變頻器接入電源系統(tǒng)方案選擇的重要性分析

薄宏巖，吳志忠

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

變頻器接入電源系統(tǒng)方案選擇的重要性分析

薄宏巖，吳志忠

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

低壓、高壓變頻器本身具有通過檢測輸入電源系統(tǒng)電壓、電流來判斷接地故障的功能，如果變頻器接入電源系統(tǒng)沒有隔離變壓器，由于輸入電源系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，變頻器保護(hù)就會(huì)動(dòng)作跳閘。以某大型煤化工項(xiàng)目高壓變頻器選型為例，論述了6kV系統(tǒng)單相接地故障引起同一段母線上多臺(tái)高壓變頻器跳閘的原因。主要對(duì)變頻器接入電源系統(tǒng)類型進(jìn)行了分析，最后闡明了在工程實(shí)際中做好變頻調(diào)速系統(tǒng)方案選擇的前提和必要性。

電源系統(tǒng)；接地故障；隔離變壓器；變頻器

1 引言

國內(nèi)某大型煤化工項(xiàng)目氣化爐水煤漿泵高壓變頻器選擇的是輸入電源沒有隔離變壓器的方案，運(yùn)行中電源系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，同一母線段上的高壓變頻器跳閘停機(jī)。在我國電網(wǎng)大電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘切除故障點(diǎn)。6kV小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)及電氣設(shè)備可以繼續(xù)運(yùn)行2小時(shí)。接在6kV不接地系統(tǒng)上的高壓變頻器跳閘，會(huì)給裝置平穩(wěn)生產(chǎn)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合工程實(shí)例及電網(wǎng)系統(tǒng)的狀況，研究選擇變頻器接入電源系統(tǒng)的方案。文中對(duì)典型變頻器輸入電源隔離方案類型進(jìn)行了分析論述，給工程技術(shù)人員提供在工程實(shí)際中的參考借鑒。下面首先從低壓變頻器接入電網(wǎng)系統(tǒng)的方式進(jìn)行分析，然后主要論述高壓變頻器電源接入方案的類型和選擇。

2 低壓變頻器接地故障

低壓變頻器一般接入380V、600V大電流接地電源系統(tǒng)，出現(xiàn)單相接地故障電流很大，必須將故障回路和供電電源切除，電源被切斷，變頻器自然就停止運(yùn)行，在輸入側(cè)安裝僅起隔離作用的變壓器沒有實(shí)際意義。不管低壓變頻器交流輸入電源側(cè)，還是變頻器輸出側(cè)單相接地，變頻器自身都會(huì)檢測出故障后停機(jī)。下面以低壓變頻器ACS500為例分析接地故障。

2.1 變頻器輸入電源側(cè)接地

（1）如果低壓母線、饋線斷路器、電源饋線電纜等部位發(fā)生單相接地短路故障，低壓母線進(jìn)線斷路器、饋線斷路器電流保護(hù)元件動(dòng)作跳閘，變頻器輸入電源被切斷，變頻器會(huì)失電，停止運(yùn)行。

（2）系統(tǒng)接地的同時(shí)，變頻器本身也會(huì)檢測出故障，表1是ACS500變頻器接地故障信息。當(dāng)?shù)蛪狠斎腚娫唇拥貢r(shí)，變頻器自身檢測供電電源輸入及直流環(huán)節(jié)欠壓故障，故障代碼6表示直流欠壓，相電壓一相接地，中間回路因直流（DC）電壓不足而停機(jī)。

表1 ACS500變頻器接地故障信息

2.2 變頻器輸出側(cè)接地故障

當(dāng)變頻器輸出側(cè)單相接地出現(xiàn)故障，比如變頻器饋線電纜、電動(dòng)機(jī)等部位接地短路故障，變頻器本身也會(huì)檢測出故障。如表1所示，變頻器報(bào)出故障代碼16表示接地故障停機(jī)。

3 高壓變頻器接入方案

按高壓變頻器與供電電源接入方案劃分，分為帶有隔離變壓器和沒有隔離變壓器的兩種方式。以典型高壓變頻器為例，可以細(xì)分為變頻器通過電抗器接入，變頻器通過獨(dú)立隔離變壓器接入，以及變頻器通過移相整流隔離變壓器接入電網(wǎng)系統(tǒng)的三種方式。第一種方式采用能量回饋有源前端（AFE）整流技術(shù)，比如PowerFlex7000變頻器、ACS2000變頻器等。第二種方式獨(dú)立隔離變壓器為兩組繞組，不管一次側(cè)是三角形接線或星形接線，當(dāng)6kV小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，變壓器二次側(cè)線電壓不變，變頻器繼續(xù)運(yùn)行機(jī)組不停機(jī)。比如PowerFlex7000、ACS2000變頻器等，可以在有源前端輸入側(cè)設(shè)計(jì)獨(dú)立的隔離變壓器。第三種方式是變頻器輸入側(cè)帶有移相整流隔離變壓器，比如帶有18脈波整流變頻器，ACS1000帶有△／△－6（Y－11）接線方式移相變壓器的12脈波整流變頻器等。無諧波NBH系列高壓變頻器，MegaVert高壓變頻器，國產(chǎn)高壓變頻器等均可，輸入側(cè)設(shè)計(jì)帶有移相整流隔離變壓器。

4 高壓變頻器接入方式的區(qū)別

下面針對(duì)高壓變頻器接入電網(wǎng)系統(tǒng)不同方式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，以便選擇合適的變頻器調(diào)速系統(tǒng)方案，更好地滿足驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行要求。

4.1 電抗器接入電網(wǎng)方式

（1）首先以PowerFlex7000變頻器為例，不帶輸入隔離變壓器的6脈波整流變頻器，但輸入端帶有電抗器（DILR）與電力網(wǎng)相連接，圖1報(bào)示是Power－Flex7000變頻器電抗器連接方式框圖。圖中采用有源前端PWM整流，SGCT開關(guān)器件電流源（CSI）型變頻器，應(yīng)用的是“直接連接到變頻器Direct－to－Drive”技術(shù)，輸入端電抗器作為選件可有可無。該變頻器的特點(diǎn)是：不需要隔離變壓器；變頻器與電動(dòng)機(jī)之間不需要濾波電抗器。有源前端技術(shù)使用半導(dǎo)體開關(guān)減少系統(tǒng)諧波電流，能夠限制諧波在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并且基本不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共模電壓等。有源前端技術(shù)解決了能量回饋問題，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，特別適用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的慣性負(fù)荷工況。變頻器沒有輸入隔離變壓器相對(duì)優(yōu)點(diǎn)是：降低了變頻器系統(tǒng)的投資，節(jié)省了安裝空間，提高了變頻器系統(tǒng)整機(jī)效率。缺點(diǎn)是系統(tǒng)接地時(shí)變頻器故障跳閘。

圖1 PowerFlex7000變頻器電抗器連接

當(dāng)小電流接地電源系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地短路時(shí)，假設(shè)接地相金屬性接地對(duì)地電壓為0，其它兩相對(duì)地電壓升為線電壓。表2所示是PowerFlex7000變頻器線路接地故障信息表。從表中可以看出，變頻器沒有輸入隔離變壓器時(shí)，母線系統(tǒng)發(fā)生單相接地，變頻器故障跳閘，機(jī)組停機(jī)。

表2 PowerFlex7000變頻器線路接地故障信息表

（2）下面再對(duì)比有源前端ACS2000變頻器，圖2所示是ACS2000變頻器電抗器連接方式框圖，要求輸入端必須帶有電抗器（LR）與電力網(wǎng)相連接，IGCT開關(guān)器件電壓源（VSI）型變頻器。

圖2 ACS2000變頻器電抗器連接

對(duì)于ACS2000直接連接方式變頻器，在選型時(shí)必須要明確變頻器接入系統(tǒng)是大電流接地系統(tǒng)，還是小電流接地系統(tǒng)。變頻器出廠前從技術(shù)上解決系統(tǒng)單相接地是否跳閘的問題，否則會(huì)發(fā)生系統(tǒng)單相接地時(shí)變頻器跳閘停機(jī)。文中的某大型煤化工項(xiàng)目選擇高壓變頻器采用的是有源前端技術(shù)，沒有輸入隔離變壓器，系統(tǒng)單相接地時(shí)存在多臺(tái)變頻器跳閘的問題。

4.2 帶有獨(dú)立隔離變壓器方式

如圖3所示是ACS2000帶有獨(dú)立隔離變壓器的變頻器框圖，同樣是采用有源前端技術(shù)，IFU是濾波器，隔離變壓器只有一二次兩組繞組。選擇該型變頻器接入電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是母線系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地短路，變頻器可以繼續(xù)正常運(yùn)行。由于隔離變壓器在起作用，隔離變壓器一次側(cè)系統(tǒng)單相接地時(shí)二次繞組三相線電壓不變，對(duì)變頻器沒有影響保持繼續(xù)運(yùn)行；缺點(diǎn)是存在投資和變壓器功率消耗增加的問題。對(duì)于關(guān)鍵機(jī)組為提升可靠性安全性，選擇帶有輸入隔離變壓器的變頻器是非常必要的。

圖3 ACS2000變頻器帶有隔離變壓器連接

4.3 帶有移相整流隔離變壓器方式

圖4所示是6kV完美無諧波36脈波變頻器框圖，與圖3中隔離變壓器結(jié)構(gòu)不同，該變頻器隔離變壓器二次帶有18個(gè)繞組，二次繞組為延邊三角形結(jié)構(gòu)，分成不同6個(gè)相位組，相互差10°電角度。是先進(jìn)的移相整流隔離變壓器多重化技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是二次繞組起到均壓作用，防止功率器件受壓不均損壞，6組功率單元電壓降為630V組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。極大地降低了諧波污染，輸入的諧波得到了有效治理。輸入輸出可以不用濾波器，輸入功率因數(shù)能夠達(dá)到0.95，輸出波形接近正弦波。

圖4 6kV完美無諧波36脈波變頻器

ACS1000輸出電壓3.3kV變頻器，變頻器輸入側(cè)為三繞組移相整流隔離變壓器，為了獲得12脈波整流，變壓器二次兩組繞組有30°相位差，其中一個(gè)繞組為星形連接，另外一個(gè)繞組為三角形連接。對(duì)于多臺(tái)變頻器在一段母線上，為降低諧波污染，也可以選擇24脈波的移相整流隔離變壓器，變壓器二次為12個(gè)繞組，分成不同4個(gè)相位組，相互差15°電角度。

5 結(jié)束語

6kV小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)母線和電氣設(shè)備可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，高壓變頻器本身具有判斷接地故障功能，如果變頻器接入母線系統(tǒng)沒有隔離措施，變頻器保護(hù)會(huì)動(dòng)作跳閘。為此，選擇好變頻器接入系統(tǒng)方案是非常必要的。

工藝流程上要求連續(xù)運(yùn)行關(guān)鍵機(jī)組驅(qū)動(dòng)，或者母線上有多臺(tái)高壓變頻器的情況下，在選擇高壓變頻器接入電網(wǎng)方案時(shí)，有必要選擇獨(dú)立隔離變壓器，或者帶有移相整流隔離變壓器的變頻器。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)慣性負(fù)荷，以節(jié)約能源為主，要求控制投資。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障率極低，在機(jī)組停機(jī)無大礙的情況下，可以優(yōu)先考慮選擇有源前端直接連接變頻器技術(shù)方案。如果情況允許，建議給變頻器加裝自動(dòng)工頻旁路功能。

在工程設(shè)計(jì)階段做好高壓變頻器方案的比對(duì)，工程前期論證非常必要。最好與制造商專業(yè)工程師充分對(duì)接，了解掌握變頻器性能、保護(hù)配置、參數(shù)設(shè)置等，避免出現(xiàn)變頻器方案選擇不當(dāng)?shù)膯栴}。

［1］吳忠志.沒有高壓隔離變壓器的高壓變頻器不能正常運(yùn)行［J］.變頻技術(shù)應(yīng)用，2014，（2）.

［2］李登峰.高壓變頻裝置配套用移相整流變壓器［J］.變頻器世界，2006，（10）.

［3］張 亮，蔡 旭，陳國棟，張建文.高壓變頻器研究和應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.第四屆中國高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010.

作者介紹：

薄宏巖（1964－），男，副高職，主要從事石油化工、煤制油化工電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)管理工作。

Analysis of importance of scheme selection for converter power supply system

BO Hong－yan
（Ordos Coal－derived Oil Branch，China Shenhua Coal－derived Oil Chemical Co.，Ltd.，Ordos 017209，China）

The low－voltage and high－voltage converters themselves have the judging function for the grounding faults by detecting the input voltage and the input current of the input power supply.If the inverter connected into the power supply system without isolating transformer，it may cause the converter protection action and the input power switching－off in case of the single－phase grounding faults happen in the input power supply system.Taking a large coal chemical project of high－voltage inverter as a selection model，the reasons of one single－phase grounding fault causing multiple high－voltage converters tripping on the same bus in the 6kV system are discussed.The types of the converter power supply system are analyzed.The necessity and the premise of the scheme selection for the frequency control systems are also given.

power supply system；grounding fault；isolating transformer；frequency converter

M344.6

：B

1005—7277（2017）01—0050—04

2016－09－05