過(guò)電壓能力基本滿足100%甩負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行要求，但是安全裕度不大。據(jù)此分析，因?yàn)?kV廠用母線額定電壓為6.3kV，而變頻器的額定輸入電壓為6kV，使其在正常運(yùn)行時(shí)即處于略高于額定電壓的狀態(tài)下，如果選用額定輸入電壓為6.3kV的變頻器，則承受過(guò)電壓的能力會(huì)更強(qiáng)一些。

3.4 控制電源

采用可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換的2路控制電源，盡可能使用可靠性較高的直流電源（至少主電源用直流），同時(shí)配置的UPS在2路電源均失去的情況下至少可以保持15 min以上的供電時(shí)間，以提供給維護(hù)人員檢查電源回路或運(yùn)行人員安全操作的時(shí)間，因此在檢修時(shí)要對(duì)電源切換回路和UPS的性能進(jìn)行全面檢測(cè)，確保其工作正常。通過(guò)以上措施，可避免當(dāng)僅使用交流控制電源時(shí)，在廠用電切換或外部故障引起廠用母線電壓短時(shí)失去后，UPS又無(wú)法提供控制電源，造成變頻器停機(jī)，設(shè)備停運(yùn)。

3.5 控制回路

為了有效防止運(yùn)行人員的誤操作和在變頻器輸入輸出刀閘未合的情況下誤合高壓側(cè)開(kāi)關(guān)在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)就地和遠(yuǎn)方合閘回路中均要有變頻方式合閘允許條件閉鎖。當(dāng)投入工頻方式時(shí)應(yīng)當(dāng)使用工頻方式刀閘接點(diǎn)直接串入高壓側(cè)開(kāi)關(guān)的合閘回路，作為合閘允許條件，不應(yīng)使用經(jīng)變頻器PLC邏輯程序輸出的工頻方式接點(diǎn)作為合閘允許條件，避免變頻器停電檢修時(shí)，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)無(wú)法合閘。

4 運(yùn)行可靠性分析

4.1 升頻時(shí)間

變頻器的升頻時(shí)間是考核變頻器過(guò)載能力的重要指標(biāo)，要充分考慮在最惡劣變化工況下，變頻器能夠及時(shí)作出調(diào)節(jié)響應(yīng)并且不會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)載。由于凝結(jié)水泵變頻器在并入系統(tǒng)后不能實(shí)現(xiàn)工頻啟動(dòng)后在線轉(zhuǎn)變頻運(yùn)行，所以要想投入變頻運(yùn)行必須在啟動(dòng)時(shí)就以變頻方式啟動(dòng)。

變頻器從0Hz增加至50Hz設(shè)定為180 s，而此時(shí)凝結(jié)水母管壓力為額定壓力，變頻泵在變頻啟動(dòng)的過(guò)程中出口壓力一直是低于額定壓力的，所以出口逆止門(mén)頂不開(kāi)，使變頻泵一直處于打悶泵的狀態(tài)。對(duì)于打悶泵的狀態(tài)，凝結(jié)水泵本體廠家已明確要求不能超過(guò)2 min，因?yàn)榇驉灡脮r(shí)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)與液體產(chǎn)生摩擦發(fā)熱，水被加熱氣化，易使葉輪汽蝕并產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使泵的密封爆裂。為了滿足凝結(jié)水泵變頻啟動(dòng)至50Hz時(shí)間少于2 min的要求，將變頻器從0Hz升至50Hz的升頻時(shí)間由180 s提高到了120 s，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了在保證凝結(jié)水泵安全運(yùn)行的同時(shí)，變頻器未發(fā)生過(guò)載等異常現(xiàn)象，提高了凝結(jié)水系統(tǒng)的可靠性。

4.2 頻率閾值

通過(guò)對(duì)高壓變頻器的調(diào)節(jié)能力與凝結(jié)水泵本體的適應(yīng)能力進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)凝結(jié)水母管壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式下，變頻器的頻率調(diào)節(jié)在0.2Hz左右頻繁波動(dòng)，雖然此波動(dòng)屬于正常調(diào)節(jié)，對(duì)電氣系統(tǒng)影響較小，但是對(duì)于泵本體就有6r/min的頻繁變化。如果長(zhǎng)期波動(dòng)可能導(dǎo)致泵本體振動(dòng)偏大、軸承損壞等不良影響，降低泵的使用壽命。

為了解決頻率波動(dòng)問(wèn)題，對(duì)高壓變頻器的給定頻率閾值進(jìn)行優(yōu)化，由初始的0.2Hz提高到0.5Hz，但同時(shí)降低了高壓變頻器的調(diào)節(jié)品質(zhì)，使得2臺(tái)并列運(yùn)行的變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行電流偏差在2～8A之間。因此在DCS邏輯中對(duì)壓力調(diào)節(jié)死區(qū)范圍進(jìn)行優(yōu)化，消除了高壓變頻器調(diào)節(jié)的頻繁波動(dòng)，同時(shí)為了提高高壓變頻器的調(diào)節(jié)品質(zhì)，變頻器的給定頻率閾值恢復(fù)至初始的0.2Hz。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期檢驗(yàn)，運(yùn)行情況良好。

4.3 邏輯程序

在正常運(yùn)行方式下，2臺(tái)變頻泵運(yùn)行、工頻泵作為熱備用。當(dāng)其中一臺(tái)變頻泵因變頻器故障或保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)高壓側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)，另一臺(tái)運(yùn)行正常的變頻泵應(yīng)由DCS邏輯將運(yùn)行頻率升至50Hz，再聯(lián)瑣啟動(dòng)工頻泵，避免2臺(tái)并列運(yùn)行的泵由于出力不同而造成出力較小的變頻泵發(fā)生悶泵現(xiàn)象。但是由于變頻器從運(yùn)行頻率降至頻率為0時(shí)才會(huì)停機(jī)，在此期間變頻器邏輯程序中只要變頻器有頻率輸出就認(rèn)為變頻器在運(yùn)行，輸出變頻運(yùn)行信號(hào)，DCS邏輯由此判斷因故障停運(yùn)的變頻泵仍在運(yùn)行而無(wú)法啟動(dòng)工頻泵，最終導(dǎo)致工頻泵啟動(dòng)慢而造成凝結(jié)水母管壓力和凝汽器水位無(wú)法維持。因此修改DCS變頻泵停運(yùn)判斷邏輯，在變頻器停運(yùn)信號(hào)中串聯(lián)6kV高壓側(cè)開(kāi)關(guān)停運(yùn)信號(hào)，這樣在因故障6kV高壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后可及時(shí)聯(lián)啟工頻備用泵。

作為一項(xiàng)節(jié)能措施，在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，采取單泵運(yùn)行方式，即單臺(tái)變頻泵運(yùn)行、另一臺(tái)變頻泵和工頻泵備用。由于在變頻器邏輯程序中，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)合閘后必須等待30 s才可以啟動(dòng)變頻器，所以在運(yùn)行變頻泵故障停運(yùn)或凝結(jié)水母管壓力較低需要聯(lián)瑣啟動(dòng)備用變頻泵時(shí)，雖然可以及時(shí)將高壓側(cè)電源開(kāi)關(guān)合閘，但是泵卻無(wú)法及時(shí)投入運(yùn)行。針對(duì)此種情況，備用變頻泵的高壓側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)處于合閘狀態(tài)為運(yùn)行變頻泵做備用，這樣才可以及時(shí)將備用泵投入運(yùn)行。

5 日常維護(hù)可靠性分析

5.1 運(yùn)行環(huán)境

廣東臺(tái)山電廠地處南海銅鼓灣，多年平均氣溫22.6℃，多年極端最高氣溫37℃，多年平均相對(duì)濕度81%。由于靠近大海，環(huán)境中鹽堿含量較高，空氣潮濕，而變頻器主要由電子元器件組成，因此電路板必須要有三防漆的保護(hù)，使其免受壞境的侵蝕，從而提高并延長(zhǎng)它們的使用壽命，確保使用的安全性和可靠性。而實(shí)際上沒(méi)有一種三防漆可以完全抵抗周遭的不利作用，大部分的不利作用是累積性的，長(zhǎng)期的惡劣環(huán)境最終會(huì)使三防漆的保護(hù)作用失效。因此變頻器的運(yùn)行環(huán)境必須予以重視。

由于凝結(jié)水泵變頻器室位置布置的緣故，設(shè)備投運(yùn)初期室內(nèi)環(huán)境受外界自然環(huán)境影響較大，室內(nèi)濕度經(jīng)常會(huì)達(dá)到100%，并且多次出現(xiàn)變頻器停運(yùn)期間，功率柜、控制柜內(nèi)積水嚴(yán)重，柜內(nèi)的電子元器件（如功率模塊、主控箱、UPS電源等）損壞，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。

為此，把環(huán)境治理作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作，采取了諸如加裝除濕機(jī)、開(kāi)設(shè)冷卻通風(fēng)口等一系列治理手段，最終將變頻器室內(nèi)環(huán)境溫度控制在30℃以下，濕度降至75%以下，功率模塊運(yùn)行溫度控制在40℃以下，滿足了變頻器的運(yùn)行環(huán)境要求，并且在變頻器核心部位加裝溫濕度表計(jì)，時(shí)刻監(jiān)視其運(yùn)行環(huán)境狀況，提高了變頻器的運(yùn)行可靠性。

5.2 變頻器散熱

高壓變頻器柜內(nèi)散熱方式是通過(guò)柜頂風(fēng)機(jī)將熱氣抽出，并將環(huán)境空氣通過(guò)防塵濾網(wǎng)吸入，因此在變頻器的布置上，要盡量安排在密閉的空間內(nèi)，保持環(huán)境清潔。空氣中的灰塵會(huì)由于柜頂風(fēng)機(jī)的吸力進(jìn)入變頻器柜內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致絕緣下降或擊穿損壞電子元器件，設(shè)置防塵濾網(wǎng)的作用就是要阻止灰塵的進(jìn)入；若灰塵堵塞濾網(wǎng)則會(huì)造成功率柜散熱效果差，易導(dǎo)致功率模塊過(guò)熱失效損壞，因此要定期進(jìn)行防塵濾網(wǎng)的清潔、更換。

5.3 功率模塊維護(hù)

由于變頻器主要是由電子元器件組成，其中電解電容在系統(tǒng)中起著非常重要的作用，特別要注意的是當(dāng)變頻器停用3個(gè)月以上時(shí)，需要給變頻器功率模塊充放電3次，每次充電時(shí)間30 min，等模塊放凈電才能進(jìn)行下一次充電。模塊充電的意義在于模塊內(nèi)的電容器里充的是液體，長(zhǎng)時(shí)間停用會(huì)造成液體結(jié)晶，直接帶負(fù)荷會(huì)造成模塊的損壞，所以為了激活功率模塊才要進(jìn)行充電。這對(duì)于作為備品備件的功率模塊也是同樣的道理。

6 結(jié)論

隨著國(guó)產(chǎn)主流品牌高壓變頻器技術(shù)的逐漸成熟和制造工藝的不斷提升，就設(shè)備本身而言，穩(wěn)定性和可靠性基本滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求，關(guān)鍵在于電力生產(chǎn)工作者在使用過(guò)程中如何能夠保證充分發(fā)揮它的作用和優(yōu)勢(shì)，這是值得不斷去摸索和研究的。

Study on Operation Reliability in Millions of Units of the Domestic High Voltage Converter

ZHAO Shu-wei
（Shenhua Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Plant Co.，Ltd.，Taishan 529228，Guangdong，China）

The domestic high voltage converter was used in Guangdong Taishan power plant two sets of one million units of the condensate pump，in order to improve the operation reliability，the aspects of design，operation，maintenance was analyzed detailed and corresponding measures was take，based on the actual situation and the problems of application，put forward the some matters needing attention to improve operation reliability of high voltage frequency converter，and ultimately improves the condensation water system stability and reliability.

high voltage converter；millions of units；reliability

TM46

A

2014-01-02

修改稿日期：2014-06-19

趙曙偉（1977-），男，本科，工程師，Email：695964873@qq.com