低電壓穿越技術(shù)在火電廠給煤機變頻器中的應(yīng)用

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（國能（天津）大港發(fā)電廠有限公司，天津 300272）

0 引言

現(xiàn)如今在火電廠輔機運行的過程中廣泛實現(xiàn)了對變頻技術(shù)的應(yīng)用，合理進行變頻改造能夠有效降低廠用電率，以達到節(jié)能降耗的效果，但變頻器本身在電壓波動方面有較高的敏感性，一旦輸入電壓比保護定值低，便會自動切斷變頻器的輸出。現(xiàn)如今我國在低電壓穿越技術(shù)的應(yīng)用方面仍存在一定不足，有必要對其進行深入探究。

1 低電壓穿越問題的產(chǎn)生

如果電源電壓出現(xiàn)跌落問題，變頻器的各個部分會不同程度地受到低電壓的影響，由于其跌落的范圍以及具體的持續(xù)時間存在一定差異性，所以變頻器既有可能出現(xiàn)閉鎖停機的問題，也有可能會繼續(xù)運行。筆者對近年來的相關(guān)案例進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，我國的很多火電廠中出現(xiàn)了由于給煤機低壓跳閘所造成的停爐事故，嚴重影響了火電廠的正常運行。從目前來看，我國絕大部分的火電機組給煤機都會使用變頻器來保證給煤機的軟啟動、電動機的無極調(diào)速以及經(jīng)濟運行等功能的使用，但對現(xiàn)如今大部分的火電廠機組來說，其所具有的低壓輔機變頻器本身并不具備較高的低電壓穿越能力，甚至還有部分變頻器根本沒有低電壓穿越能力。例如在2013年我國某火電廠便因為其高壓變頻器并未達到應(yīng)有的低電壓穿越能力要求，所以出現(xiàn)了變頻器跳閘事故，給火電廠帶來了嚴重的損失。基于此，若想真正為火電機組的安全穩(wěn)定供電提供保障，必須確保火電廠給煤機本身具有良好的低電壓穿越能力。

從實際情況著手進行分析，低電壓穿越基本上會通過變頻器呈現(xiàn)，因為火電廠在日常運行的過程中往往處在一個相對較為復(fù)雜的環(huán)境條件下，并且需要長期連續(xù)的運行，所以一旦產(chǎn)生瞬時掉電事故或者是電網(wǎng)電壓跌落事故都會嚴重影響關(guān)鍵設(shè)備以及相關(guān)裝置的正常運用，與此同時，其分散控制系統(tǒng)（DCS）內(nèi)的控制相對來說比較復(fù)雜，如果某個變頻器控制的給煤機在產(chǎn)生掉閘問題，則會在極大程度上制約機組整體運行效率的提升。電網(wǎng)在運行中不可避免地會產(chǎn)生電壓波動以及廠用電系統(tǒng)內(nèi)部故障等問題，具體指的是當出現(xiàn)大設(shè)備啟動、電氣設(shè)備短路以及接地等問題時，會在產(chǎn)生電壓波動的過程中造成變頻器的跳閘。其危害主要有以下2點。一方面，其會在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上對發(fā)電廠發(fā)電的經(jīng)濟性和連續(xù)性造成影響，并且導(dǎo)致電廠發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生損壞。另一方面，則會在一定程度上沖擊電力系統(tǒng)，進而增加系統(tǒng)故障的嚴重性，不利于電力系統(tǒng)整體的持續(xù)平穩(wěn)運行[1]。

2 變頻器低壓穿越電源的特點

2.1 安全可靠性

良好的變頻器低電壓穿越可以更有效地為原有送電線路或者是通過旁路開關(guān)的設(shè)置實現(xiàn)旁路電路，與此同時，在系統(tǒng)電壓持續(xù)平穩(wěn)時，變頻器則主要是由電力直流進行供電，而電源變換模塊則并不會參與到實際運行中，由此可見，其能夠在極大程度上為變頻性能的可靠性以及安全性提供保障，進而最大限度降低故障出現(xiàn)的可能性。

2.2 定期自檢和故障診斷

可以通過變頻器低壓穿越裝置對電流電壓所具有的瞬時跌落情況展開實時動態(tài)的監(jiān)控工作，這樣一來便能夠有效保證變頻器低壓穿越電源自身的實際效果。與此同時，應(yīng)用變頻器低壓穿越裝置的過程中不會涉及人工的操作以及維護，其能夠定期開展相應(yīng)的自檢和故障診斷工作，進而及時發(fā)現(xiàn)問題所在，并針對其展開自動的處理工作，由此可見其在變頻器穿越裝置故障處理方面具有實效性。這種自動化設(shè)計可以有效沖破以往變頻器低壓穿越裝置在運行過程中所遭遇的阻礙，進而從根本上提高運行效率，與此同時，受到寬溫度范圍的影響，該文所述的變頻器低壓穿越裝置的運行壽命比較長。具體可以結(jié)合變頻器型號的不同開展定制化生產(chǎn)工作，這無論是在操作還是在安裝方面都具有較高的簡便性，此外，靈活使用分布式供電解決方案，同樣可以提升變頻器低壓穿越裝置實際的利用成效。

3 變頻器的選擇與維護

3.1 選擇

變頻器的選擇直接影響其運行的實效性，所以應(yīng)當綜合考慮轉(zhuǎn)矩匹配、電流匹配以及電壓匹配等多方面內(nèi)容進而科學展開相應(yīng)的選型工作。基于此，相關(guān)工作人員應(yīng)當全面系統(tǒng)地了解現(xiàn)場用電的實際情況，還需要針對用電電壓的波形質(zhì)量以及等級等相關(guān)內(nèi)容展開進一步明確，進而為變頻器后續(xù)的正常使用創(chuàng)造良好的條件。與此同時，相關(guān)工作人員還應(yīng)當詳細了解負載的相關(guān)內(nèi)容，從實際情況來看，負載的性能曲線本身對變頻器的實際使用方法有一定的決定性作用，普通的離心泵變頻器所具有的特定電流能夠同電機的額定電流相適應(yīng)，而深水泵變頻器對電流則有更高的要求。

結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗進行分析，其實際所應(yīng)用的電機功率大小直接影響著其所使用的變頻器的功率大小，通常情況下，為了能夠盡可能留出余量，工作人員一般會選擇規(guī)格稍大的變頻器。如果其現(xiàn)場所使用的電機有頻繁的啟動和制動的要求，便應(yīng)當安裝制動電阻，同時綜合考慮功率的大小選定合適的制動電阻。如果工廠本身的環(huán)境條件具有局限性，有較大的粉塵并且不利于散熱，工作人員便可以結(jié)合實際情況盡量選用水冷式的變頻器，此舉能夠有效降低模塊炸裂問題出現(xiàn)的可能性，并且能夠在一定程度上緩解噪聲問題。當設(shè)備有做老化測試的需求時，相關(guān)工作人員可以立足于實際要求，選用四象限的產(chǎn)品，可以達到降低功率損耗的效果，當現(xiàn)場存在單獨直流電時則可以僅采用純逆變模組，以起到節(jié)約投入的作用[2]。

3.2 維護

變頻器本身具有電壓保護、過載保護以及過電流保護等多種功能。其中電壓保護主要可以劃分成欠電壓保護和過電壓保護2種類型。之所以會出現(xiàn)過電壓，主要是因為電源過電壓在降速的過程中難以及時釋放反饋能力，進而生成再生過電壓。因為電路本身包括線路電感以及繞組電感，所以在每個脈沖上升以及下降時，峰值有可能會出現(xiàn)相對較大的脈沖電壓。該脈沖電壓同直流電壓疊壓起來便會成為脈沖電壓并具有較強的破壞作用。具體應(yīng)當采用脈沖過電壓保護、防止跳閘功能以及預(yù)防電源過電壓等防護措施。而欠電壓的存在主要受到電源缺相、電源電壓過低或者是電路和電源方面出現(xiàn)問題等原因的影響。欠電壓的出現(xiàn)將會導(dǎo)致電動機的轉(zhuǎn)矩下降，而當前所使用的新型的變頻器本身都自帶一定的補償功能，可以為電動機的正常運行提供支持。除此以外，欠電壓還會增加電動機的電流，而變頻器則能夠有效發(fā)揮出其本身的過載保護功能，并針對元器件進行及時監(jiān)察。

4 低電壓穿越技術(shù)在火電廠給煤機變頻器中的應(yīng)用

4.1 改造方案

該改造工作主要是針對大港電廠#4機組8臺給煤機進行相應(yīng)的給煤機變頻器低壓穿越設(shè)備改造工作，該火電廠所采用的是GLA-20系列變頻器低電壓穿越電源產(chǎn)品。GLT-20A在主功率輸入為三相交流電源，而主功率輸出則屬于直流電源。三相交流電可以通過斷路器QF1進入二極管整流橋TM1-3所形成的整流回路，接下來再通過電控開關(guān)KM1使其轉(zhuǎn)換成為直流電能，并實現(xiàn)在電容C1以及C2中的儲存。當電網(wǎng)電壓處在正常運行狀態(tài)時，變頻器能夠利用自身交流側(cè)電能支撐變頻器的有效運行，升壓電路處在旁路狀態(tài)，并不會直接參與到裝置運行的過程中。一旦電網(wǎng)電壓產(chǎn)生短時跌落，便會迅速運行升壓電路，并持續(xù)穩(wěn)定地輸出直流電壓，為變頻器提供充足的電壓源，以達到維持變頻電機轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速恒定的效果。等到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，升壓電路便會自動退出，而變頻器則仍能夠通過自身交流通路進行送電[3]。

在現(xiàn)場改造施工的過程中選擇對變頻器原交流供電線路進行保留，變頻器低壓穿越電源實現(xiàn)同三相380V電源和變頻器直流端子之間的串接，具體不需要對變頻器的設(shè)置以及配置采取任何的改動措施，同時還能夠應(yīng)用現(xiàn)場已經(jīng)進行鋪設(shè)的電纜。在開展改造工作時，主要是采用了給煤機變頻器一拖一的設(shè)計方案進行動力電源的改造，可以為10臺變頻器進行10套一拖一變頻器低壓穿越裝置的培養(yǎng)，針對機組的給煤機變頻器控制電源展開相應(yīng)的改造工作，進而有效落實380VAC段電源同廠用UPS的有效切換。在該改造工作中，如果給煤機能夠處在正常運行的狀態(tài)下，通電壓便會出現(xiàn)一定程度的晃動，所以電壓將會在380V時進行三相交流電壓的檢測，同時將三相交流電壓穿越裝置整流升壓到490V，該穿越過程總共有200ms的持續(xù)時間。一拖二裝置電源可以在給煤機總電源之間進行有效切換，并從原本的4mm2增加到6mm2。

4.2 試驗分析

在該試驗中主要采用了電壓暫降的方式對火電廠的廠用母線電壓進行模擬，使其由原本的正常值分別降至60%以及90%。常用母線維持在60%以及90%的時間為10s，接下來廠用母線電壓則會恢復(fù)為額定電壓。綜合上述各種模擬條件，判斷當廠用母線電壓處在正常狀態(tài)下、電壓暫降時和在電壓恢復(fù)之后，給煤機變頻器主功率回路能否得到持續(xù)平穩(wěn)運行。

當給煤機變頻器交流輸入電壓會下降為原本屬于電壓的90%，而電壓暫降的時間則會持續(xù)10s，在該過程中需要針對給煤機以及給煤機變頻器的實際運行狀況進行詳細觀察，并通過示波器對給煤機變頻器的交流輸出電壓、直流母線電壓、交流輸入電壓以及電壓暫降90%時的維持時間進行記錄。如圖1所示。

結(jié)合圖1，通道1波形區(qū)段主要代表的是，當給煤機變頻器的直流輸入電壓暫降到90%的情況下其所具有的電壓波形，其有效值是356V。而通道2波形區(qū)段則代表了當電壓暫降至正常電壓90%時的直流母線電壓波形，其數(shù)值是DC520V，則主要是通過使用低電壓穿越裝置實現(xiàn)的。通道3波形區(qū)段所代表的是電壓在暫降為90%的情況下變頻器的輸出電壓波形，其具體的有效值是交流350V，該圖片中的a和b所代表的為電壓暫降的時間為10s。結(jié)合上述內(nèi)容能夠表明，廠用母線電壓能夠暫降為原本電壓的90%，與此同時，該低電壓值能夠有效維持10s。此時給煤機變頻器所具有的主輸入電源電壓將會下降至356V，該過程中靈活應(yīng)用抗低電壓穿越裝置，能夠保證給煤機變頻器主功率回路的正常使用，確保變頻器的直流母線電壓可以保持在520V狀態(tài)下。當給煤機變頻器的輸出交流電壓保持在350V狀態(tài)下時給煤機和給煤機變頻器都可以實現(xiàn)正常應(yīng)用，科學地應(yīng)用低電壓穿越裝置能夠使電壓暫降時，給煤機變頻器仍可以穩(wěn)定運行，并切實提升其輸出電壓以及工作頻率的持續(xù)性和穩(wěn)定性[4]。

圖1 電壓暫降時間

廠用母線電壓暫降為原有電壓的60%主要指的是給煤機變頻器的交流輸入電源下降為原本正常輸入電壓的60%，其電壓的暫降時間基本上會維持在10s，此時工作人員需要針對給煤機以及給煤機變頻器的具體運行情況進行詳細觀察，同時還要使用示波器針對給煤機變頻器的交流輸出電壓、直流母線電壓以及交流輸電電壓暫降為60%情況下的維持時間進行記錄，具體如圖2所示。

結(jié)合試驗結(jié)果進行分析，圖2中的1通道波形區(qū)段代表的是交流輸入電壓暫降為60%時所具有的電壓波形，其實際的有效值是231V，而2通道波形則指的是直流母線電壓在暫降到60%狀態(tài)下所具有的電壓波形，其數(shù)值是DC520V，其都是由低壓穿越裝置進行提供的。3通道波形區(qū)段則是變頻器所具有的輸出電壓波形，有效值是交流350V，該圖片中的a和b之間所代表的是電壓暫降時間為10s。綜合上述試驗可以明確，廠用母線電壓能夠暫降為原有電壓的60%，與此同時，該地電壓值能夠維持在10s，此時其主輸入電源電壓將會從原本的電壓下降至228V。在該工程中，科學采用低電壓穿越裝置可以穩(wěn)定提供能量助力給煤機變頻器主功率回路的正常運行，并確保變頻器所具有的直流母線電壓能夠保證在520V的狀態(tài)下。低電壓穿越裝置的合理應(yīng)用能夠確保給煤機變頻器即便是面臨電壓暫降時也可以正常使用，并切實提升輸出電壓以及工作頻率的科學性以及穩(wěn)定性[5]。

圖2 電壓暫降時間

5 結(jié)論

綜上所述，科學應(yīng)用低電壓穿越改造技術(shù)能夠有效提升火電廠給煤機變頻器的運行效果，對給煤機的持續(xù)平穩(wěn)運行有積極的促進作用。因此應(yīng)當加強對其的重視，繼而形成更加具有經(jīng)濟性和安全性的配置方案。