高電壓大容量球磨機變頻器晃電防治技術(shù)與應用

摘要：針對某礦區(qū)因晃電引起電壓波動，造成變頻器等靈敏度較高的設備跳停的問題，根據(jù)變頻器跳停的具體信息，提出了相應的晃電防治技術(shù)，可確保生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行。

關鍵詞：球磨機;變頻器;晃電;防治技術(shù)

0 引言

南方某金屬礦山？準7.9 m×13.6 m雙驅(qū)溢流型球磨機采用變頻雙邊同步驅(qū)動，電動機采用交流無刷勵磁同步電機兩臺，輸出功率2×8 500 kW，電動機極數(shù)34極，額定電壓10 kV，額定電流510 A，轉(zhuǎn)速176.5 r/min，額定頻率50 Hz;兩臺變頻器型號為TMdrive-MVG2-11 000 kVA-10 kV-730 A，選用一拖一方式，負載均衡度控制在1%以內(nèi)。根據(jù)球磨機負載特性，變頻器每10 min可以有1 min的179%過載能力。

1 引起晃電的主要原因

晃電也叫電壓暫降，根據(jù)國家標準《電能質(zhì)量 電壓暫降與短時中斷》（GB/T 30137—2013）規(guī)定：“電壓暫將是指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓方均根值突然降低至0.1～0.9 pu，并在短暫持續(xù)10 ms～1 min后恢復正常的現(xiàn)象”，屬于電能質(zhì)量事件之一，嚴重時將使用電設備停止工作，或引起產(chǎn)品質(zhì)量下降，而晃電影響的嚴重性則隨用電設備的保護特性而有所差異。晃電一般是由雷擊或供電網(wǎng)絡、變電和用電設施出現(xiàn)故障或負荷突然出現(xiàn)較大變化引起的，在某些情況下可能會出現(xiàn)供電電壓兩次或多次連續(xù)跌落或中斷現(xiàn)象。引起晃電的主要原因包括以下幾個方面：

（1）雷擊引起的晃電：雷電屬于一種自然現(xiàn)象，具有電壓高、電流大、破壞性強等特點，高電壓強電流雷電進入供電網(wǎng)絡時，會造成絕緣最薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)閃絡或避雷器釋放引起電壓短時間波動。

（2）電網(wǎng)、供變電設施的短路故障：當電網(wǎng)、供變電設施的某個局部出現(xiàn)短路故障時，導致電流急劇增大，電壓驟然降低，故障電路中的保護裝置動作，將故障點隔離，電壓恢復正常，造成同個母線段的電壓瞬間波動，電壓短暫降低。

（3）大功率負荷投切：大功率負荷全電壓啟動時，啟動電流為額定電流的5～7倍，需要從電網(wǎng)中汲取大量的有功功率和無功功率，這一大電流流過系統(tǒng)阻抗時，將會引起電壓突然下降，導致電壓瞬間波動。

2 變頻器晃電防治技術(shù)現(xiàn)狀和存在問題

目前常用的低壓變頻器基本采用交-直-交的電壓型變頻器，低壓變頻器普遍采用以下幾種措施防治晃電引起的設備跳停。

（1）采用直流支撐技術(shù)。根據(jù)變頻器工作原理，其直流母線電壓經(jīng)三相整流獲得，電壓大約在510～620 V，如果在變頻器直流母線側(cè)外加相同電壓的不間斷直流電源，當市電出現(xiàn)晃電時則由不間斷直流電源供電，實現(xiàn)變頻器的低電壓跨越能力。

（2）變頻器再啟動。一般的變頻器都具有過壓、失壓和瞬間停電等保護功能，一旦失壓或欠壓，控制電路將停止向驅(qū)動電路輸出信號，電動機將處于自由停車狀態(tài)?；坞娨鹜＼嚭箅妷夯謴驼r，是否能夠可靠啟動變頻器，對變頻器再啟動有一定的條件，首先電壓恢復時，只有在直流母線電壓達到一定值時啟動變頻器，變頻器才能被可靠啟動;還有些國外的變頻器具有跳閘閉鎖功能，需要先故障復位，再給變頻器啟動信號才能順利啟動變頻器。目前部分企業(yè)采用變頻器再啟動功能，以減少因晃電造成變頻器跳停的問題。

（3）采用UPS作為后備電源。當市電出現(xiàn)晃電或故障停電時，由UPS自動切換供電，實現(xiàn)交流電源無縫對接，保證變頻器的連續(xù)可靠運行。

以上措施針對低電壓小容量變頻器具有一定的控制效果，但對于高電壓大容量的變頻器就很難實現(xiàn)有效控制，需要有足夠大的容量來維持直流母線側(cè)電壓不會突降，以免變頻器受到晃電影響。

3 高電壓大容量變頻器晃電解決措施與應用

本文所述球磨機變頻器采用高電壓多電平，10 kV輸出每相采用10個單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，線電壓輸出IGBT器件總耐壓達到近20 kV，線電壓輸出電平數(shù)為39電平，額定電流為730 A，0%～110%速度可調(diào)，可實現(xiàn)球磨機啟動與調(diào)速功能。由于該變頻器額定電壓為10 kV，單臺功率達到8 500 kW，采用直流母線電壓支撐等技術(shù)很難實現(xiàn)電壓暫降防治功能，需要根據(jù)變頻器的具體報警信息，有針對性地提出解決措施。雙驅(qū)變頻器系統(tǒng)如圖1所示。

根據(jù)該礦山往年晃電造成變頻器跳停的統(tǒng)計信息，2018年共出現(xiàn)12起晃電事故，其中有2起因上一級110 kV側(cè)同個母線段其他回路出現(xiàn)短路故障引起，其他10起全部由雷電引起。變頻器的跳停報警信息主要包括：勵磁喪失、控制電源丟失、主電源丟失、外部安全開關聯(lián)鎖跳停等。

關于勵磁喪失造成設備跳停：主電動機采用無刷同步電動機，勵磁機轉(zhuǎn)子和整流橋安裝在電動機主軸的非驅(qū)動端，勵磁機定子通過勵磁柜提供三相交流電源，勵磁機轉(zhuǎn)子通過電磁感應原理獲得感應交流電后經(jīng)整流橋整流，形成可調(diào)的直流勵磁電流。通過排查，主要是由于勵磁變壓器低壓側(cè)斷路器受到電壓波動后，出現(xiàn)失壓或欠壓跳閘引發(fā)“勵磁喪失”，造成變頻器跳閘，而造成斷路器跳閘是失壓或欠壓裝置保護動作引起，因此，可針對晃電時電壓波動的時限和幅值變化，對斷路器參數(shù)進行調(diào)整。另一種原因是勵磁電源進線柜控制回路的變壓器選用380/220 V，由于勵磁變壓器輸出側(cè)額定電壓為440 V，造成控制回路二次側(cè)電壓達到255 V，容易引起二次側(cè)熔斷器燒斷，同樣因“勵磁喪失”而引起變頻器跳閘問題，對此可將二次回路控制變壓器型號更換成440/220 V。

關于控制電源丟失：由于變頻器控制回路出現(xiàn)低電壓引起的變頻器跳停。經(jīng)查詢該變頻器相關資料，利用該變頻器內(nèi)金屬薄膜電容儲能功能，可滿足控制回路電源丟失2 s不停機要求，同時增加UPS不間斷電源，利用該時間實現(xiàn)控制回路市電與不間斷電源雙路互投，實現(xiàn)控制回路電源丟失不停機功能。

關于主電源丟失：造成主電源丟失的報警信息主要是由變頻器主回路前一級10 kV側(cè)真空斷路器跳閘引起，查詢微機綜合保護裝置出現(xiàn)過負荷告警信息可知，這是由于出現(xiàn)晃電電壓下降后負載電流增加引起過負荷跳停，對此可在保護裝置整定值計算時綜合考慮晃電時電壓及電流的變化，重新整定。

關于外部安全開關聯(lián)鎖跳停：根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)鎖跳停的需求，當關聯(lián)設備出現(xiàn)異常時，會引起變頻器保護跳停，保證球磨機不會出現(xiàn)安全事故。經(jīng)查詢變頻器聯(lián)鎖跳?？刂苹芈?，主要包括球磨機上一級的皮帶輸送機、下一級的振動篩和皮帶輸送機及球磨機本身自有的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，當某一臺設備出現(xiàn)電壓波動造成設備異常時，變頻器就會出現(xiàn)外部安全開關聯(lián)鎖跳停故障現(xiàn)象。通過對關聯(lián)設備的跳?；芈愤M行分析，結(jié)合晃電引起低電壓波動的幅值和時間，采用延時聯(lián)鎖跳停的方式，可以躲過電壓波動對球磨機附屬設備的影響，提高關聯(lián)設備低電壓保護功能。

4 結(jié)語

本文通過分析某礦區(qū)高電壓大容量球磨機變頻器跳停的具體信息和規(guī)律，提出了有針對性的解決措施，獲得了較明顯的控制效果。該礦區(qū)經(jīng)采用以上調(diào)整措施后，2019年度僅出現(xiàn)了3起跳停事件，基本解決了因晃電引起電壓波動造成設備跳停的問題。

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收稿日期：2020-02-06

作者簡介：袁致忠（1973—），男，福建上杭人，工程師，從事礦山機電設備管理工作。