探究火電廠10 kV高壓變頻設(shè)備的低電壓穿越能力

高建民

（晉控電力山西同達(dá)熱電有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

我國(guó)發(fā)電企業(yè)為了滿足社會(huì)生產(chǎn)與居民生活的用電需求，在對(duì)火力發(fā)電機(jī)輔助機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)廣泛使用變頻技術(shù)。在發(fā)電機(jī)中使用變頻器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無極調(diào)速、輔助機(jī)軟啟動(dòng)以及成本經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)勢(shì)。盡管在火力發(fā)電機(jī)輔助機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)使用變頻器具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際的電力生產(chǎn)過程中，我國(guó)有相當(dāng)一部分火力發(fā)電機(jī)輔助機(jī)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?yàn)榈碗妷捍┰叫Ч牟焕硐?，所以在我?guó)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(jī)組停機(jī)事故，造成大范圍、長(zhǎng)時(shí)間停電，給社會(huì)生產(chǎn)、發(fā)電企業(yè)以及人民生活造成嚴(yán)重?fù)p失。究其故障原因，是因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)電壓過低或者是短時(shí)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(yùn)行，輕則導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)被迫降負(fù)荷，重則導(dǎo)致各種保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。

我國(guó)火電廠因?yàn)殡妷哼^低引起的跳機(jī)事故引起國(guó)家電網(wǎng)的高度重視，停機(jī)引發(fā)的電力故障給社會(huì)生產(chǎn)和人民生活造成的嚴(yán)重?fù)p失是無法挽回的。因此，本次研究火電機(jī)組低壓穿越能力差的問題，提出改進(jìn)措施，提升火電機(jī)組低電壓穿越能力，確?；痣姍C(jī)組正常運(yùn)行，降低故障率，確保社會(huì)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(jī)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(chǎng)機(jī)組被迫降負(fù)荷事故。#2機(jī)組10 kV A段廠用電配電柜因過電壓保護(hù)器在運(yùn)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(jìn)而造成#2機(jī)組的#1一次風(fēng)機(jī)和#1二次風(fēng)機(jī)變頻器出現(xiàn)重度故障，最終因變頻器無法躲過瞬時(shí)低電壓而跳閘，導(dǎo)致鍋爐因風(fēng)量不夠被迫降負(fù)荷運(yùn)行。

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

當(dāng)火電機(jī)組因電壓過低發(fā)生故障后，電壓為10 kV的電動(dòng)機(jī)在35 ms內(nèi)跳閘電流保護(hù)。開展試驗(yàn)的過程中需要結(jié)合斷路器的自身性質(zhì)進(jìn)行分閘，時(shí)間控制在40 ms以內(nèi)。通過故障錄波器觀測(cè)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(shí)間約為60 ms，故障在發(fā)生階段#2機(jī)10 kV A段電壓相位最低電壓下降至1.3 kV。

#1一次風(fēng)機(jī)變頻器電流Imax=198 A，#1二次風(fēng)機(jī)變頻器電流Imax=108 A，此時(shí)電流過低，10 kV A段變電源配電柜過電壓保護(hù)器故障時(shí)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(jī)和#1二次風(fēng)機(jī)，機(jī)組出現(xiàn)因風(fēng)量不足被迫降負(fù)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(fù)責(zé)，控制回路結(jié)合外界指令展開運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)運(yùn)行場(chǎng)合。主回路電流與交流輸出需要展開檢測(cè)運(yùn)算[1]。變頻器主回路發(fā)生過壓和過流等異常現(xiàn)象會(huì)造成部分元件不可逆性損壞，因此才設(shè)置保護(hù)回路，同時(shí)對(duì)異步電機(jī)與傳動(dòng)設(shè)備起到保護(hù)[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(diǎn)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(jī)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(dòng)以及備自投切換狀況時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)通過的電流過大因此會(huì)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(hù)器就會(huì)被瞬間擊穿燒毀，電壓變化將不再受到控制[4]。電壓在短時(shí)間內(nèi)或者是瞬間小于變頻器低電壓保護(hù)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(jī)變頻器同樣受到牽連，從而會(huì)引發(fā)低壓變頻器因無法躲過瞬間低電壓，啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(cè)試的火電機(jī)組變頻器電源，展開接線實(shí)驗(yàn)，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(hào)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(jī)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(yùn)作正常。輔助電機(jī)啟動(dòng)，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(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)[7]。

4 中電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司輔機(jī)變頻器低壓穿越實(shí)驗(yàn)

當(dāng)電壓暫降發(fā)生器的輸出電壓為給煤機(jī)變頻器的實(shí)際輸入電壓，下降至額定電壓60%，此時(shí)低壓穿越中斷，一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻器也停止運(yùn)行，此時(shí)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(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻器輸入電壓相等，即額定電壓的60%時(shí)，一次風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)變頻器也停止運(yùn)行，此時(shí)輸出功率為0，7 s后再次啟動(dòng)電壓暫降發(fā)生器，變頻器實(shí)際輸入電壓仍為額定電壓的60%，理想持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為5 s，此時(shí)發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻器并不能滿足低壓穿越實(shí)驗(yàn)實(shí)際要求。

當(dāng)一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻器停止運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的實(shí)際輸出功率為0。在2.5 s內(nèi)，啟動(dòng)變頻器同時(shí)電壓波動(dòng)超過10%，變頻器實(shí)際輸入電壓下降至額定電壓20%時(shí)斷電，一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻器停止運(yùn)行，此時(shí)輸出功率為0[9]。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，發(fā)現(xiàn)無論是一次風(fēng)機(jī)變頻器還是二次風(fēng)機(jī)變頻器都不符合實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(duì)動(dòng)切換不會(huì)造成干擾，在電壓下降至額定電壓1/4，時(shí)間超過20 ms～10 s時(shí)，變頻器的運(yùn)行將被中斷，在低壓狀態(tài)下為實(shí)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(duì)火電廠10 kV高壓變頻設(shè)備的低電壓穿越能力進(jìn)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(jī)事故為案例，分析變頻器低壓穿越無法順利進(jìn)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(duì)問題闡述、分析現(xiàn)階段輔機(jī)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(shí)間超過20 ms～10 s時(shí)，變頻器的運(yùn)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(shí)現(xiàn)有效的低壓穿越。