火電廠中防晃電措施分析

王志誠

（大唐陜西發(fā)電有限公司渭河熱電廠，陜西 咸陽 712085）

0 引言

晃電是指因電力系統(tǒng)遭遇雷擊、短路、大電動機集中直接啟動、電源故障切換或其他原因所引起的電網(wǎng)瞬間斷電或電壓波動，致使用電設備運行狀態(tài)發(fā)生異常的現(xiàn)象，不可預見是晃電的基本特性。

電壓短時間內大幅度波動、供電短時中斷、電壓閃變等現(xiàn)象都屬于常見的晃電類型。生產現(xiàn)場典型的電壓波動表現(xiàn)為幅值驟降，時間一般在0.01～60 s，（電壓下降至標稱電壓的10%～90%）；一般供電中斷時間在0.01～3 s 內則為短時斷電；電壓發(fā)生閃變時，電壓波形一般呈規(guī)律性變化而電壓幅值則呈不確定性變化，直觀現(xiàn)象則是照明異常。

在火電廠中，主輔機系統(tǒng)低壓電動機安全穩(wěn)定運行是確?；痣姀S安全高效運行的基礎。在發(fā)電機組運行期間不允許出現(xiàn)重要負荷因為供電原因導致設備停車事故。在生產現(xiàn)場低壓電動機電源系統(tǒng)容易受到多種因素影響，發(fā)生晃電致使運行中的重要負荷停電，造成機組快速減負荷、機組非計劃停機甚至造成電網(wǎng)故障范圍擴大等惡性事故。因此，必須采取有效的防晃電技術來解決設備晃電再啟動、輔機變頻器防晃電等問題。

1 晃電對火電廠低壓電動機供電回路的影響

1.1 晃電對交流接觸器的影響

在火電廠中，交流接觸器被廣泛應用在機組電動機控制中心（Motor Control Center，MCC）段、動力中心（Power Center，PC）段等低壓電動機控制回路中。當其供電系統(tǒng)發(fā)生晃電時，交流接觸器將會偏離其正常工作電壓范圍，致使接觸器線圈對于鐵心的吸力由于電流的減少而減弱，這會使控制回路中的接觸器釋放斷開，造成運行中的電動機停車，嚴重威脅燃料制粉及汽機潤滑等主輔機系統(tǒng)設備的安全穩(wěn)定運行［1］。交流接觸器在其額定控制電源電壓的85%～110%之間任何值應可靠閉合，當交流接觸器線圈電壓在降到其額定電壓的50%時將會發(fā)生抖動；降到30%～40%時接觸器釋放斷開；在電壓降低到額定電壓的75%及以下時，一般持續(xù)幾個周期后接觸器也會釋放斷開［2］。

1.2 晃電對輔機變頻器的影響

火電廠生產指標日趨苛刻，部分一類輔機比如給煤機、給粉機、空氣預熱器等［3］重要設備需要滿足軟啟動、精準調速、經(jīng)濟運行等能耗要求，故需采用變頻器回路供電。變頻器一般采用“交流—直流—交流”的工作鏈路，主要由控制電源回路和動力回路2部分組成，當供電系統(tǒng)發(fā)生晃電現(xiàn)象時，低壓變頻器將會受到晃電影響觸發(fā)低電壓保護跳閘，從而導致給煤機等一類輔機設備停機，進而造成機組停機或機組輸出功率大幅下降［4］。因此，火電廠輔機變頻器不具備高、低電壓穿越能力的問題已經(jīng)成為威脅火電廠安全運行的重大隱患。

2 防晃電措施

火電廠生產過程具有設備不間斷運行的特點，完成燃料的化學能轉化為電能的過程需要大量主輔機設備協(xié)同工作。磨煤機油泵、送風機潤滑油泵、機組頂軸油泵、給煤機等關鍵輔機分別接在火電廠MCC段、PC 段上。當發(fā)生晃電時，由馬達保護器與接觸器組合的電動機控制回路會自動停車，采用變頻器控制的給煤機等輔機設備也會停車。在這種情況下電動機供電電源第一時間恢復正常后其不會自行啟動，必須人為介入啟動。火電廠相關生產設備缺乏相應的防晃電措施，導致設備跳閘后無法繼續(xù)保證連續(xù)生產。

在發(fā)電機組運行期間，生產現(xiàn)場一類輔機運行中停車后，一方面將會觸發(fā)相關邏輯保護動作，進而造成機組跳閘或出力大幅降低；另一方面不利于系統(tǒng)故障的快速消除，會使電網(wǎng)故障范圍擴大，增加潛在風險隱患。此外，文獻［3］對火電廠輔機低電壓穿越提出明確技術要求?；诖耍痣姀S相關設備采取防晃電措施是十分必要的。

2.1 交流接觸器防晃電措施

1）方案1 為采用斷電延時時間繼電器。

如圖1 所示，電動機因晃電停機后，當電源電壓在時間繼電器定值整定時間段內恢復正常時，在時間繼電器延時斷開觸點及其控制回路的作用下電動機將即刻運轉，從而實現(xiàn)晃電后電動機的自啟動。圖1 中SB1、SB2、KT、KM、KA 依次分別為啟動、停止按鈕，時間繼電器，接觸器線圈，中間繼電器。

圖1 電動機自啟動原理

2）方案2 為采用防晃電交流接觸器。

如圖2 所示，防晃電接觸器內部含有一個雙線圈結構，當系統(tǒng)電源正常時，F(xiàn)S 接觸器內置模塊將處于儲能狀態(tài)，接觸器的啟動（SB1）、停止（SB2）和普通接觸器操作方法一樣，當發(fā)生晃電致使FS 接觸器線圈上的工作電壓降低到其維持電壓門檻下限值時，F(xiàn)S 接觸器內部儲能將通過特定方式立即介入補償接觸器線圈工作電壓，從而實現(xiàn)FS 接觸器線圈繼續(xù)勵磁吸合。當系統(tǒng)電源恢復正常以后，內置控制模塊將再次轉入儲能狀態(tài)，達到實現(xiàn)設備防晃電的目的。當按下停止按鈕時，接觸器內部電容短接（A1、A3 導通）釋放儲存的能量，確?？煽客C。

圖2 FS 防晃電交流接觸器工作原理

3）方案3 為采用具備欠壓重啟動功能的馬達保護器裝置。

隨著電力電子技術的發(fā)展，馬達保護器裝置欠壓重啟動功能已完善且其具有較強的防晃電能力（工作電源范圍80～265 V）。圖3 中，馬達保護器裝置電源（38、39 端子）由外置電源模塊提供，可保證系統(tǒng)電源斷電后馬達保護器正常工作9 s。系統(tǒng)電源正常時，保護器內部繼電器接點（21、22）接通，接觸器（KM）勵磁后保持閉合，電動機正常運轉；在晃電現(xiàn)象發(fā)生時接觸器釋放斷開且其系統(tǒng)電源在9 s 內恢復，滿足馬達保護器欠壓重啟定值時則保護器自動發(fā)出合閘指令，此時接觸器將勵磁吸合處于正常運轉狀態(tài)，第一時間實現(xiàn)電動機的重啟，達到了安全防晃電的目的。電動機正常的啟停及保護動作均閉鎖馬達保護器欠壓重啟動功能。

圖3 帶欠壓重啟動功能的保護器接線

上述交流接觸器3 種常見防晃電方案都不同程度地實現(xiàn)了防晃電功能，其安全性和優(yōu)缺點比較見表1。可見，采用具備欠壓重啟動功能的馬達保護器裝置作為防晃電措施，具有經(jīng)濟可靠、改造簡單、可實現(xiàn)分批再啟動、智能化狀態(tài)自檢與故障診斷、長運行壽命等優(yōu)點。

2.2 輔機變頻器防晃電技術

1）方案1 為串聯(lián)動態(tài)電壓恢復裝置交流補償。

在變頻器的交流輸入端與交流進線端串聯(lián)動態(tài)電壓恢復裝置（Dynamic Voltage Restorer，DVR），如圖4 所示。該裝置由整流器、逆變器、儲能裝置等器件組成。通過裝置內部元器件組成的控制回路精準控制逆變器等電力電子器件工作，實現(xiàn)了變頻器直流母線電壓恒定。當電源電壓跌落時，DVR 輸出三相補償電壓，確保變頻器交流輸入電壓不受其電源電壓跌落影響，避免變頻器異常運行而跳閘［5］。

表1 交流接觸器常見防晃電技術的性能與優(yōu)缺點比較

圖4 變頻器交流補償工作原理

2）方案2 為加低電壓穿越裝置直流補償。

由于變頻器功率輸出取自其直流母線，因而在變頻器直流母線側進行補償供電是應對其電源電壓跌落導致變頻器閉鎖輸出的有效方法。變頻器低電壓穿越裝置直流補償?shù)牡湫驮砣鐖D5 所示。變頻器低電壓穿越裝置動力電源采用交直流均可（采用直流電源供電，可滿足極端情況下實現(xiàn)電源電壓降至0 V 輔機變頻器的無擾動連續(xù)運行）。正常工作情況下，變頻器工作電源由交流供電回路提供，低電壓穿裝置處于旁路熱備用狀態(tài)，變頻器正常運行。

當系統(tǒng)電源電壓發(fā)生晃電時，低電壓穿越裝置立即響應并捕捉其系統(tǒng)電壓波動趨勢，當達到低電壓穿越裝置動作設定值時，裝置升壓回路立即投入運行，維持到晃電發(fā)生前變頻器正常輸出工況，確保輔機變頻器安全穩(wěn)定運行。

在系統(tǒng)電源電壓恢復正常后，低電壓穿越裝置將處于旁路熱備用狀態(tài)，交流供電回路繼續(xù)提供變頻器工作所需電源，從而實現(xiàn)了無擾動切換，不會對變頻器造成沖擊。

圖5 輔機變頻器低電壓穿越裝置工作原理

3）方案3 為前端串聯(lián)交流不間斷電源（UPS）。

UPS 可在電源瞬間停電或失壓后，穩(wěn)定地向負載提供數(shù)十分鐘的電能。當市電輸入正常時，UPS 將市電整流逆變后供應給負載使用；當市電故障時，UPS 立即將備用直流電源通過逆變器轉換成高質量的工頻電流輸出向負載繼續(xù)供電，在變頻器的前端串聯(lián)交流不間斷電源，可實現(xiàn)設備無擾動切換供電，典型工作原理如圖6 所示。

圖6 變頻器前端串聯(lián)交流不間斷電源工作原理

上述輔機變頻器3 種常見防晃電方案都不同程度地實現(xiàn)了防晃電功能，其安全性和優(yōu)缺點比較見表2。可見，輔機變頻器加裝低電壓穿越裝置作為防晃電措施，裝置平時處于熱備用狀態(tài)，具有可靠性高、使用壽命長、運維成本低等優(yōu)點。

某火電廠廠用低壓電動機供電回路廣泛采用馬達保護器與交流接觸器相結合的配置方案，不具備防晃電功能。按照馬達保護器欠壓重啟動技術方案擇機對2 臺機組所屬的送風機油泵、頂軸油泵、磨煤機潤滑油泵、引風機軸承冷卻風機等共計30 臺重要負荷進行升級改造，即可實現(xiàn)保護器重啟動功能，保證電動機晃電后的再啟動，亦可實現(xiàn)電動機分批啟動。

表2 變頻器常見防晃電技術的性能與優(yōu)缺點比較

2 臺機組各配置5 臺給煤機，采用無防晃電功能的某型號變頻器進行控制。從生產應用的角度對10臺給煤機變頻器進行技術改造，使其滿足發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術規(guī)范要求。

2018-08-20T16∶49∶00，該火電廠6 kV IIA 段弧光保護告警，2A 循泵過熱保護動作、速斷保護動作跳閘，高壓開關綜合保護裝置報文顯示過熱跳閘、速斷動作，動作電流Imax=178.866 A（折算成一次電流約10 740 A），保護動作時間約75 ms，電機就地接線盒處存在明顯電弧燒損痕跡。經(jīng)查詢當時系統(tǒng)（設備）運行方式，調閱2 號機組故障錄波器相關報文，本次故障持續(xù)約180 ms，2 號機廠用6 kV IIA 段電壓最低降到約35%，電壓波動大，造成廠用380 V 多臺設備跳閘、聯(lián)啟，但已采取防晃電措施的設備經(jīng)受住了考驗，未造成故障范圍擴大避免了機組跳閘或出力大幅降低事故的發(fā)生。表3 所示為此次2 號機組

表3 2 號機組廠用IIA 段380 V 設備動作情況統(tǒng)計

4 結語

火電廠低壓電動機供電回路采用馬達保護器欠壓重啟動技術是對其電源系統(tǒng)發(fā)生晃電后交流接觸器斷開的補救措施之一。此外，火電廠給煤機等輔機變頻器加裝低電壓穿越裝置（直流補償），可以有效避免由于廠用電源系統(tǒng)發(fā)生晃電造成的變頻器保護動作閉鎖輸出，從而避免機組出力大幅降低甚至機組跳閘事故。防晃電技術的廣泛應用，夯實了火電廠主輔機系統(tǒng)設備安全穩(wěn)定運行的基礎，減小了設備因晃電而造成的不良影響，可有效提高火電廠及電網(wǎng)運行的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性。