高電壓大容量球磨機變頻器晃電防治技術與應用

摘要：針對某礦區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，根據變頻器跳停的具體信息，提出了相應的晃電防治技術，可確保生產系統的正常運行。

關鍵詞：球磨機;變頻器;晃電;防治技術

0 引言

南方某金屬礦山？準7.9 m×13.6 m雙驅溢流型球磨機采用變頻雙邊同步驅動，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34極，額定電壓10 kV，額定電流510 A，轉速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。根據球磨機負載特性，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，根據國家標準《電能質量 電壓暫降與短時中斷》（GB/T 30137—2013）規定：“電壓暫將是指電力系統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10 ms～1 min后恢復正常的現象”，屬于電能質量事件之一，嚴重時將使用電設備停止工作，或引起產品質量下降，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絡、變電和用電設施出現故障或負荷突然出現較大變化引起的，在某些情況下可能會出現供電電壓兩次或多次連續跌落或中斷現象。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絡時，會造成絕緣最薄弱環節出現閃絡或避雷器釋放引起電壓短時間波動。

（2）電網、供變電設施的短路故障：當電網、供變電設施的某個局部出現短路故障時，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，需要從電網中汲取大量的有功功率和無功功率，這一大電流流過系統阻抗時，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現狀和存在問題

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。根據變頻器工作原理，其直流母線電壓經三相整流獲得，電壓大約在510～620 V，如果在變頻器直流母線側外加相同電壓的不間斷直流電源，當市電出現晃電時則由不間斷直流電源供電，實現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動電路輸出信號，電動機將處于自由停車狀態。晃電引起停車后電壓恢復正常時，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。當市電出現晃電或故障停電時，由UPS自動切換供電，實現交流電源無縫對接，保證變頻器的連續可靠運行。

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有效控制，需要有足夠大的容量來維持直流母線側電壓不會突降，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個單元串聯結構，線電壓輸出IGBT器件總耐壓達到近20 kV，線電壓輸出電平數為39電平，額定電流為730 A，0%～110%速度可調，可實現球磨機啟動與調速功能。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很難實現電壓暫降防治功能，需要根據變頻器的具體報警信息，有針對性地提出解決措施。雙驅變頻器系統如圖1所示。

根據該礦山往年晃電造成變頻器跳停的統計信息，2018年共出現12起晃電事故，其中有2起因上一級110 kV側同個母線段其他回路出現短路故障引起，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，勵磁機轉子和整流橋安裝在電動機主軸的非驅動端，勵磁機定子通過勵磁柜提供三相交流電源，勵磁機轉子通過電磁感應原理獲得感應交流電后經整流橋整流，形成可調的直流勵磁電流。通過排查，主要是由于勵磁變壓器低壓側斷路器受到電壓波動后，出現失壓或欠壓跳閘引發“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，對斷路器參數進行調整。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額定電壓為440 V，造成控制回路二次側電壓達到255 V，容易引起二次側熔斷器燒斷，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低電壓引起的變頻器跳停。經查詢該變頻器相關資料，利用該變頻器內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，利用該時間實現控制回路市電與不間斷電源雙路互投，實現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側真空斷路器跳閘引起，查詢微機綜合保護裝置出現過負荷告警信息可知，這是由于出現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鎖跳停：根據生產系統聯鎖跳停的需求，當關聯設備出現異常時，會引起變頻器保護跳停，保證球磨機不會出現安全事故。經查詢變頻器聯鎖跳停控制回路，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和冷卻系統等，當某一臺設備出現電壓波動造成設備異常時，變頻器就會出現外部安全開關聯鎖跳停故障現象。通過對關聯設備的跳停回路進行分析，結合晃電引起低電壓波動的幅值和時間，采用延時聯鎖跳停的方式，可以躲過電壓波動對球磨機附屬設備的影響，提高關聯設備低電壓保護功能。

4 結語

本文通過分析某礦區高電壓大容量球磨機變頻器跳停的具體信息和規律，提出了有針對性的解決措施，獲得了較明顯的控制效果。該礦區經采用以上調整措施后，2019年度僅出現了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。

[參考文獻]

[1] 王建.變頻器抗晃電改造方案[J].科技資訊，2016（26）：36-37.

[2] 劉炎.防晃電措施在化工生產裝置中的應用[J].石化技術，2017（8）：266.

[3] 崔巍.淺談防晃電技術在企業電氣系統中的應用[J].科技資訊，2015，12（31）：141-142.

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。