俄供800MW 機(jī)組鍋爐輔機(jī)抗低電壓穿越能力研究

韓長利

（國華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧省葫蘆島市，125222）

2011年1月2日，東北電網(wǎng)500kV 伊換1＃線發(fā)生跳閘事故時，系統(tǒng)瞬時電壓跌落，低電壓穿越到發(fā)電廠用電系統(tǒng)，造成使用負(fù)壓型鍋爐的伊敏發(fā)電廠、呼倫貝爾發(fā)電廠機(jī)組給煤機(jī)變頻器低電壓閉鎖保護(hù)動作，給煤機(jī)停止運(yùn)行，鍋爐滅火，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組跳閘，對東北電網(wǎng)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

根據(jù)伊敏發(fā)電廠與呼倫貝爾發(fā)電廠事故調(diào)查資料，給煤機(jī)停止運(yùn)行是因?yàn)樽冾l器在輸入電壓降低時低電壓保護(hù)快速閉鎖輸出。說明安裝有變頻器的輔機(jī) （電動機(jī)）在系統(tǒng)電壓降低時會停止運(yùn)行，從而造成停爐、停機(jī)事故。

上述事故發(fā)生后，東北電網(wǎng)公司先后3次召開會議，并發(fā)布對所屬電廠的指導(dǎo)意見，要求各電廠進(jìn)行輔機(jī)變頻器系統(tǒng)抗低電壓能力自查，并依據(jù)自查結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的輔機(jī)變頻器系統(tǒng)抗低電壓穿越能力改造。

1 綏中發(fā)電有限責(zé)任公司800MW 機(jī)組鍋爐輔機(jī)變頻控制情況

1.1 變頻器情況

綏中發(fā)電有限責(zé)任公司 （以下簡稱 “綏電”）A 廠2臺俄供800 MW 機(jī)組目前的給煤機(jī)、空預(yù)器運(yùn)行均采用變頻器控制的方式，所有變頻器均采用美國羅克韋爾自動化有限公司生產(chǎn)的1336PLUSⅡ系列變頻器，給煤機(jī)系統(tǒng)安裝型號為1336FB030-AA，空預(yù)器安裝型號為1336F-B050-AA。

通過查閱相關(guān)資料，該型號變頻器有以下性能：

（1）交流輸入電壓：額定電壓為AC 380V，欠電壓跳閘為AC 280V，過電壓跳閘為AC 570V。

（2）直流母線電壓：額定電壓為DC 648V，母線欠電壓跳閘為DC 400V，過電壓跳閘為DC 810V。

（3）主電源掉電保護(hù)時間：滿載時維持15ms。

（4）邏輯控制掉電時間：最小0.5s，典型2s。

該型號變頻器可根據(jù)當(dāng)時工況和變頻器所承載情況，變頻器程序自啟動時間 （掉電時間）最長可達(dá)到2s，在2s時間內(nèi)，電源電壓恢復(fù)，變頻器能按照自設(shè)定程序自行啟動運(yùn)行。

每臺鍋爐共配備8臺給煤機(jī)，電源供給方式為前墻4臺和后墻4臺，分別在不同的配電室內(nèi)，前后墻的電源配置方式相同。以前墻為例，從380V不同廠用段引來兩路電源，在給煤機(jī)前墻配電室的總電源柜匯合，通過交流接觸器的自動聯(lián)投回路匯成一路電源同時供給前墻4臺給煤機(jī)，如正在工作的電源失電或出現(xiàn)故障，則通過自動聯(lián)投回路切換到另外一路電源運(yùn)行，在切換過程中，電源瞬間失電，變頻器有瞬間停止輸出現(xiàn)象，但輸出可很快恢復(fù)到原運(yùn)行狀態(tài)，在DCS上沒有異常反應(yīng)。

每臺鍋爐共配備3臺空預(yù)器，采用雙套變頻器—電機(jī)驅(qū)動裝置，獨(dú)立電源、獨(dú)立控制，互為備用，當(dāng)運(yùn)行中的驅(qū)動裝置跳閘，備用驅(qū)動裝置將自動投入運(yùn)行，保證了在各種工況下空預(yù)器的可靠運(yùn)行。

1.2 經(jīng)歷500 kV 近端故障情況

下面是綏電A 廠近年來500kV 系統(tǒng)母線出口短路或近區(qū)故障，1＃、2＃機(jī)組6kV 廠用段母線電壓下降情況。

（1）2008年6月25日系統(tǒng)發(fā)生C 相單相接地故障。

2008年6 月25 日系統(tǒng)發(fā)生C 相單相接地故障，500kV 相電壓下降至40kV 左右，整個故障時間約為50 ms。反應(yīng)到機(jī)組6kV 母線電壓，B相電壓下降最嚴(yán)重為2.96kV，為額定電壓的81%。

（2）2008年9月20日5022開關(guān)C 相氣室內(nèi)部發(fā)生閃絡(luò)。

2008年9月20日綏高2＃線恢復(fù)送電，19時19分，綏高2＃線主保護(hù)動作，經(jīng)檢查為5022 開關(guān)C相氣室內(nèi)部發(fā)生閃絡(luò)。1＃機(jī)組廠用段1BA、1BB01、1BB02的3段母線電壓，其中B相電壓下降最嚴(yán)重，至2.65kV，為額定電壓的73%Ue。

（3）2008年9月20日高嶺變側(cè)做短路試驗(yàn)。

2008 年9 月20 日高嶺變側(cè)做短路試驗(yàn)，500kV電壓相電壓下降至接近30kV 左右，持續(xù)時間40ms。1＃機(jī)組廠用段1BA、1BB01、1BB02的3段母線電壓，其中B 相電壓下降最嚴(yán)重，至2.61kV，為額定電壓的72%。

（4）2＃主變充電后故障時500kV 電壓及廠用6kV 電壓變化。

2010年4月1日2＃主變充電，503227接地開關(guān)C相連桿松動，接地開關(guān)觸頭產(chǎn)生位移，致使絕緣距離不夠，造成接地故障。500kV 電壓相電壓降至接近0kV 左右，持續(xù)時間60ms。此時2＃機(jī)廠用段由高備變帶，2＃機(jī)組廠用段2BA、2BB01、2BB02 的3 段母線電壓最低下降至2.23kV，為額定電壓的60%。

根據(jù)上述故障分析可以得出以下結(jié)論：

（1）500kV 系統(tǒng)母線出口短路或近區(qū)故障，機(jī)組6kV 廠用段母線電壓下降不會超過70%Ue。再經(jīng)過6／0.4kV 低廠變后，電壓下降幅度應(yīng)該更少。

（2）500kV 系統(tǒng)在故障時電壓最低達(dá)到了0kV，故障時間為90 ms以內(nèi)，但在此時段內(nèi)和較嚴(yán)重故障下對應(yīng)綏電A 廠運(yùn)行機(jī)組的變頻器運(yùn)行正常，機(jī)組運(yùn)行正常。

2 變頻器低電壓工況試驗(yàn)研究

為研究在裝變頻器在供電電壓降低時的運(yùn)行情況，綏電A 廠在現(xiàn)有條件下于2011年12月30日在2＃爐28號給煤機(jī)上采用三相調(diào)壓器調(diào)壓方法降低輸入電壓進(jìn)行了簡單的試驗(yàn)驗(yàn)證 （即三相調(diào)壓器降壓法）。

綏電A 廠2 臺800MW 機(jī)組共16 臺給煤機(jī)，均采用變頻調(diào)節(jié)控制方式，采用美國羅克韋爾自動化有限公司生產(chǎn)的1336PLUSⅡ系列變頻器，型號為1336F-B030-AA，參數(shù)見表1。

表1 1336F-B030-AA 型變頻器電氣參數(shù)

2.1 試驗(yàn)步序

（1）拆除28號給煤機(jī)控制盤內(nèi)電源空氣開關(guān)上口電源，將調(diào)壓器接入電源與控制盤空氣開關(guān)之間，同時在調(diào)壓器電源側(cè)串接空氣開關(guān)，便于在意外情況下迅速斷開電源。

（2）前墻給煤機(jī)兩路總工作電源送電。

（3）所有工作準(zhǔn)備完畢后，在主控帶機(jī)械負(fù)載啟動給煤機(jī)變頻器。

（4）將調(diào)壓器電壓按10V 的梯度下降，檢查、記錄變頻器運(yùn)行狀態(tài)。

（5）按上述電壓試驗(yàn)完畢后，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行方式。

（6）再次啟動給煤機(jī)變頻器。

（7）人為將總工作電源斷電，觀察切換到備用電源后變頻器運(yùn)行狀態(tài)；再由備用電源切換到工作電源，觀察變頻器運(yùn)行狀況。

（8）試驗(yàn)完畢后，按系統(tǒng)運(yùn)行方式恢復(fù)措施。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在2＃爐28號給煤機(jī)上采用三相調(diào)壓器降壓法試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 在2＃爐28號給煤機(jī)上采用三相調(diào)壓器降壓法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程中，當(dāng)變頻器輸入電壓下降至295V以下時，變頻器停止輸出，約5s后，手動將變頻器輸入電壓調(diào)回到額定值，變頻器輸出逐漸恢復(fù)至原運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 電源全電壓切換情況

利用人為模擬給煤機(jī)工作總電源失電，備用電源連鎖投入方式進(jìn)行試驗(yàn) （電源Ⅰ和電源Ⅱ互為備用）。

第一次：由電源Ⅰ切換到電源Ⅱ （手動斷開電源Ⅰ控制開關(guān)，工作電源Ⅰ接觸器失電跳閘，備用電源Ⅱ自動合閘）：

切換前運(yùn)行參數(shù)：頻率為18 Hz，轉(zhuǎn)速為600r／min，電流為11.9A；

切換后參數(shù)變化：頻率由0 Hz 逐漸升至10.5Hz，電流為11.9A-28A （瞬間最大值）-12.5A。

第二次：由電源Ⅱ切換到電源Ⅰ后立即切換到電源Ⅱ （手動斷開電源Ⅱ控制開關(guān)后立即合入，隨后手動斷開電源Ⅰ控制電源開關(guān)，電源切換過程為：工作電源Ⅱ接觸器失電跳閘，備用電源Ⅰ自動合閘，合閘后又失電，隨即又切回電源Ⅱ）：

切換前運(yùn)行參數(shù)：頻率為18 Hz，轉(zhuǎn)速為600r／min，電流為11.9A；

切換后參數(shù)變化：頻率由0 Hz 逐漸升至20Hz，電流為11.9 A-44 A （瞬間最大值）-12.2A。

第三次：由電源Ⅱ切換到電源Ⅰ （手動斷開電源Ⅱ控制開關(guān)，工作電源Ⅱ接觸器失電跳閘，備用電源Ⅰ自動合閘）：

切換前運(yùn)行參數(shù)：頻率為20 Hz，轉(zhuǎn)速為600r／min，電流為12.2A；

切換后參數(shù)變化：頻率由0Hz逐漸升至20 Hz，電流為11.9A-52A （瞬間最大值）-12.2 A。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過本次試驗(yàn)驗(yàn)證了以下問題：

（1）該型號變頻器帶機(jī)械負(fù)載運(yùn)行時，輸入電壓下降至295V （78%額定電壓），變頻器停止輸出。

（2）該型號變頻器輸入電壓降低停止輸出后，短時間內(nèi)電壓恢復(fù)的情況下，變頻器可自動逐漸恢復(fù)原運(yùn)行狀態(tài)。

（3）該型號變頻器帶機(jī)械負(fù)載運(yùn)行時，輸入電壓瞬間消失重新上電后，變頻器可逐漸恢復(fù)原運(yùn)行狀態(tài)或穩(wěn)定在某一狀態(tài)。

3 研究結(jié)論

結(jié)合綏電A 廠近年來出口500kV 電網(wǎng)故障情況，綜合分析輔機(jī)變頻器目前的運(yùn)行狀態(tài)以及電網(wǎng)單相接地故障時的保護(hù)跳閘時間關(guān)系，形成如下結(jié)論：

（1）目前綏電A 廠給煤機(jī)、空預(yù)器的變頻器具有掉電跨越以及低電壓控制兩個功能，可以實(shí)現(xiàn)0～2s內(nèi)掉電后變頻器自動重啟逐漸恢復(fù)運(yùn)行。

（2）東北電網(wǎng)公司要求必須躲開后備保護(hù)的動作時間，現(xiàn)綏電保護(hù)中除了最長時限零序Ⅳ段 （時限為5s），其余的后備保護(hù)均在2s以內(nèi)，從變頻器的功能看，電源掉電2s以內(nèi)可以自行恢復(fù)運(yùn)行。

（3）從物資部購買變頻器情況得知，該型號的變頻器在市場上已無法購買到。電氣專業(yè)人員根據(jù)此情況對現(xiàn)市場上的最新變頻器進(jìn)行了調(diào)研，并作出設(shè)備改造的準(zhǔn)備，但發(fā)現(xiàn)變頻器掉電跨越以及低電壓控制的兩項(xiàng)功能說明不清楚。咨詢變頻器方面專家后得知，目前市場上的各種品牌變頻器性能均不如該電廠在裝變頻器。故就該問題而言，考慮該電廠在裝變頻器已達(dá)到或接近運(yùn)行壽命，應(yīng)從增設(shè)不間斷電源著手，進(jìn)行變頻器控制系統(tǒng)改造的可行性研究工作。

（4）根據(jù)伊敏會議提供的不間斷電源系統(tǒng)和浮充電池的不停電系統(tǒng)兩個方案，經(jīng)比較分析認(rèn)為，不間斷電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不用單獨(dú)設(shè)置蓄電池室（蓄電池室屬防爆要求范圍，條件環(huán)境要求較高），如果進(jìn)行相關(guān)改造，建議選擇不間斷電源系統(tǒng)。

（5）在目前狀態(tài)下，綏電A 廠發(fā)生低電壓穿越造成給煤機(jī)大面積跳閘的風(fēng)險不大，可不急于增加不間斷電源系統(tǒng)，但從長遠(yuǎn)及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行考慮，應(yīng)盡早對現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高抵御各種風(fēng)險的能力。

4 建議改造方案

根據(jù)綏電A 廠實(shí)際情況，選擇北京四方公司生產(chǎn)的不間斷電源系統(tǒng)—低電壓穿越 （ILP）裝置（如圖1 所示）比較合適。該裝置安全可靠性高，在系統(tǒng)電壓正常的情況下，裝置工作于旁路模式，變頻器由電力系統(tǒng)直接供電，電源變換模塊部分處于休眠狀態(tài)，裝置不參與運(yùn)行，由此降低了ILP裝置中電力電子器件投入使用的工作時間，從而降低了故障概率，提升了變頻控制系統(tǒng)整體的連續(xù)無故障運(yùn)行時間和安全可靠性。

圖1 變頻器低電壓穿越電源 （ILP）裝置的拓?fù)鋱D

該建議改造方案采用分布式供電解決方案，具有如下功能與優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高系統(tǒng)整體可利用效率和可靠性。該解決方案為分布式供電解決方案，每臺變頻器配備了獨(dú)立的ILP 裝置，任意一臺變頻器的故障均不會影響到其他控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高了系統(tǒng)整體的可利用效率與可靠性。同時在安裝方式上，ILP裝置與變頻器就近安裝，最大限度地縮短了電纜連接線的長度，極大地降低了連接線路短路風(fēng)險。

（2）多功能設(shè)計(jì)，可提供常備控制電源。在該解決方案中，每臺ILP裝置內(nèi)部均可提供1路220 V／300 W 的常備電源，用于控制電源的供電，無需外配獨(dú)立UPS。

（3）接線簡單，易于操作。該方案在伊敏電廠4臺60萬kW 機(jī)組以及神華國華呼倫貝爾電廠的給煤機(jī)變頻控制系統(tǒng)上得以應(yīng)用，并擁有半年以上時間應(yīng)用業(yè)績，滿足東北調(diào)度通訊中心 《關(guān)于進(jìn)一步明確火電廠輔機(jī)低電壓穿越能力技術(shù)改造工作有關(guān)要求的通知》中關(guān)于抗低電壓穿越能力技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

給煤機(jī)、空預(yù)器是鍋爐燃燒系統(tǒng)重要的輔機(jī)設(shè)備，采用變頻調(diào)速方式運(yùn)行，在電網(wǎng)電壓低到一定程度時將閉鎖輸出，從而引起全爐膛滅火保護(hù)（MFT）動作跳機(jī)。對于電網(wǎng)來說，由于電網(wǎng)故障時電壓瞬時降低，亟需有功支持維持系統(tǒng)頻率，但此時電廠再出現(xiàn)機(jī)組解列情況會使電網(wǎng)頻率更加惡化，這是非常危險的。因此，電廠輔機(jī)采用抗低電壓穿越能力改造具有相當(dāng)高的安全與經(jīng)濟(jì)價值。

從部分電廠進(jìn)行的變頻器抗低電壓穿越能力改造實(shí)驗(yàn)可以看出，變頻器控制系統(tǒng)改造后，裝置在監(jiān)測到電網(wǎng)電壓跌落和直流母線下降到啟動閥值時，可以很好地完成調(diào)壓控制功能，輸出穩(wěn)定的直流電壓，進(jìn)而保證變頻器具有穩(wěn)定的直流電壓源。在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落時可以維持變頻器的正常工作，維持給煤機(jī)、空預(yù)器等輔機(jī)的轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)速，能夠有效避免因電網(wǎng)電壓異常造成的低電壓穿越所導(dǎo)致的機(jī)組非計(jì)劃停爐，從而提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。