俄供800MW 机组锅炉辅机抗低电压穿越能力研究

韩长利

（国华绥中发电有限责任公司，辽宁省葫芦岛市，125222）

2011年1月2日，东北电网500kV 伊换1＃线发生跳闸事故时，系统瞬时电压跌落，低电压穿越到发电厂用电系统，造成使用负压型锅炉的伊敏发电厂、呼伦贝尔发电厂机组给煤机变频器低电压闭锁保护动作，给煤机停止运行，锅炉灭火，导致发电机组跳闸，对东北电网安全产生严重影响。

根据伊敏发电厂与呼伦贝尔发电厂事故调查资料，给煤机停止运行是因为变频器在输入电压降低时低电压保护快速闭锁输出。说明安装有变频器的辅机 （电动机）在系统电压降低时会停止运行，从而造成停炉、停机事故。

上述事故发生后，东北电网公司先后3次召开会议，并发布对所属电厂的指导意见，要求各电厂进行辅机变频器系统抗低电压能力自查，并依据自查结果进行相应的辅机变频器系统抗低电压穿越能力改造。

1 绥中发电有限责任公司800MW 机组锅炉辅机变频控制情况

1.1 变频器情况

绥中发电有限责任公司 （以下简称 “绥电”）A 厂2台俄供800 MW 机组目前的给煤机、空预器运行均采用变频器控制的方式，所有变频器均采用美国罗克韦尔自动化有限公司生产的1336PLUSⅡ系列变频器，给煤机系统安装型号为1336FB030-AA，空预器安装型号为1336F-B050-AA。

通过查阅相关资料，该型号变频器有以下性能：

（1）交流输入电压：额定电压为AC 380V，欠电压跳闸为AC 280V，过电压跳闸为AC 570V。

（2）直流母线电压：额定电压为DC 648V，母线欠电压跳闸为DC 400V，过电压跳闸为DC 810V。

（3）主电源掉电保护时间：满载时维持15ms。

（4）逻辑控制掉电时间：最小0.5s，典型2s。

该型号变频器可根据当时工况和变频器所承载情况，变频器程序自启动时间 （掉电时间）最长可达到2s，在2s时间内，电源电压恢复，变频器能按照自设定程序自行启动运行。

每台锅炉共配备8台给煤机，电源供给方式为前墙4台和后墙4台，分别在不同的配电室内，前后墙的电源配置方式相同。以前墙为例，从380V不同厂用段引来两路电源，在给煤机前墙配电室的总电源柜汇合，通过交流接触器的自动联投回路汇成一路电源同时供给前墙4台给煤机，如正在工作的电源失电或出现故障，则通过自动联投回路切换到另外一路电源运行，在切换过程中，电源瞬间失电，变频器有瞬间停止输出现象，但输出可很快恢复到原运行状态，在DCS上没有异常反应。

每台锅炉共配备3台空预器，采用双套变频器—电机驱动装置，独立电源、独立控制，互为备用，当运行中的驱动装置跳闸，备用驱动装置将自动投入运行，保证了在各种工况下空预器的可靠运行。

1.2 经历500 kV 近端故障情况

下面是绥电A 厂近年来500kV 系统母线出口短路或近区故障，1＃、2＃机组6kV 厂用段母线电压下降情况。

（1）2008年6月25日系统发生C 相单相接地故障。

2008年6 月25 日系统发生C 相单相接地故障，500kV 相电压下降至40kV 左右，整个故障时间约为50 ms。反应到机组6kV 母线电压，B相电压下降最严重为2.96kV，为额定电压的81%。

（2）2008年9月20日5022开关C 相气室内部发生闪络。

2008年9月20日绥高2＃线恢复送电，19时19分，绥高2＃线主保护动作，经检查为5022 开关C相气室内部发生闪络。1＃机组厂用段1BA、1BB01、1BB02的3段母线电压，其中B相电压下降最严重，至2.65kV，为额定电压的73%Ue。

（3）2008年9月20日高岭变侧做短路试验。

2008 年9 月20 日高岭变侧做短路试验，500kV电压相电压下降至接近30kV 左右，持续时间40ms。1＃机组厂用段1BA、1BB01、1BB02的3段母线电压，其中B 相电压下降最严重，至2.61kV，为额定电压的72%。

（4）2＃主变充电后故障时500kV 电压及厂用6kV 电压变化。

2010年4月1日2＃主变充电，503227接地开关C相连杆松动，接地开关触头产生位移，致使绝缘距离不够，造成接地故障。500kV 电压相电压降至接近0kV 左右，持续时间60ms。此时2＃机厂用段由高备变带，2＃机组厂用段2BA、2BB01、2BB02 的3 段母线电压最低下降至2.23kV，为额定电压的60%。

根据上述故障分析可以得出以下结论：

（1）500kV 系统母线出口短路或近区故障，机组6kV 厂用段母线电压下降不会超过70%Ue。再经过6／0.4kV 低厂变后，电压下降幅度应该更少。

（2）500kV 系统在故障时电压最低达到了0kV，故障时间为90 ms以内，但在此时段内和较严重故障下对应绥电A 厂运行机组的变频器运行正常，机组运行正常。

2 变频器低电压工况试验研究

为研究在装变频器在供电电压降低时的运行情况，绥电A 厂在现有条件下于2011年12月30日在2＃炉28号给煤机上采用三相调压器调压方法降低输入电压进行了简单的试验验证 （即三相调压器降压法）。

绥电A 厂2 台800MW 机组共16 台给煤机，均采用变频调节控制方式，采用美国罗克韦尔自动化有限公司生产的1336PLUSⅡ系列变频器，型号为1336F-B030-AA，参数见表1。

表1 1336F-B030-AA 型变频器电气参数

2.1 试验步序

（1）拆除28号给煤机控制盘内电源空气开关上口电源，将调压器接入电源与控制盘空气开关之间，同时在调压器电源侧串接空气开关，便于在意外情况下迅速断开电源。

（2）前墙给煤机两路总工作电源送电。

（3）所有工作准备完毕后，在主控带机械负载启动给煤机变频器。

（4）将调压器电压按10V 的梯度下降，检查、记录变频器运行状态。

（5）按上述电压试验完毕后，恢复系统正常运行方式。

（6）再次启动给煤机变频器。

（7）人为将总工作电源断电，观察切换到备用电源后变频器运行状态；再由备用电源切换到工作电源，观察变频器运行状况。

（8）试验完毕后，按系统运行方式恢复措施。

2.2 试验数据

在2＃炉28号给煤机上采用三相调压器降压法试验数据见表2。

表2 在2＃炉28号给煤机上采用三相调压器降压法试验数据

试验过程中，当变频器输入电压下降至295V以下时，变频器停止输出，约5s后，手动将变频器输入电压调回到额定值，变频器输出逐渐恢复至原运行状态。

2.3 电源全电压切换情况

利用人为模拟给煤机工作总电源失电，备用电源连锁投入方式进行试验 （电源Ⅰ和电源Ⅱ互为备用）。

第一次：由电源Ⅰ切换到电源Ⅱ （手动断开电源Ⅰ控制开关，工作电源Ⅰ接触器失电跳闸，备用电源Ⅱ自动合闸）：

切换前运行参数：频率为18 Hz，转速为600r／min，电流为11.9A；

切换后参数变化：频率由0 Hz 逐渐升至10.5Hz，电流为11.9A-28A （瞬间最大值）-12.5A。

第二次：由电源Ⅱ切换到电源Ⅰ后立即切换到电源Ⅱ （手动断开电源Ⅱ控制开关后立即合入，随后手动断开电源Ⅰ控制电源开关，电源切换过程为：工作电源Ⅱ接触器失电跳闸，备用电源Ⅰ自动合闸，合闸后又失电，随即又切回电源Ⅱ）：

切换前运行参数：频率为18 Hz，转速为600r／min，电流为11.9A；

切换后参数变化：频率由0 Hz 逐渐升至20Hz，电流为11.9 A-44 A （瞬间最大值）-12.2A。

第三次：由电源Ⅱ切换到电源Ⅰ （手动断开电源Ⅱ控制开关，工作电源Ⅱ接触器失电跳闸，备用电源Ⅰ自动合闸）：

切换前运行参数：频率为20 Hz，转速为600r／min，电流为12.2A；

切换后参数变化：频率由0Hz逐渐升至20 Hz，电流为11.9A-52A （瞬间最大值）-12.2 A。

2.4 试验结果

通过本次试验验证了以下问题：

（1）该型号变频器带机械负载运行时，输入电压下降至295V （78%额定电压），变频器停止输出。

（2）该型号变频器输入电压降低停止输出后，短时间内电压恢复的情况下，变频器可自动逐渐恢复原运行状态。

（3）该型号变频器带机械负载运行时，输入电压瞬间消失重新上电后，变频器可逐渐恢复原运行状态或稳定在某一状态。

3 研究结论

结合绥电A 厂近年来出口500kV 电网故障情况，综合分析辅机变频器目前的运行状态以及电网单相接地故障时的保护跳闸时间关系，形成如下结论：

（1）目前绥电A 厂给煤机、空预器的变频器具有掉电跨越以及低电压控制两个功能，可以实现0～2s内掉电后变频器自动重启逐渐恢复运行。

（2）东北电网公司要求必须躲开后备保护的动作时间，现绥电保护中除了最长时限零序Ⅳ段 （时限为5s），其余的后备保护均在2s以内，从变频器的功能看，电源掉电2s以内可以自行恢复运行。

（3）从物资部购买变频器情况得知，该型号的变频器在市场上已无法购买到。电气专业人员根据此情况对现市场上的最新变频器进行了调研，并作出设备改造的准备，但发现变频器掉电跨越以及低电压控制的两项功能说明不清楚。咨询变频器方面专家后得知，目前市场上的各种品牌变频器性能均不如该电厂在装变频器。故就该问题而言，考虑该电厂在装变频器已达到或接近运行寿命，应从增设不间断电源着手，进行变频器控制系统改造的可行性研究工作。

（4）根据伊敏会议提供的不间断电源系统和浮充电池的不停电系统两个方案，经比较分析认为，不间断电源系统结构简单，不用单独设置蓄电池室（蓄电池室属防爆要求范围，条件环境要求较高），如果进行相关改造，建议选择不间断电源系统。

（5）在目前状态下，绥电A 厂发生低电压穿越造成给煤机大面积跳闸的风险不大，可不急于增加不间断电源系统，但从长远及机组稳定运行考虑，应尽早对现变频控制系统进行改造，提高抵御各种风险的能力。

4 建议改造方案

根据绥电A 厂实际情况，选择北京四方公司生产的不间断电源系统—低电压穿越 （ILP）装置（如图1 所示）比较合适。该装置安全可靠性高，在系统电压正常的情况下，装置工作于旁路模式，变频器由电力系统直接供电，电源变换模块部分处于休眠状态，装置不参与运行，由此降低了ILP装置中电力电子器件投入使用的工作时间，从而降低了故障概率，提升了变频控制系统整体的连续无故障运行时间和安全可靠性。

图1 变频器低电压穿越电源 （ILP）装置的拓扑图

该建议改造方案采用分布式供电解决方案，具有如下功能与优点：

（1）提高系统整体可利用效率和可靠性。该解决方案为分布式供电解决方案，每台变频器配备了独立的ILP 装置，任意一台变频器的故障均不会影响到其他控制系统的安全运行，提高了系统整体的可利用效率与可靠性。同时在安装方式上，ILP装置与变频器就近安装，最大限度地缩短了电缆连接线的长度，极大地降低了连接线路短路风险。

（2）多功能设计，可提供常备控制电源。在该解决方案中，每台ILP装置内部均可提供1路220 V／300 W 的常备电源，用于控制电源的供电，无需外配独立UPS。

（3）接线简单，易于操作。该方案在伊敏电厂4台60万kW 机组以及神华国华呼伦贝尔电厂的给煤机变频控制系统上得以应用，并拥有半年以上时间应用业绩，满足东北调度通讯中心 《关于进一步明确火电厂辅机低电压穿越能力技术改造工作有关要求的通知》中关于抗低电压穿越能力技术指标要求。

5 结论

给煤机、空预器是锅炉燃烧系统重要的辅机设备，采用变频调速方式运行，在电网电压低到一定程度时将闭锁输出，从而引起全炉膛灭火保护（MFT）动作跳机。对于电网来说，由于电网故障时电压瞬时降低，亟需有功支持维持系统频率，但此时电厂再出现机组解列情况会使电网频率更加恶化，这是非常危险的。因此，电厂辅机采用抗低电压穿越能力改造具有相当高的安全与经济价值。

从部分电厂进行的变频器抗低电压穿越能力改造实验可以看出，变频器控制系统改造后，装置在监测到电网电压跌落和直流母线下降到启动阀值时，可以很好地完成调压控制功能，输出稳定的直流电压，进而保证变频器具有稳定的直流电压源。在电网电压出现跌落时可以维持变频器的正常工作，维持给煤机、空预器等辅机的转矩和恒定转速，能够有效避免因电网电压异常造成的低电压穿越所导致的机组非计划停炉，从而提高发电机组运行的安全性和可靠性。