火電廠高壓變頻器故障自檢缺陷的檢查及處理

天津華能楊柳青熱電有限責任公司 陳孫山

0　引言

火電廠引風機高壓變頻器是重要設備，當高壓變頻器發生故障停止運行時，如不能立即將電動機切換至工頻，很可能會導致機組停機，嚴重影響機組運行安全。某火電廠高壓變頻器由于欠缺自身故障的自檢功能，在故障時無法啟動切換，曾發生機組停機及RB動作事故。如何解決高壓變頻器故障自檢功能缺失的情況下的實現變頻工頻的可靠切換，保證機組安全可靠運行，是一個很現實的問題。

本文針對以上問題進行分析，提出了改進方法并在實際中成功應用，取得了較好的效果，為以后此類型缺陷分析處理提供一些參考經驗。

1　系統簡介

某火力發電廠的300MW機組引風機高壓變頻器一次回路圖如圖1。

圖1 高壓變頻器一次回路圖

圖1中QF為變頻器電源開關，QS1為變頻器輸入刀閘、QS2為變頻器輸出刀閘，KM1為變頻器輸出接觸器，QF1為變頻器輸入開關、QF2為工頻開關；高壓變頻器配置的PLC為西門子產品（SIEMENS S7-200），主板為變頻器廠家生產的產品，變頻與工頻的切換功能都由變頻器PLC來實現。當DCS系統或變頻器自身發變頻切工頻命令，或變頻器重故障時，先自動斷開QF1和KM1，延時4S再合上QF2，電機由變頻轉為工頻運行。

變頻器在運行狀態下，只有變頻器出現重故障或者手動執行變切工指令時才能實現變頻器變切工。一旦變頻器出現PLC故障，此時PLC無法自檢后判斷執行相關指令，或者出現主板間歇性的軟故障，此時主板已關閉變頻器輸出，而PLC并未真正接收到主板重故障信號，這兩種情況都無法實現變頻切工頻運行。

DCS系統實現變頻器切換，由運行人員根據風機運行情況，將調節方式投入自動后，DCS順控向變頻器PLC發出變切工指令，由PLC實現變頻切工頻，DCS系統本身不具備切換功能。當DCS系統無法收到變頻運行信號和工頻運行信號時，延時10S自動跳開電源開關QF，風機停運。

2　事故經過及分析

2.1　變頻器主板故障事故

2016年8月2日某機組帶負荷200MW運行，兩臺引風機變頻運行，運行頻率29Hz，19時20分41秒（GPS時間，以下類同）爐膛負壓低鍋爐MFT動作，機組跳閘。

調取機組SOE記錄：

19時19分59秒，引風機電流從36.8A瞬間下降至0 A；

19時20分01秒，引風機變頻電流從88.6A瞬間下降至0 A，爐膛壓力增加至552.6Pa；

19時20 分41 秒，引風機變頻器重故障信號發出，變頻器停止。

對變頻器進行檢查，測量主板電源輸出電壓為2.06V（額定輸出為5V），判斷電源模塊損壞。

此電源模塊故障，主板判斷為瞬時停電故障，進入了瞬停狀態（當電源電壓擾動降低后在規定時間范圍內自動恢復正常時，變頻器也隨之自動再啟動，確保系統穩定，即變頻器具備高壓失電短時跟蹤再啟動功能。在這規定時間范圍內，變頻器所處的運行狀態即為瞬停狀態），變頻器輸出關閉，運行狀態保持。由于故障時引風機變頻運行信號存在，因此DCS未能實現引風機由變頻切至工頻運行；此時另一臺引風機為了維持爐膛負壓，頻率逐漸增大，靜葉擋板及變頻器的特性不能滿足此異常工況下的調節要求，造成爐膛負壓低鍋爐主保護動作。

此次事件的直接原因為變頻器主板電源模塊故障，導致變頻器“重故障信號”未及時發出，造成變頻器停止輸出到變頻切工頻運行間隔時間太長，從而引發引風機靜葉異常調節，爐膛負壓低鍋爐MFT動作，機組跳閘。

更換變頻器主板，并將主板程序輸入后，機組再次啟動工作正常，順利并網運行。

2.2　變頻器PLC故障事故

2016年3月21日某一次風機變頻器因PLC故障引起機組RB動作，跳一列風機。

檢查變頻器，發現PLC裝置故障燈亮， QF1和KM1都已跳開，但QF2未合閘，在液晶顯示屏上無故障和操作記錄，在DCS系統中調取變頻器各信號記錄，DCS系統未收到變頻運行信號和工頻運行信號，檢查變頻器外部無任何故障，判斷為PLC故障死機導致；PLC處于死機狀態下自動將全部輸出接點歸零。由于設計PLC輸出跳QF1、KM1接點均為常閉接點，故PLC死機后內部輸出全部恢復至初始狀態，自動將QF1、KM1跳開；同時PLC死機后不能執行正常的變頻切工頻邏輯，而PLC合QF2接點為常開接點，故QF2未合閘，從而引起一次風機變頻運行信號和工頻運行信號全部為0，DCS系統判斷后延時，自動跳開風機電源開關QF，引發機組RB動作，跳開對應的引風機、送風機，機組降負荷運行。

更換PLC插件，并將PLC程序和邏輯重新輸入后，試驗正確，風機變頻器投入運行。

2.3　暴露問題

由以上兩次事故暴露出火電廠高壓變頻器系統存在的問題：

（1）當變頻器主板異常或間歇性軟故障時，外部給主板提供的各個開入量無法反饋至主板，主板亦無法與PLC之間建立良好的通訊，因此無法及時向PLC發出重故障信號。

（2）當變頻器PLC故障時，自動將變頻器退出，無法執行內部邏輯功能切換至工頻運行，也無法自檢并發出故障信號，且無任何其它手段對其進行監控。

這兩個問題均會對機組安全造成重大影響，必須設法解決。

3　處理方案

針對以上事故，解決問題的關鍵在于當發生類似變頻器主板異常或PLC故障時，應立即向PLC或DCS系統發出故障信號，啟動變頻切換工頻功能。

由于變頻器自身不具有這樣的功能，因此，我們采取以下兩種方案。

3.1　增加DCS判斷變頻器故障的邏輯，由DCS來完成變頻切工頻功能

DCS系統由運行人員根據風機運行情況，投入自動調節方式后，DCS順控向變頻器PLC發出變切工指令，DCS系統自身無法根據風機實際故障情況來實現自動切換。現對其進行改進，增加DCS系統判斷高壓變頻器故障的邏輯，實現變頻切工頻功能。

新增DCS系統實現變頻切工頻邏輯說明如下：

3.1.1考慮風機變頻器在手動操作時的不穩定性，增加風機變頻器自動投入和風機后煙氣擋板全開兩個條件同時滿足，經30s延時，作為“DCS變頻器調節投自動”判據。

3.1.2變頻器工頻切變頻過程中出現故障時，不應繼續切換；因此，將變頻器PLC發出的“工切變”指令和“充電中”信號一起作為DCS邏輯“ 切換中”信號，閉鎖DCS系統變頻切工頻，當收到“變頻運行”信號后，經延時，“切換中”信號返回。

3.1.3由于變頻器主板故障時，變頻器實際輸出為0，高壓開關電流也會變為0，因此，增加“DCS檢測高壓開關電流異常”判斷，即6KV高壓電源開關工頻電流小于5%電動機額定電流（可根據設備運行工況設置）時判斷為電流異常，允許變頻切工頻。

3.1.4根據規范要求，變頻器必須具備“高壓失電短時跟蹤再啟動”功能，考慮到“高壓掉電”信號需經處理后，提供給變頻器主板，因此由變頻器廠家修改主板程序，由主板根據采集的高壓電壓來判別，給DCS系統送出“高壓掉電”信號。

3.1.5因高壓變頻器無法提供6KV電源開關電流，現場在6KV電源開關柜內新增電流變送器，利用4-20mA工頻電流信號送入DCS系統，作為“DCS檢測高壓開關電流異常”邏輯判據。

3.1.6“DCS檢測高壓開關電流異常”、同時無“高壓掉電”（有瞬停信號時閉鎖電流異常啟動變切工、并且瞬停信號超過6S時允許電流異常啟動變切工）、無“工切變”（變頻器PLC發出的信號）、有“DCS變頻器調節投自動”信號，延時2秒鐘后啟動變切工。

3.1.7因新增機組DCS實現變頻器變頻切工頻邏輯，因此，為避免重復功能，變頻器PLC邏輯中取消DCS變頻切工頻邏輯。

3.1.8新敷設電纜，由熱控出口繼電器柜至變頻器控制柜、QF1開關柜、KM1開關柜、QF2開關柜，用于新增上送的變頻器輸出的“高壓掉電”信號、QF1、KM1分閘指令和QF2開關合閘指令。

3.2　增加變頻器PLC失電或自檢故障時，發出異常信號，由硬接線回路進行合工頻開關，實現變頻切工頻功能

變頻器PLC處于死機狀態下自動將全部輸出接點歸零，故PLC死機后自動將QF1、KM1跳開，但無法合QF2；為了防止高壓變頻器PLC失電或故障時造成設備停運，在控制回路中增加PLC自檢功能，若PLC失電或自檢異常，故障信號通過中間繼電器接點送至DCS系統，并經延時啟動出口繼電器合旁路開關QF2，保證設備切至工頻運行。變頻器PLC邏輯框圖如圖2。

圖2　 PLC失電或自檢異常邏輯框圖

邏輯框圖中SM0.0為PLC裝置判斷電源檢測或自檢，Q2.4為變頻器PLC失電或自檢異常輸出繼電器，在變頻器PLC失電或自檢異常時接點閉合，外部電氣接線回路圖如圖3。

圖3　PLC失電或自檢異常外部電氣接線回路圖

4　現場試驗

為了驗證以上兩種改進方法的正確性，利用機組啟動前鍋爐點火時，連帶風機一起進行測試。用一次風機做試驗，一次風機所需輔助設備都正常啟動，測試方法如下：

（1）由當值運行人員操作，將一次風機變頻器自動投入和風機后煙氣擋板全開，DCS變頻器調節投自動，一次風機變頻器變頻啟動運行至35Hz，挑開主板數字量輸入端口的供電電源24V線，此時主板處于故障狀態，無法接收到外部任何開入信號，此時主板停止工作，此時變頻器無重故障信號，變頻器PLC無法進入重故障邏輯判斷程序，主板亦無法給功率單元發出調節指令，變頻器輸出關閉，此時一次風機電源開關電流都是急速下降，在0.5S左右降至電流低設定值（5%額定電流），滿足DCS判斷變頻器故障切工頻邏輯條件，由DCS系統經延時將變頻器輸入開關QF1和輸出接觸器KM1跳開，再經4S延時合上工頻開關QF2，切換至工頻運行，變頻器PLC本身無任何故障動作信息，一次風機運行正常，爐膛內風壓調節正常。

（2）由當值運行人員操作，一次風機變頻器變頻啟動運行至35Hz，由檢修人員通過筆記本與PLC連接，人為模擬PLC內部程序紊亂，PLC報自檢異常，此時變頻器瞬時將變頻器輸入開關QF1和輸出接觸器KM1跳開，經4S延時合上工頻開關QF2，切換至工頻運行，各個繼電器動作正確，一次風機運行正常，爐膛內風壓調節正常。

本例中改進方法經現場試驗測試正確無誤，證明火電廠高壓變頻器故障自檢缺陷能通過一系列改進方法得以解決處理，以確保機組運行穩定可靠。

5　結束語

以上兩種改進方法已全部應用于某電廠同類型的高壓變頻器中，通過帶風機和電機實際運行工況，進行試驗測試和參數完善，確保改進功能實現完好無缺。方法改進后近兩年時間內，未發生一次因變頻器故障影響機組安全穩定運行的事件，大大提高了風機運行的安全可靠性。

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