淺析凝泵變頻運行熱工及電氣保護的配合

摘 要：電廠凝結水泵正常工作方式采用變頻運行。當凝結水泵熱工保護動作后，為使凝泵變頻器能迅速再次啟動，熱工邏輯發指令跳凝泵變頻器出口開關，這樣會造成變頻器突然甩負荷，變頻器容易誤故障報警，無法迅速啟動。為消除誤報警，修改熱工保護邏輯，使其在熱工故障時改變變頻器跳閘方式，經過模擬實際運行，消除了誤報警，保證了機組安全穩定性。

關鍵字：凝泵變頻器；熱工保護；電氣保護；保護配合

1 引言

現代電力生產過程中，為節約能源，增加收益，火電廠泵和風機等輔機多采用變頻調速技術，以實現在較低負載下，將閥門和風門擋板的節流損失降到最低，讓能源得到充分利用。某電廠的#1、#2機組的凝結水泵（以下簡稱凝泵）正常情況下采取變頻運行方式，變頻器選用西門子-羅賓康高壓變頻器，自兩臺機組投產以來，多次發生凝泵變頻器跳閘事件，其中#1機組3次，#2機組3次，無一例外，每次變頻器跳閘后均報“Output Ground Fault（輸出接地故障）”和“Motor Over Volt Fault（電機過壓故障）”，但每一次跳閘后對變頻器及凝泵電機作全面檢查，電氣設備正常。

2 凝泵變頻運行方式

凝汽式發電機組一般裝設兩臺凝結水泵，正常情況下一運一備。為了節約能源，降低成本，兩臺凝結水泵合用一臺變頻器，既一拖二的運行方式。接線原理如下圖：

正常情況下，一臺凝結水泵變頻運行，另一臺工頻備用。當變頻器出現異常故障時，變頻器停止運行，工頻備用凝泵自啟，以迅速恢復凝結水系統正常運行，從而保證發電機組正常運行。如圖接線方式，變頻器運行方式靈活，可以帶任意一臺凝泵變頻運行，而另外一臺可做工頻備用泵。

3 存在的問題

2012年1月7日中午11：58：13，某廠#1機組ⅠA凝泵變頻運行突然跳閘，ⅠB凝泵工頻聯鎖啟動失敗，DCS操作員站變頻器故障光字牌閃爍。11：58：38汽機運行人員手動啟動ⅠB凝泵工頻運行成功。事后查閱變頻器故障記錄為“Output Ground Fault（輸出接地故障）”和“Motor Over Volt Fault（電機過壓故障）”，電氣檢修專業對#1A凝泵電機及動力電纜進行檢查，絕緣電阻為1.3GΩ以上，絕緣合格；對變頻器本體進行在線檢查，無異常現象，經值長同意，ⅠA凝泵重新啟動變頻，運行正常。

2012年2月17日23：50，某廠#2機組發生與#1機組同樣的凝泵變頻運行跳閘事件，報警內容與#1凝泵變頻器完全相同。同樣對凝泵及電纜絕緣測試，對變頻器本體進行全面檢查，設備正常。此后#1、#2凝泵變頻器先后發生過四次同樣的跳閘事件。

變頻器如此頻繁跳閘，若運行人員在事故處理過程中操作不當，備用凝泵不能及時投入，發電機組很可能停運，造成重大經濟損失。

4 熱工保護邏輯分析

凝泵用于把凝汽器下部熱井中的凝結水抽出，并將其升壓送往除氧器，其在整個電廠熱力系統中起著至關重要的作用，一旦凝結水泵出現故障必然導致發電機組停機，為有效保證機組自身的安全，該廠凝泵熱工保護跳閘條件如下：

（1）熱井水位低于200mm，延遲10S凝泵跳閘；

（2）凝泵軸承溫度高于80℃（單點）凝泵跳閘；

（3）進口門全關且相應泵運行，延時1S凝泵跳閘；

（4）再循環門關且軸封冷卻器入口流量低于300t/h，凝泵跳閘；

（5）變頻狀態運行時，變頻器故障，凝泵跳閘；

（6）凝結水泵A/B工頻或變頻運行延時30S，且相應出口電動門全關，凝泵跳閘；

從所發生故障現象直觀判斷，疑似凝泵變頻運行時變頻器重故障（輸出接地，電機過壓）導致變頻運行凝泵跳閘。熱控專業查閱歷史記錄時發現“變頻器綜合故障”信號從變頻器傳來，且并未查到有其他熱工邏輯出口，故障現象符合熱工跳閘邏輯第（5）條，因此熱工專業認為是變頻器故障造成變頻器跳閘，并未做出深入分析。

5 電氣保護分析

某廠變頻器選用的的是西門子（上海）電氣傳動設備有限公司的高壓變頻器，變頻器本身設有以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、三相不平衡、輸入接地、輸出接地、變頻器過載保護、電機過載保護等等。

變頻器出現的故障報警為“輸出接地”和“電機過壓”，從電力系統分析相關知識可知“輸出接地”和“過電壓”在大電流接地系統中不可能同時出現。因為凝泵6kV高壓電源來自高廠變，其中性點經6.06歐姆小電阻接地，屬于大電流接地系統。當發生單相接地故障時，故障相電壓降為零，非故障相電壓保持不變，不可能出現過壓現象。又因為對電纜及電機絕緣測試合格，電氣專業判斷該故障報警為變頻器誤報警。

6 聯合檢查

鑒于電氣和熱工專業單方面均未查出故障原因，于是決定成立調查小組，并制定檢查方案，聯合進行檢查分析（以#1機變頻器為例）。

檢查試驗步驟如下：

（1）熱控專業檢查DCS有關變頻器的邏輯，并調取歷次變頻器故障歷史曲線；

（2）電氣專業檢查變頻器進、出線開關及變頻器之間電氣聯鎖接線，理清三者之間邏輯；

（3）在工作位置，合上變頻器進、出線開關，變頻器試運行，就地手動分開變頻器出線開關.觀察并記錄凝泵變頻器、進出線開關及機械設備工況；

（4）根據以上試驗的結果，按需求修改DCS邏輯，解決變頻器誤報警問題。

7 檢查結果

根據以上步驟檢查分析結果如下：

（1）變頻器故障報警信號由變頻器本體（TB2：17-18）傳送到熱控DCS。

（2）調閱2012年1月7日變頻器跳閘歷史曲線，如圖所示，再循環門關且軸封冷卻器入口流量低于300，延時3秒，ⅠA變頻器出線開關先跳閘，之后變頻裝置停止，變頻電源進線開關跳閘。其他幾次跳閘歷史曲線與1月7日曲線相似，不再羅列。

（3）凝泵熱工保護跳閘條件滿足后，發跳閘指令給運行凝泵變頻器出線開關。如圖4：

（3）變頻器與ⅠA變頻電源進線電源開關之間有聯鎖（變頻器停止，進線電源開關跳閘），與變頻出線開關無聯鎖；ⅠA變頻電源進線開關與出線開關之間無聯鎖。

（3）變頻器進、出線開關合閘，變頻器運行，就地手動分開變頻器出線開關，變頻器報“Output Ground Fault（輸出接地故障）”和“Motor Over Volt Fault（電機過壓故障）”。工頻備用開關聯鎖啟動成功。

8 結果分析

從以上實驗結果可以得出結論，因為熱工方面凝結水系統再循環門關閉，當軸封冷卻器入口流量低于300 t/h時，滿足凝泵熱工跳閘條件（4），延時3秒，熱控DCS發出指令跳變頻器出線側開關。出線側開關跳閘后導致變頻器發出“電機過壓”和“輸出接地”故障，之后變頻器停止運行并跳6kV變頻器電源進線開關且同時送“變頻器綜合故障”到DCS。由此可判斷為熱工方面的邏輯與電氣保護配合不當是造成變頻器頻繁跳閘并誤報警的主要原因。若能將保護配合做適當改造將解決變頻器跳閘誤報的問題。

9 改造方案

要解決變頻器誤報警問題可以從兩方面著手，第一，電氣保護方面。給輸出“接地保護”和“電機過壓保護”加一段延時，可以使變頻器保護在熱工保護跳出線開關時不再報警。延時用于避開從出線開關跳閘到變頻電源進線開關跳閘這段時間，以至于熱工故障跳出現后不再報警。第二，熱控保護方面。修改熱控DCS邏輯，當熱工保護滿足凝泵跳閘條件后直接發跳閘指令給變頻器電源進線開關、變頻器出線開關，同時發指令停止變頻器運行，這樣變頻器正常運行時就不會因突然甩開負荷導致變頻器過壓，也不會誤報“輸出接地”。

兩種方案相互比較。第一種方案缺點在于當真正發生接地故障時，延時過長將不能及時跳開高壓開關，可能會加大設備損壞程度，另外保護的整定時間需要與上級保護相配合，若不能找到合適的延時時間，此方案將不能應用；第二種方案，缺點在于發生熱工故障后整個變頻裝置直接退出運行，不能再次迅速投入使用。在備用工頻凝泵可以聯起情況下，變頻裝置直接退出不會對生產造成太大影響。

綜合以上分析選擇第二種方案，修改熱控邏輯。當出現熱工故障時，使變頻器及其進、出線開關同時跳閘。

10 邏輯修改，試驗驗證

修改邏輯前，凝泵熱工故障只跳變頻器出線開關，變頻器及電源進線開關不跳。在變頻器及其進線開關原有的邏輯上添加熱工保護跳閘條件，即能滿足變頻器及其進、出線開關同時跳閘的要求。添加邏輯后的變頻器電源進線開關邏輯如圖6：

變頻器本體新添加跳閘邏輯也同圖6，限于篇幅不在贅述。

變頻器及其電源進線開關邏輯經過以上修改，對其功能進行試驗。在工作位置，合上變頻器進、出線開關，變頻器試運行，汽機運行專業有意將熱井水位調低至200mm以下，延遲10S后，凝泵及其進出線開關同時跳閘。查看變頻器本體報警情況及歷史記錄，未出現“電機過壓”和“輸出接地”報警，變頻器停止運行狀態良好。試驗相關歷史曲線如圖7。

11 結束語

熱工跳閘條件中有“凝泵變頻狀態運行時，變頻器重故障”，而變頻器報警又是“電機過壓”和“輸出接地”等重故障，加上熱工保護動作后沒有具體明確的記錄，變頻器跳閘原因撲朔迷離。經過檢查分析、提出并選定方案、實施方案，試驗驗證等各個環節，終于解決了凝結水泵的熱工保護與凝結水泵變頻器的電氣保護配合問題，保證了發電機組的安全穩定運行。

參考文獻

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作者簡介

朱中艮，男，工程師，從事發電廠生產管理工作。