俄供800MW 機組鍋爐輔機抗低電壓穿越能力研究

韓長利

（國華綏中發電有限責任公司，遼寧省葫蘆島市，125222）

2011年1月2日，東北電網500kV 伊換1＃線發生跳閘事故時，系統瞬時電壓跌落，低電壓穿越到發電廠用電系統，造成使用負壓型鍋爐的伊敏發電廠、呼倫貝爾發電廠機組給煤機變頻器低電壓閉鎖保護動作，給煤機停止運行，鍋爐滅火，導致發電機組跳閘，對東北電網安全產生嚴重影響。

根據伊敏發電廠與呼倫貝爾發電廠事故調查資料，給煤機停止運行是因為變頻器在輸入電壓降低時低電壓保護快速閉鎖輸出。說明安裝有變頻器的輔機 （電動機）在系統電壓降低時會停止運行，從而造成停爐、停機事故。

上述事故發生后，東北電網公司先后3次召開會議，并發布對所屬電廠的指導意見，要求各電廠進行輔機變頻器系統抗低電壓能力自查，并依據自查結果進行相應的輔機變頻器系統抗低電壓穿越能力改造。

1 綏中發電有限責任公司800MW 機組鍋爐輔機變頻控制情況

1.1 變頻器情況

綏中發電有限責任公司 （以下簡稱 “綏電”）A 廠2臺俄供800 MW 機組目前的給煤機、空預器運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的1336PLUSⅡ系列變頻器，給煤機系統安裝型號為1336FB030-AA，空預器安裝型號為1336F-B050-AA。

通過查閱相關資料，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當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）最長可達到2s，在2s時間內，電源電壓恢復，變頻器能按照自設定程序自行啟動運行。

每臺鍋爐共配備8臺給煤機，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，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，在給煤機前墻配電室的總電源柜匯合，通過交流接觸器的自動聯投回路匯成一路電源同時供給前墻4臺給煤機，如正在工作的電源失電或出現故障，則通過自動聯投回路切換到另外一路電源運行，在切換過程中，電源瞬間失電，變頻器有瞬間停止輸出現象，但輸出可很快恢復到原運行狀態，在DCS上沒有異常反應。

每臺鍋爐共配備3臺空預器，采用雙套變頻器—電機驅動裝置，獨立電源、獨立控制，互為備用，當運行中的驅動裝置跳閘，備用驅動裝置將自動投入運行，保證了在各種工況下空預器的可靠運行。

1.2 經歷500 kV 近端故障情況

下面是綏電A 廠近年來500kV 系統母線出口短路或近區故障，1＃、2＃機組6kV 廠用段母線電壓下降情況。

（1）2008年6月25日系統發生C 相單相接地故障。

2008年6 月25 日系統發生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。反應到機組6kV 母線電壓，B相電壓下降最嚴重為2.96kV，為額定電壓的81%。

（2）2008年9月20日5022開關C 相氣室內部發生閃絡。

2008年9月20日綏高2＃線恢復送電，19時19分，綏高2＃線主保護動作，經檢查為5022 開關C相氣室內部發生閃絡。1＃機組廠用段1BA、1BB01、1BB02的3段母線電壓，其中B相電壓下降最嚴重，至2.65kV，為額定電壓的73%Ue。

（3）2008年9月20日高嶺變側做短路試驗。

2008 年9 月20 日高嶺變側做短路試驗，500kV電壓相電壓下降至接近30kV 左右，持續時間40ms。1＃機組廠用段1BA、1BB01、1BB02的3段母線電壓，其中B 相電壓下降最嚴重，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C相連桿松動，接地開關觸頭產生位移，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，持續時間60ms。此時2＃機廠用段由高備變帶，2＃機組廠用段2BA、2BB01、2BB02 的3 段母線電壓最低下降至2.23kV，為額定電壓的60%。

根據上述故障分析可以得出以下結論：

（1）500kV 系統母線出口短路或近區故障，機組6kV 廠用段母線電壓下降不會超過70%Ue。再經過6／0.4kV 低廠變后，電壓下降幅度應該更少。

（2）500kV 系統在故障時電壓最低達到了0kV，故障時間為90 ms以內，但在此時段內和較嚴重故障下對應綏電A 廠運行機組的變頻器運行正常，機組運行正常。

2 變頻器低電壓工況試驗研究

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

綏電A 廠2 臺800MW 機組共16 臺給煤機，均采用變頻調節控制方式，采用美國羅克韋爾自動化有限公司生產的1336PLUSⅡ系列變頻器，型號為1336F-B030-AA，參數見表1。

表1 1336F-B030-AA 型變頻器電氣參數

2.1 試驗步序

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

（2）前墻給煤機兩路總工作電源送電。

（3）所有工作準備完畢后，在主控帶機械負載啟動給煤機變頻器。

（4）將調壓器電壓按10V 的梯度下降，檢查、記錄變頻器運行狀態。

（5）按上述電壓試驗完畢后，恢復系統正常運行方式。

（6）再次啟動給煤機變頻器。

（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行狀態；再由備用電源切換到工作電源，觀察變頻器運行狀況。

（8）試驗完畢后，按系統運行方式恢復措施。

2.2 試驗數據

在2＃爐28號給煤機上采用三相調壓器降壓法試驗數據見表2。

表2 在2＃爐28號給煤機上采用三相調壓器降壓法試驗數據

試驗過程中，當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回到額定值，變頻器輸出逐漸恢復至原運行狀態。

2.3 電源全電壓切換情況

利用人為模擬給煤機工作總電源失電，備用電源連鎖投入方式進行試驗 （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，工作電源Ⅰ接觸器失電跳閘，備用電源Ⅱ自動合閘）：

切換前運行參數：頻率為18 Hz，轉速為600r／min，電流為11.9A；

切換后參數變化：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控制開關后立即合入，隨后手動斷開電源Ⅰ控制電源開關，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）：

切換前運行參數：頻率為18 Hz，轉速為600r／min，電流為11.9A；

切換后參數變化：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，工作電源Ⅱ接觸器失電跳閘，備用電源Ⅰ自動合閘）：

切換前運行參數：頻率為20 Hz，轉速為600r／min，電流為12.2A；

切換后參數變化：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 試驗結果

通過本次試驗驗證了以下問題：

（1）該型號變頻器帶機械負載運行時，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，短時間內電壓恢復的情況下，變頻器可自動逐漸恢復原運行狀態。

（3）該型號變頻器帶機械負載運行時，輸入電壓瞬間消失重新上電后，變頻器可逐漸恢復原運行狀態或穩定在某一狀態。

3 研究結論

結合綏電A 廠近年來出口500kV 電網故障情況，綜合分析輔機變頻器目前的運行狀態以及電網單相接地故障時的保護跳閘時間關系，形成如下結論：

（1）目前綏電A 廠給煤機、空預器的變頻器具有掉電跨越以及低電壓控制兩個功能，可以實現0～2s內掉電后變頻器自動重啟逐漸恢復運行。

（2）東北電網公司要求必須躲開后備保護的動作時間，現綏電保護中除了最長時限零序Ⅳ段 （時限為5s），其余的后備保護均在2s以內，從變頻器的功能看，電源掉電2s以內可以自行恢復運行。

（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。電氣專業人員根據此情況對現市場上的最新變頻器進行了調研，并作出設備改造的準備，但發現變頻器掉電跨越以及低電壓控制的兩項功能說明不清楚。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到或接近運行壽命，應從增設不間斷電源著手，進行變頻器控制系統改造的可行性研究工作。

（4）根據伊敏會議提供的不間斷電源系統和浮充電池的不停電系統兩個方案，經比較分析認為，不間斷電源系統結構簡單，不用單獨設置蓄電池室（蓄電池室屬防爆要求范圍，條件環境要求較高），如果進行相關改造，建議選擇不間斷電源系統。

（5）在目前狀態下，綏電A 廠發生低電壓穿越造成給煤機大面積跳閘的風險不大，可不急于增加不間斷電源系統，但從長遠及機組穩定運行考慮，應盡早對現變頻控制系統進行改造，提高抵御各種風險的能力。

4 建議改造方案

根據綏電A 廠實際情況，選擇北京四方公司生產的不間斷電源系統—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，變頻器由電力系統直接供電，電源變換模塊部分處于休眠狀態，裝置不參與運行，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整體的連續無故障運行時間和安全可靠性。

圖1 變頻器低電壓穿越電源 （ILP）裝置的拓撲圖

該建議改造方案采用分布式供電解決方案，具有如下功能與優點：

（1）提高系統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的安全運行，提高了系統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險。

（2）多功能設計，可提供常備控制電源。在該解決方案中，每臺ILP裝置內部均可提供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 機組以及神華國華呼倫貝爾電廠的給煤機變頻控制系統上得以應用，并擁有半年以上時間應用業績，滿足東北調度通訊中心 《關于進一步明確火電廠輔機低電壓穿越能力技術改造工作有關要求的通知》中關于抗低電壓穿越能力技術指標要求。

5 結論

給煤機、空預器是鍋爐燃燒系統重要的輔機設備，采用變頻調速方式運行，在電網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（MFT）動作跳機。對于電網來說，由于電網故障時電壓瞬時降低，亟需有功支持維持系統頻率，但此時電廠再出現機組解列情況會使電網頻率更加惡化，這是非常危險的。因此，電廠輔機采用抗低電壓穿越能力改造具有相當高的安全與經濟價值。

從部分電廠進行的變頻器抗低電壓穿越能力改造實驗可以看出，變頻器控制系統改造后，裝置在監測到電網電壓跌落和直流母線下降到啟動閥值時，可以很好地完成調壓控制功能，輸出穩定的直流電壓，進而保證變頻器具有穩定的直流電壓源。在電網電壓出現跌落時可以維持變頻器的正常工作，維持給煤機、空預器等輔機的轉矩和恒定轉速，能夠有效避免因電網電壓異常造成的低電壓穿越所導致的機組非計劃停爐，從而提高發電機組運行的安全性和可靠性。