電壓波動對變頻器的影響及預(yù)防措施

劉喜奎

（國能集團包頭煤化工有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0.引言

變頻器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的效果，還能間接的實現(xiàn)電機的軟啟動，最重要的是根據(jù)工藝參數(shù)的需求能夠自動改變電機的轉(zhuǎn)速提高運轉(zhuǎn)精度等功能，在各類廠礦企業(yè)，變頻器都有著廣泛的使用。由于變頻器的某些特性，電網(wǎng)的電壓波動會使變頻器出現(xiàn)過電流或者過電壓報警跳閘，變頻器的正常運行需要一個穩(wěn)定的電力系統(tǒng)，然而在實際生產(chǎn)中，電壓波動是不可避免的，為了確保變頻器正常運行，需要了解電壓波動的原因，以便找到相應(yīng)的解決方案和應(yīng)對措施，本文就針對電網(wǎng)電壓波動對變頻器的危害及其解決措施進行簡單的分析與研究。

1.電壓波動的原因

電壓波動是指電網(wǎng)電壓值的偏離正常值的快速變化，供電系統(tǒng)電壓瞬時波動主要有以下幾個方面的原因[1]：

（1）電網(wǎng)受到雷電沖擊引起的電壓瞬時變化。在每年夏天雷雨季節(jié)高發(fā)時段，若高壓電網(wǎng)被雷電擊中，避雷器將迅速動作，把雷擊電流快速向大地釋放，將引起短暫的電壓突降現(xiàn)象。

（2）掛網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致電壓短時波動。當(dāng)電網(wǎng)變電站饋出線路用戶發(fā)生接地或想見短路故障時，變電站饋線的保護裝置將立即動作，變電站內(nèi)部系統(tǒng)電壓將受影響瞬間降低，同一個變電站母線的其他相關(guān)用戶的電壓值也會跟著發(fā)生快速波動，此時會表現(xiàn)為電壓數(shù)值瞬時拉低的波動現(xiàn)象。

（3）由具有沖擊性的大功率負(fù)荷直接啟動引起的電壓瞬時波動。由于廠內(nèi)大功率設(shè)備啟動瞬間的沖擊，很容易造成廠內(nèi)或局部電網(wǎng)系統(tǒng)電壓出現(xiàn)瞬時拉低的現(xiàn)象。

2.電壓波動對變頻器的影響

電壓波動幅度過大對變頻器的影響比較大，可能會觸發(fā)變頻器內(nèi)部的保護功能，如過電流、欠電壓、過負(fù)荷保護等，一旦保護動作跳閘，將影響生產(chǎn)持續(xù)運行。變頻器低電壓其實指其中間直流回路低電壓，而變頻器一般都具備過電壓、低電壓、失壓以及瞬間停電等保護功能。由于電網(wǎng)電壓波動通常都是短時出現(xiàn)后就恢復(fù)正常，以往電氣運行維護人員在電壓穩(wěn)定之后通過手動操作對變頻器進行復(fù)位，即可解決此類問題。但是由于部分工業(yè)負(fù)載類設(shè)備較多且分散布置，對變頻器進行逐個手動復(fù)位消耗時間過長，影響生產(chǎn)效益。

3.變頻器的結(jié)構(gòu)原理

變頻器的工作原理是通過整流、逆變改變輸出電源頻率的方式來控制設(shè)備的轉(zhuǎn)動速度，變頻器的硬件組成部分主要有整流裝置、逆變裝置、濾波裝置、制動模塊、驅(qū)動模塊、檢測單元等組成。變頻器靠內(nèi)部可控硅元件的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。變頻調(diào)速裝置一般采用交—直—交電壓，整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流3種。逆變就是將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓并輸出到用電設(shè)備的過程。

4.變頻器低電壓原因分析

變頻器的主要組成部分是整流部分和逆變部分，通過對變頻器主體結(jié)構(gòu)的研究，變頻器低電壓主要是指其中間直流回路輸入電壓過低，一般能引起中間直流回路的電壓過低的原因主要有2個方面的因素。

（1）供給側(cè)電源電壓低。低壓變頻器正常情況下的輸入電壓為380V左右，允許誤差為-5%～+10%，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流的電壓值為513V，電源輸入側(cè)的低電壓主要是由于電網(wǎng)電壓的波動或工廠內(nèi)的變壓器超載、負(fù)荷不平衡等原因造成。

（2）來自負(fù)載側(cè)的低電壓。來自負(fù)載側(cè)的低電壓主要是由于工廠內(nèi)大型設(shè)備啟動、線路過載等原因造成。

5.某化工廠內(nèi)部電壓波動導(dǎo)致變頻器跳閘事故案例分析

5.1 工廠電力系統(tǒng)簡介

工廠自建220kV總變電站的220kV母線采用雙母線分列運行方式，母聯(lián)開關(guān)運行方式為冷備用。兩臺主變壓器分別接于220kV I、Ⅱ段母線。35kV系統(tǒng)采用雙母線雙分段運行方式，其中I、Ⅱ段并列運行，Ⅲ、Ⅳ段并列運行，I、Ⅲ段母聯(lián)開關(guān)，Ⅱ、Ⅳ段母聯(lián)開關(guān)運行方式為熱備用。總變壓器為150000kVA三相有載調(diào)壓變壓器。

熱電裝置配備2臺75MVA主變壓器，1#主變電源取自上級220kV總變電站的35kV I、Ⅱ段母線，2#主變電源取自總變35kV Ⅲ、Ⅳ段。2臺發(fā)電機經(jīng)35kV電纜接入220kV總變電站的35kV配電裝置。發(fā)電機出線電壓為10.5kV，發(fā)電機出口裝設(shè)斷路器，發(fā)電機出線端均裝設(shè)電壓互感器和避雷器。發(fā)電機中性點采用經(jīng)消弧線圈接地。發(fā)電機與主變之間采用共箱封閉母線連接。高壓電抗器、勵磁變經(jīng)共箱封閉母線支接在發(fā)電機與主變低壓側(cè)之間。2臺機組設(shè)1臺與高壓廠用電抗器相同供電容量的雙繞組起動/備用變壓器，其電源由220kV總變電站內(nèi)35kV配電裝置引接。電站內(nèi)設(shè)置一段10kV高壓廠用備用母線段，電源由起動/備用變的低壓側(cè)供電。2#給水泵在10kV廠用IB段，對應(yīng)的是1#主變壓器，為35kV I段。

氣化裝置兩回路35kV電源引自總變35kV不同母線段，采用 35kV線路-變壓器組的形式供電。變電所內(nèi)設(shè)有35/10kV-25000kVA油浸動力變壓器2臺，10kV母線為2段，0.4kV分為8段。變電所的10kV及0.4kV系統(tǒng)均為單母線分段運行方式，正常運行時，兩段母線分別供電，當(dāng)某一段母線故障時，母聯(lián)斷路器自動閉合，另一段母線將帶全部負(fù)荷，保證供電的可靠性。1#及5#煤漿泵變頻器在0.4kV的5段上。對應(yīng)的是35kV I段。

5.2 故障現(xiàn)象描述及過程追溯

5.2.1 事故現(xiàn)象描述

2021年10月5日10：43分，電站#2給水泵在啟動中跳閘，ECS盤面來“#2給水泵接地”“#2給水泵過流III段”“#2給水泵零序過流”保護動作信號，就地檢查#2給水泵保護裝置顯示為“差動”保護動作。電站#1發(fā)電機跳閘，檢查保護裝置顯示為“#1發(fā)電機3U0定子接地保護”“#1發(fā)電機滅磁聯(lián)跳”保護動作。檢查發(fā)現(xiàn)是1#煤漿泵變頻器低電壓跳閘，致使生產(chǎn)裝置停車。變頻器裝置顯示低電壓告警信息。

5.2.2 事故過程追溯

（1）上午10：00，電站汽機專業(yè)告知給水泵做定期輪換試驗，需啟動#2給水泵；經(jīng)檢查#2給水泵為送電備用狀態(tài)，隨即回復(fù)汽機可以啟動#2給水泵。（2）10：08，汽機在啟動#2給水泵時，ECS盤面來“#2給水泵過流Ⅰ段保護動作”信號，同時汽機通知#2給水泵未啟動起來。（3）10：10，電氣值班人員進行就地檢查及電機絕緣測試工作；經(jīng)檢查#2給水泵電機本體及開關(guān)柜處無異常。（4）10：35測電機絕緣為：A-B、B-C、C-A相間均為0MΩ；A、B、C三相對地為2500MΩ，所用搖表電壓等級為2500V.認(rèn)定為電機絕緣合格。（5）10：43#2給水泵在啟動中跳閘，ECS盤面來“#2給水泵接地”“#2給水泵過流III段”“#2給水泵零序過流”保護動作信號，就地檢查#2給水泵保護裝置顯示為“差動”保護動作。（6）10：43 #1發(fā)電機跳閘，檢查保護裝置顯示為“#1發(fā)電機3U0定子接地保護”“#1發(fā)電機滅磁聯(lián)跳”保護動作。（7）10：43 #1煤漿泵晃電停運，造成#1汽化爐停爐。

5.2.3 測量及故障查找

電氣檢修班聯(lián)系汽機#2給水泵停電，做“#2給水泵開關(guān)本體檢查”“#2給水泵電機本體檢查”。檢測數(shù)據(jù)為#1發(fā)電機定子絕緣為：A-B、B-C、C-A相間均為0MΩ；A、B、C三相對地為500MΩ，所用搖表電壓等級為2500V；轉(zhuǎn)子絕緣為：相間0MΩ，對地為200MΩ，所用搖表電壓等級為500V。

5.3 事故分析

（1）發(fā)電機跳閘主要原因：運行人員在#2給水泵第一次啟動未成功后，ECS盤面來“#2給水泵磁平衡-過流Ⅰ段保護動作”信號，就地?zé)o保護出口動作信號，運行人員經(jīng)過絕緣測試合格后，沒有經(jīng)過保護班組確認(rèn)，誤判斷為給水泵電機后備保護動作。進行第二次啟動，造成#1發(fā)電機跳閘。

（2）發(fā)電機跳閘次要原因：因熱電中心發(fā)電機出口10kV系統(tǒng)與廠用電10kV電氣系統(tǒng)通過電抗器連接，未采用變壓器隔離，從而發(fā)電機及廠用電10kV電氣系統(tǒng)任何一點接地會引起整個10kV系統(tǒng)接地。電站#2給水泵電機在啟動過程中由接地發(fā)展成兩相短路過程中產(chǎn)生超標(biāo)零序電壓，達到#1發(fā)電機“定子接地”保護動作值，是導(dǎo)致#1發(fā)電機“定子接地”保護動作跳閘的主要原因。熱電中心發(fā)電機出口10kV系統(tǒng)與廠用電10kV系統(tǒng)通過電抗器連接，未采用變壓器隔離。

（3）甲醇#1高壓煤漿泵停運原因：#1高壓煤漿泵為變頻器驅(qū)動，其電源與電站#2給水泵為同一電源端，在#2給水泵電機短路暫態(tài)過程中，35kV系統(tǒng)電壓降到額定值得85%以下，達到變頻器低電壓停機值，造成#1高壓煤漿泵停車，從而影響到#1氣化爐。

5.4 預(yù)防措施

（1）因“過流Ⅰ段保護動作”信號無保護出口動作信號，應(yīng)在運行人員經(jīng)過絕緣測試后，再由繼電保護班技術(shù)人員進行檢查確認(rèn)。

（2）熱電中心發(fā)電機出口10kV系統(tǒng)與廠用電10kV系統(tǒng)通過電抗器連接，采用變壓器隔離，杜絕一點接地導(dǎo)致全廠10kV系統(tǒng)接地。

（3）對運行人員加強繼電保護常識的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，對常見故障進行案例分析，舉一反三，加強設(shè)備運行維護能力。

6.解決變頻器低電壓的措施

6.1 解決電源輸入側(cè)電壓波動影響

（1）國家電網(wǎng)系統(tǒng)做好電力系統(tǒng)的運行維護，定期巡檢設(shè)備運行狀態(tài)，對潛在隱患及時消除。（2）定期做好電氣設(shè)備及架空線路的檢修和試驗工作，在檢修中發(fā)現(xiàn)隱患及時消除。（3）定期清理高壓線路鳥巢，防止鳥巢和大鳥造成線路相間短路或接地。（4）各發(fā)電企業(yè)做好設(shè)備運行管理，特別是大型發(fā)電企業(yè)，一旦無計劃停車，會對區(qū)域電網(wǎng)電壓造成大幅波動影響。（5）由于電網(wǎng)系統(tǒng)誤操作引起的晃電時有發(fā)生，電網(wǎng)系統(tǒng)操作時，要嚴(yán)格執(zhí)行工作票制度和監(jiān)護唱票制度，杜絕誤操作引起的電力系統(tǒng)故障。（6）做好線路和變電站的防雷工作，特別是在雷雨多發(fā)地區(qū)防雷工作顯得尤為重要[2]。

6.2 解決負(fù)載側(cè)波動對電壓波動的影響

（1）對大容量電動機增設(shè)變頻啟動或者軟啟動裝置，防止啟動電流過大導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)大幅降低，引起變頻設(shè)備低電壓跳閘。（2）大容量電動機可以單獨增設(shè)一臺容量適宜的10kV變壓器，防止電動機啟動電流過大導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)大幅降低。（3）可以設(shè)置在變頻器內(nèi)部將把電源電壓參數(shù)設(shè)置稍微低點，低電壓時限稍微放長一點，用來躲過大容量設(shè)備啟動對瞬間電壓降低的影響[3]。

6.3 采用直流支撐技術(shù)解決對電壓波動的影響

在變頻器直流側(cè)增加不間斷直流電源提高變頻器的低電壓跨越能力，以此來解決目前變頻器面臨電壓波動的問題。采用此技術(shù)可確保：（1）廠用交流電源低電壓時，變頻器還能正常工作。（2）在備自投切換過程中確保變頻器正常工作。

從電壓跌落到變頻器恢復(fù)正常運行，時間至少10幾秒到幾十秒，此過程中電機會停止運行，嚴(yán)重影響工廠的正常運行，針對該問題我們采用直流支撐技術(shù)，通過整流裝置、蓄電池組和各直流回路，對各變頻器的直流母線供電，并通過PT傳感器、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集等輸入PLC，編程控制各直流回路的開合、靜態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通等，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生晃電甚至停電時，保障變頻器連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行一定的時間，從而大幅度減少電網(wǎng)電壓波動對變頻器產(chǎn)生的影響，進而保障整個工廠電氣設(shè)備安全度過晃電期。

7.結(jié)語

電力系統(tǒng)電壓波動的原因有多種情況，低電壓達到一定值的時候就會引起電氣設(shè)備跳閘，所以，做好電氣系統(tǒng)維護管理，做好電氣系統(tǒng)供配電設(shè)計，對防止低電壓引起的跳閘事故可以起到預(yù)防作用。