火電廠高壓變頻器故障自檢缺陷的檢查及處理

天津華能楊柳青熱電有限責(zé)任公司 陳孫山

0　引言

火電廠引風(fēng)機(jī)高壓變頻器是重要設(shè)備，當(dāng)高壓變頻器發(fā)生故障停止運(yùn)行時(shí)，如不能立即將電動(dòng)機(jī)切換至工頻，很可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全。某火電廠高壓變頻器由于欠缺自身故障的自檢功能，在故障時(shí)無(wú)法啟動(dòng)切換，曾發(fā)生機(jī)組停機(jī)及RB動(dòng)作事故。如何解決高壓變頻器故障自檢功能缺失的情況下的實(shí)現(xiàn)變頻工頻的可靠切換，保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

本文針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)方法并在實(shí)際中成功應(yīng)用，取得了較好的效果，為以后此類型缺陷分析處理提供一些參考經(jīng)驗(yàn)。

1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某火力發(fā)電廠的300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)高壓變頻器一次回路圖如圖1。

圖1 高壓變頻器一次回路圖

圖1中QF為變頻器電源開(kāi)關(guān)，QS1為變頻器輸入刀閘、QS2為變頻器輸出刀閘，KM1為變頻器輸出接觸器，QF1為變頻器輸入開(kāi)關(guān)、QF2為工頻開(kāi)關(guān)；高壓變頻器配置的PLC為西門子產(chǎn)品（SIEMENS S7-200），主板為變頻器廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，變頻與工頻的切換功能都由變頻器PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)DCS系統(tǒng)或變頻器自身發(fā)變頻切工頻命令，或變頻器重故障時(shí)，先自動(dòng)斷開(kāi)QF1和KM1，延時(shí)4S再合上QF2，電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

變頻器在運(yùn)行狀態(tài)下，只有變頻器出現(xiàn)重故障或者手動(dòng)執(zhí)行變切工指令時(shí)才能實(shí)現(xiàn)變頻器變切工。一旦變頻器出現(xiàn)PLC故障，此時(shí)PLC無(wú)法自檢后判斷執(zhí)行相關(guān)指令，或者出現(xiàn)主板間歇性的軟故障，此時(shí)主板已關(guān)閉變頻器輸出，而PLC并未真正接收到主板重故障信號(hào)，這兩種情況都無(wú)法實(shí)現(xiàn)變頻切工頻運(yùn)行。

DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻器切換，由運(yùn)行人員根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，將調(diào)節(jié)方式投入自動(dòng)后，DCS順控向變頻器PLC發(fā)出變切工指令，由PLC實(shí)現(xiàn)變頻切工頻，DCS系統(tǒng)本身不具備切換功能。當(dāng)DCS系統(tǒng)無(wú)法收到變頻運(yùn)行信號(hào)和工頻運(yùn)行信號(hào)時(shí)，延時(shí)10S自動(dòng)跳開(kāi)電源開(kāi)關(guān)QF，風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

2　事故經(jīng)過(guò)及分析

2.1　變頻器主板故障事故

2016年8月2日某機(jī)組帶負(fù)荷200MW運(yùn)行，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，運(yùn)行頻率29Hz，19時(shí)20分41秒（GPS時(shí)間，以下類同）爐膛負(fù)壓低鍋爐MFT動(dòng)作，機(jī)組跳閘。

調(diào)取機(jī)組SOE記錄：

19時(shí)19分59秒，引風(fēng)機(jī)電流從36.8A瞬間下降至0 A；

19時(shí)20分01秒，引風(fēng)機(jī)變頻電流從88.6A瞬間下降至0 A，爐膛壓力增加至552.6Pa；

19時(shí)20 分41 秒，引風(fēng)機(jī)變頻器重故障信號(hào)發(fā)出，變頻器停止。

對(duì)變頻器進(jìn)行檢查，測(cè)量主板電源輸出電壓為2.06V（額定輸出為5V），判斷電源模塊損壞。

此電源模塊故障，主板判斷為瞬時(shí)停電故障，進(jìn)入了瞬停狀態(tài)（當(dāng)電源電壓擾動(dòng)降低后在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)正常時(shí)，變頻器也隨之自動(dòng)再啟動(dòng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，即變頻器具備高壓失電短時(shí)跟蹤再啟動(dòng)功能。在這規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)，變頻器所處的運(yùn)行狀態(tài)即為瞬停狀態(tài)），變頻器輸出關(guān)閉，運(yùn)行狀態(tài)保持。由于故障時(shí)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行信號(hào)存在，因此DCS未能實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)由變頻切至工頻運(yùn)行；此時(shí)另一臺(tái)引風(fēng)機(jī)為了維持爐膛負(fù)壓，頻率逐漸增大，靜葉擋板及變頻器的特性不能滿足此異常工況下的調(diào)節(jié)要求，造成爐膛負(fù)壓低鍋爐主保護(hù)動(dòng)作。

此次事件的直接原因?yàn)樽冾l器主板電源模塊故障，導(dǎo)致變頻器“重故障信號(hào)”未及時(shí)發(fā)出，造成變頻器停止輸出到變頻切工頻運(yùn)行間隔時(shí)間太長(zhǎng)，從而引發(fā)引風(fēng)機(jī)靜葉異常調(diào)節(jié)，爐膛負(fù)壓低鍋爐MFT動(dòng)作，機(jī)組跳閘。

更換變頻器主板，并將主板程序輸入后，機(jī)組再次啟動(dòng)工作正常，順利并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2　變頻器PLC故障事故

2016年3月21日某一次風(fēng)機(jī)變頻器因PLC故障引起機(jī)組RB動(dòng)作，跳一列風(fēng)機(jī)。

檢查變頻器，發(fā)現(xiàn)PLC裝置故障燈亮， QF1和KM1都已跳開(kāi)，但QF2未合閘，在液晶顯示屏上無(wú)故障和操作記錄，在DCS系統(tǒng)中調(diào)取變頻器各信號(hào)記錄，DCS系統(tǒng)未收到變頻運(yùn)行信號(hào)和工頻運(yùn)行信號(hào)，檢查變頻器外部無(wú)任何故障，判斷為PLC故障死機(jī)導(dǎo)致；PLC處于死機(jī)狀態(tài)下自動(dòng)將全部輸出接點(diǎn)歸零。由于設(shè)計(jì)PLC輸出跳QF1、KM1接點(diǎn)均為常閉接點(diǎn)，故PLC死機(jī)后內(nèi)部輸出全部恢復(fù)至初始狀態(tài)，自動(dòng)將QF1、KM1跳開(kāi)；同時(shí)PLC死機(jī)后不能執(zhí)行正常的變頻切工頻邏輯，而PLC合QF2接點(diǎn)為常開(kāi)接點(diǎn)，故QF2未合閘，從而引起一次風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行信號(hào)和工頻運(yùn)行信號(hào)全部為0，DCS系統(tǒng)判斷后延時(shí)，自動(dòng)跳開(kāi)風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)QF，引發(fā)機(jī)組RB動(dòng)作，跳開(kāi)對(duì)應(yīng)的引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)，機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行。

更換PLC插件，并將PLC程序和邏輯重新輸入后，試驗(yàn)正確，風(fēng)機(jī)變頻器投入運(yùn)行。

2.3　暴露問(wèn)題

由以上兩次事故暴露出火電廠高壓變頻器系統(tǒng)存在的問(wèn)題：

（1）當(dāng)變頻器主板異?；蜷g歇性軟故障時(shí)，外部給主板提供的各個(gè)開(kāi)入量無(wú)法反饋至主板，主板亦無(wú)法與PLC之間建立良好的通訊，因此無(wú)法及時(shí)向PLC發(fā)出重故障信號(hào)。

（2）當(dāng)變頻器PLC故障時(shí)，自動(dòng)將變頻器退出，無(wú)法執(zhí)行內(nèi)部邏輯功能切換至工頻運(yùn)行，也無(wú)法自檢并發(fā)出故障信號(hào)，且無(wú)任何其它手段對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

這兩個(gè)問(wèn)題均會(huì)對(duì)機(jī)組安全造成重大影響，必須設(shè)法解決。

3　處理方案

針對(duì)以上事故，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于當(dāng)發(fā)生類似變頻器主板異?；騊LC故障時(shí)，應(yīng)立即向PLC或DCS系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)，啟動(dòng)變頻切換工頻功能。

由于變頻器自身不具有這樣的功能，因此，我們采取以下兩種方案。

3.1　增加DCS判斷變頻器故障的邏輯，由DCS來(lái)完成變頻切工頻功能

DCS系統(tǒng)由運(yùn)行人員根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，投入自動(dòng)調(diào)節(jié)方式后，DCS順控向變頻器PLC發(fā)出變切工指令，DCS系統(tǒng)自身無(wú)法根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際故障情況來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換?，F(xiàn)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，增加DCS系統(tǒng)判斷高壓變頻器故障的邏輯，實(shí)現(xiàn)變頻切工頻功能。

新增DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻切工頻邏輯說(shuō)明如下：

3.1.1考慮風(fēng)機(jī)變頻器在手動(dòng)操作時(shí)的不穩(wěn)定性，增加風(fēng)機(jī)變頻器自動(dòng)投入和風(fēng)機(jī)后煙氣擋板全開(kāi)兩個(gè)條件同時(shí)滿足，經(jīng)30s延時(shí)，作為“DCS變頻器調(diào)節(jié)投自動(dòng)”判據(jù)。

3.1.2變頻器工頻切變頻過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，不應(yīng)繼續(xù)切換；因此，將變頻器PLC發(fā)出的“工切變”指令和“充電中”信號(hào)一起作為DCS邏輯“ 切換中”信號(hào)，閉鎖DCS系統(tǒng)變頻切工頻，當(dāng)收到“變頻運(yùn)行”信號(hào)后，經(jīng)延時(shí)，“切換中”信號(hào)返回。

3.1.3由于變頻器主板故障時(shí)，變頻器實(shí)際輸出為0，高壓開(kāi)關(guān)電流也會(huì)變?yōu)?，因此，增加“DCS檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)電流異?！迸袛啵?KV高壓電源開(kāi)關(guān)工頻電流小于5%電動(dòng)機(jī)額定電流（可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況設(shè)置）時(shí)判斷為電流異常，允許變頻切工頻。

3.1.4根據(jù)規(guī)范要求，變頻器必須具備“高壓失電短時(shí)跟蹤再啟動(dòng)”功能，考慮到“高壓掉電”信號(hào)需經(jīng)處理后，提供給變頻器主板，因此由變頻器廠家修改主板程序，由主板根據(jù)采集的高壓電壓來(lái)判別，給DCS系統(tǒng)送出“高壓掉電”信號(hào)。

3.1.5因高壓變頻器無(wú)法提供6KV電源開(kāi)關(guān)電流，現(xiàn)場(chǎng)在6KV電源開(kāi)關(guān)柜內(nèi)新增電流變送器，利用4-20mA工頻電流信號(hào)送入DCS系統(tǒng)，作為“DCS檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)電流異?！边壿嬇袚?jù)。

3.1.6“DCS檢測(cè)高壓開(kāi)關(guān)電流異?！薄⑼瑫r(shí)無(wú)“高壓掉電”（有瞬停信號(hào)時(shí)閉鎖電流異常啟動(dòng)變切工、并且瞬停信號(hào)超過(guò)6S時(shí)允許電流異常啟動(dòng)變切工）、無(wú)“工切變”（變頻器PLC發(fā)出的信號(hào)）、有“DCS變頻器調(diào)節(jié)投自動(dòng)”信號(hào)，延時(shí)2秒鐘后啟動(dòng)變切工。

3.1.7因新增機(jī)組DCS實(shí)現(xiàn)變頻器變頻切工頻邏輯，因此，為避免重復(fù)功能，變頻器PLC邏輯中取消DCS變頻切工頻邏輯。

3.1.8新敷設(shè)電纜，由熱控出口繼電器柜至變頻器控制柜、QF1開(kāi)關(guān)柜、KM1開(kāi)關(guān)柜、QF2開(kāi)關(guān)柜，用于新增上送的變頻器輸出的“高壓掉電”信號(hào)、QF1、KM1分閘指令和QF2開(kāi)關(guān)合閘指令。

3.2　增加變頻器PLC失電或自檢故障時(shí)，發(fā)出異常信號(hào)，由硬接線回路進(jìn)行合工頻開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)變頻切工頻功能

變頻器PLC處于死機(jī)狀態(tài)下自動(dòng)將全部輸出接點(diǎn)歸零，故PLC死機(jī)后自動(dòng)將QF1、KM1跳開(kāi)，但無(wú)法合QF2；為了防止高壓變頻器PLC失電或故障時(shí)造成設(shè)備停運(yùn)，在控制回路中增加PLC自檢功能，若PLC失電或自檢異常，故障信號(hào)通過(guò)中間繼電器接點(diǎn)送至DCS系統(tǒng)，并經(jīng)延時(shí)啟動(dòng)出口繼電器合旁路開(kāi)關(guān)QF2，保證設(shè)備切至工頻運(yùn)行。變頻器PLC邏輯框圖如圖2。

圖2　 PLC失電或自檢異常邏輯框圖

邏輯框圖中SM0.0為PLC裝置判斷電源檢測(cè)或自檢，Q2.4為變頻器PLC失電或自檢異常輸出繼電器，在變頻器PLC失電或自檢異常時(shí)接點(diǎn)閉合，外部電氣接線回路圖如圖3。

圖3　PLC失電或自檢異常外部電氣接線回路圖

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上兩種改進(jìn)方法的正確性，利用機(jī)組啟動(dòng)前鍋爐點(diǎn)火時(shí)，連帶風(fēng)機(jī)一起進(jìn)行測(cè)試。用一次風(fēng)機(jī)做試驗(yàn)，一次風(fēng)機(jī)所需輔助設(shè)備都正常啟動(dòng)，測(cè)試方法如下：

（1）由當(dāng)值運(yùn)行人員操作，將一次風(fēng)機(jī)變頻器自動(dòng)投入和風(fēng)機(jī)后煙氣擋板全開(kāi)，DCS變頻器調(diào)節(jié)投自動(dòng)，一次風(fēng)機(jī)變頻器變頻啟動(dòng)運(yùn)行至35Hz，挑開(kāi)主板數(shù)字量輸入端口的供電電源24V線，此時(shí)主板處于故障狀態(tài)，無(wú)法接收到外部任何開(kāi)入信號(hào)，此時(shí)主板停止工作，此時(shí)變頻器無(wú)重故障信號(hào)，變頻器PLC無(wú)法進(jìn)入重故障邏輯判斷程序，主板亦無(wú)法給功率單元發(fā)出調(diào)節(jié)指令，變頻器輸出關(guān)閉，此時(shí)一次風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)電流都是急速下降，在0.5S左右降至電流低設(shè)定值（5%額定電流），滿足DCS判斷變頻器故障切工頻邏輯條件，由DCS系統(tǒng)經(jīng)延時(shí)將變頻器輸入開(kāi)關(guān)QF1和輸出接觸器KM1跳開(kāi)，再經(jīng)4S延時(shí)合上工頻開(kāi)關(guān)QF2，切換至工頻運(yùn)行，變頻器PLC本身無(wú)任何故障動(dòng)作信息，一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，爐膛內(nèi)風(fēng)壓調(diào)節(jié)正常。

（2）由當(dāng)值運(yùn)行人員操作，一次風(fēng)機(jī)變頻器變頻啟動(dòng)運(yùn)行至35Hz，由檢修人員通過(guò)筆記本與PLC連接，人為模擬PLC內(nèi)部程序紊亂，PLC報(bào)自檢異常，此時(shí)變頻器瞬時(shí)將變頻器輸入開(kāi)關(guān)QF1和輸出接觸器KM1跳開(kāi)，經(jīng)4S延時(shí)合上工頻開(kāi)關(guān)QF2，切換至工頻運(yùn)行，各個(gè)繼電器動(dòng)作正確，一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，爐膛內(nèi)風(fēng)壓調(diào)節(jié)正常。

本例中改進(jìn)方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試正確無(wú)誤，證明火電廠高壓變頻器故障自檢缺陷能通過(guò)一系列改進(jìn)方法得以解決處理，以確保機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5　結(jié)束語(yǔ)

以上兩種改進(jìn)方法已全部應(yīng)用于某電廠同類型的高壓變頻器中，通過(guò)帶風(fēng)機(jī)和電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和參數(shù)完善，確保改進(jìn)功能實(shí)現(xiàn)完好無(wú)缺。方法改進(jìn)后近兩年時(shí)間內(nèi)，未發(fā)生一次因變頻器故障影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的事件，大大提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。

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