探究火電廠10 kV高壓變頻設備的低電壓穿越能力

高建民

（晉控電力山西同達熱電有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

我國發電企業為了滿足社會生產與居民生活的用電需求，在對火力發電機輔助機進行設計時廣泛使用變頻技術。在發電機中使用變頻器可以實現發電機無極調速、輔助機軟啟動以及成本經濟性等諸多優勢。盡管在火力發電機輔助機設計時使用變頻器具有諸多優勢，但是在實際的電力生產過程中，我國有相當一部分火力發電機輔助機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。

因為低電壓穿越效果的不理想，所以在我國火力發電企業頻繁出現因系統故障造成火電發電機組停機事故，造成大范圍、長時間停電，給社會生產、發電企業以及人民生活造成嚴重損失。究其故障原因，是因為在短時間內電壓過低或者是短時間內變頻器因各種故障狀態下導致低電壓發生無法穿越而終止運行，輕則導致發電企業被迫降負荷，重則導致各種保護動作停機。

我國火電廠因為電壓過低引起的跳機事故引起國家電網的高度重視，停機引發的電力故障給社會生產和人民生活造成的嚴重損失是無法挽回的。因此，本次研究火電機組低壓穿越能力差的問題，提出改進措施，提升火電機組低電壓穿越能力，確保火電機組正常運行，降低故障率，確保社會正常生產與人民幸福生活。

1 中電投江西電力有限公司新昌發電分公司停機事故

早在2020年10月13日凌晨，中電投江西電力有限公司新昌發電分公司發生了一場機組被迫降負荷事故。#2機組10 kV A段廠用電配電柜因過電壓保護器在運行過程中被擊穿，本配電柜因出線側電纜單相接地短路而跳閘，10 kV A段電壓瞬間被拉低，進而造成#2機組的#1一次風機和#1二次風機變頻器出現重度故障，最終因變頻器無法躲過瞬時低電壓而跳閘，導致鍋爐因風量不夠被迫降負荷運行。

工作人員經初步分析發現，#2機10 kV A段變電源配電柜過電壓保護器接地故障，啟動過流保護跳閘，即本次異常跳閘是出于保護目的引起的。進一步分析發現，本次故障的根本源頭在#2機10 kV A段變電源配電柜投運不久，過電壓保護器A相擊穿導致單相接地。如果不能及時制止這種故障現象，短路故障就會進一步發展為三相，并且會出現極大的短路電流。

當火電機組因電壓過低發生故障后，電壓為10 kV的電動機在35 ms內跳閘電流保護。開展試驗的過程中需要結合斷路器的自身性質進行分閘，時間控制在40 ms以內。通過故障錄波器觀測電壓形成的波形，作為數據分析依據。經初步分析，故障切除時間約為60 ms，故障在發生階段#2機10 kV A段電壓相位最低電壓下降至1.3 kV。

#1一次風機變頻器電流Imax=198 A，#1二次風機變頻器電流Imax=108 A，此時電流過低，10 kV A段變電源配電柜過電壓保護器故障時拉低電壓，故障發生60 ms內切除本段所帶的#1一次風機和#1二次風機，機組出現因風量不足被迫降負荷事故。

2 變頻器結構與模型

常用的變頻器由控制單元、整流器、平波電抗器、續流晶閘管以及逆變器構成，結構如圖1所示。

圖1 變頻器結構

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責，控制回路結合外界指令展開運算，實現對逆變功率模塊的控制，從而以盡可能精確的速度響應電機運行場合。主回路電流與交流輸出需要展開檢測運算[1]。變頻器主回路發生過壓和過流等異常現象會造成部分元件不可逆性損壞，因此才設置保護回路，同時對異步電機與傳動設備起到保護[2]。

常見的電壓源型變頻器均使用半橋和全橋結構，本次研究中數學模型的構建以圖2所示的單相全橋逆變電路為準，狀態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輸出電壓us與輸出電流i0[3]。

圖2 單相全橋逆變電路

3 關于變頻器的低電壓穿越

3.1 現階段輔機變壓器低壓穿越的狀況

當電網出現低壓故障、設備啟動以及備自投切換狀況時，由于短時間內通過的電流過大因此會出現沖擊和過熱現象。沖擊過大或溫度過高過電壓保護器就會被瞬間擊穿燒毀，電壓變化將不再受到控制[4]。電壓在短時間內或者是瞬間小于變頻器低電壓保護值整值，出現電纜側接地和三相短路故障現象，本段母線所帶的風機變頻器同樣受到牽連，從而會引發低壓變頻器因無法躲過瞬間低電壓，啟動保護動作，變頻器跳停[5]。

3.2 變頻器低壓穿越接線原理

需要切斷接受測試的火電機組變頻器電源，展開接線實驗，電壓暫降發生器在變頻器輸入空開的兩側接入[6]。電量分析儀與變頻輸入和輸出電壓信號相接，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下，閉合輔機變頻器的電源，調整電壓暫降發生器到正常輸出電壓，直至變頻器運作正常。輔助電機啟動，調整載荷，電壓暫降發生器輸出電壓調整至20%，在0.5 s狀態下開始低壓穿越實驗。然后將電壓暫降發生器輸出電壓調整至60%，同樣在5 s狀態下開始低壓穿越實驗[7]。

4 中電投江西電力有限公司新昌發電分公司輔機變頻器低壓穿越實驗

當電壓暫降發生器的輸出電壓為給煤機變頻器的實際輸入電壓，下降至額定電壓60%，此時低壓穿越中斷，一次風機和二次風機變頻器也停止運行，此時輸出功率為0[8]。電壓暫降發生器的輸出電壓與一次風機和二次風機變頻器輸入電壓相等，即額定電壓的60%時，一次風機與二次風機變頻器也停止運行，此時輸出功率為0，7 s后再次啟動電壓暫降發生器，變頻器實際輸入電壓仍為額定電壓的60%，理想持續運行時間為5 s，此時發現一次風機和二次風機變頻器并不能滿足低壓穿越實驗實際要求。

當一次風機和二次風機變頻器停止運行時，此時的實際輸出功率為0。在2.5 s內，啟動變頻器同時電壓波動超過10%，變頻器實際輸入電壓下降至額定電壓20%時斷電，一次風機和二次風機變頻器停止運行，此時輸出功率為0[9]。結合實際生產需求，發現無論是一次風機變頻器還是二次風機變頻器都不符合實驗要求的電壓下降至額定電壓20%狀態下的電壓穿越效果。

低壓穿越電源系統的優點主要是通過電廠直接向變頻器提供電量，并且接線相當快捷，對動切換不會造成干擾，在電壓下降至額定電壓1/4，時間超過20 ms～10 s時，變頻器的運行將被中斷，在低壓狀態下為實現穿越可以為電源添加少量的蓄電池[10]。

5 結 論

本次研究對火電廠10 kV高壓變頻設備的低電壓穿越能力進行分析。以中電投江西電力有限公司新昌發電分公司停機事故為案例，分析變頻器低壓穿越無法順利進行引發的故障，分析了變頻器結構，建立了模型，還闡述了變頻器的低電壓穿越，包括對問題闡述、分析現階段輔機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。經研究發現，在電壓下降至額定電壓1/4，時間超過20 ms～10 s時，變頻器的運行將被中斷。在低壓狀態下可供應少量的蓄電池電源，由此實現有效的低壓穿越。