一起低压变频器异常运行分析及预防措施

刘先俊，刘云胜，卢 路，徐易扬，杨璐萌

(1.中国华能集团巢湖发电有限责任公司，安徽 巢湖 238015；2.中国能源建设集团安徽电力建设第二工程有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着电力电子技术的不断发展以及控制理论的不断成熟，变频调速已逐步取代了直流调速，越来越广泛的应用于工业电气传动领域，同时变频器也具有良好的节能效果、完善的保护功能、灵活的编程能力等特点，能够满足绝大多数的工业领域各种应用对交流调速的不同要求。随着变频器应用范围的扩大，运行中也出现了一些问题，本文就以某发电厂线路故障造成变频器异常运行进行分析，并提出相应预防措施。

1 变频器的工作原理

目前通用的变频器主要为交—直—交型，交—交型变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用也受到限制。交—直—交型变频器主电路一般分为三大部分，分别是整流器、滤波器和逆变器，主电路示意图如图1所示，工频的交流电经过整流器成为波动的直流电，再利用滤波器来滤波和稳压，变成稳定的直流电，随后逆变器通过PWM斩波的方法，输出一系列可变脉宽的方波，通过对方波进行调制，已达到改变输出电压幅值和频率的目的；控制电路主要是控制逆变器6个IGBT的导通和关断、检测主电路参数、提供变频器和负载的保护等功能。在主回路和控制回路各元器件的配合下，变频器按指令运行。

图1 交—直—交型变频器主电路示意图

2 事故过程

2019年2月7日10时09分，某发电厂6kV补给水段工作电源#1开关跳闸，查看补给水段工作电源#1开关综保装置故障波形，波形如图2所示，60ms时保护装置启动，B相电流突增至146.26A，C相电流突增至146.28A，B、C相电流方向相反，约95ms时，A相电流突增至146.26A，经分析，判断一次回路发生B、C相间短路，进一步发展为三相短路，现场查看发现补给水段#1杆塔架空线B、C相避雷器接线端子裸露部分因新建鸟窝造成短路。故障导致除盐水泵、干排渣清扫链、生活热水循环泵等变频器跳闸，而空气预热器变频器运行正常。

图2 补给水段工作电源#1开关综保装置故障波形

3 原因分析

故障时造成该发电厂整个6kV厂用电系统电压最低降至60%额定电压，变频器直流母线电压:UDC=400*0.6*1.414=339VDC，均小于除盐水泵、干排渣清扫链、生活热水循环泵等变频器直流电压关断值，跳闸变频器直流电压关断值见表1，变频器“直流欠压”保护动作。

表1 跳闸变频器设备信息

为避免过大的启动力矩对空气预热器导向轴承带来的冲击，空气预热器电机采用变频器驱动，启动后由变频器保持在工频频率下运行。空气预热器变频器使用ABB公司生产的ACS55001059A4系列，该变频器直流电压关断值为360VDC，故障时变频器直流母线理论电压值为339VDC，理论上已达到“直流欠压”停车阀值，而实际空气预热器变频器运行正常。经分析，空气预热器与除盐水泵、干排渣清扫链等负载相比，区别在于其属于大惯量负载，故障时空气预热器变频器频率减小的瞬间，空气预热器电动机的同步转速ω1随之下降，而由于机械惯性的原因，空气预热器电动机的转子转速ω未变。当同步转速ω1小于转子转速ω时，空气预热器电动机从电动状态转变为发电状态，空气预热器电动机再生的电能经逆变器的续流二极管整流后反馈到直流电路，且无法通过整流器回馈到电网，导致电容器上有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”[1]，使该变频器直流母线实际电压升高，因此空气预热器变频器在事故时未发生“直流欠压”保护动作。

4 预防措施

变频器相比传统的控制系统存在低电压穿越能力不足等问题，当电网由于故障造成电压降低时，可能触发变频器低电压保护跳闸阈值，从而设备停运。根据《发电厂及变电站辅机变频器高低压穿越技术规范》要求，变频器在工作电压分别跌落至20%持续时间不大于0.5s、60%持续时间不大于5s、90%持续时间不小于5s的情况下[2]，应能够可靠供电，以保障供电对象的安全运行。空气预热器是火力发电厂的Ⅰ类辅机设备，运行中跳闸将迫使机组降负荷或停运，该发电厂空气预热器变频器在本次事故中虽没跳闸，但运行方式已不满足规范要求。针对上述问题，提出改造方案。

方案一：增加抗电压扰动设备，具体主电路示意图如图3所示。当电网电压正常时，空预器变频器由交流母线供电，抗电压扰动设备处于热备用状态，当发生低电压穿越时，变频器直流母线电压低于抗电压扰动设备输出电压，转由抗电压扰动设备给变频器提供直流电，保证变频器正常工作，同样为火力发电厂的Ⅰ类辅机设备的给煤机，该发电厂已于2016年对其进行了抗电压扰动改造，在本次故障中给煤机变频器保持了稳定运行。

图3 方案一主电路示意图

方案二：采用变频启动工频运行，具体主电路示意图如图4所示。由于空气预热器正常启动后不需要调速，如果一味使用变频器进行驱动，不仅存在变频器低电压穿越能力不足的隐患，而且还造成额外的电能消耗。可通过对空气预热器电机增加一路工频电源，空气预热器先采用变频启动，在电机频率达到50Hz后，通过联锁逻辑，断开变频回路接触器KM1，吸合工频接触器KM2，完成空气预热器电机由变频电源供电向工频电源供电的切换，从而避免了空气预热器变频器运行中低电压穿越能力不足的隐患。

图4 方案二主电路示意图

方案一相比方案二费用要高，购买一套抗电压扰动设备大约需要15万，方案二费用低但有局限性，仅适用于启动后保持在50Hz恒速运行的系统。经综合考虑，方案二投资成本低且可行性较高，为解决该发电厂空气预热器变频器隐患的最优方案。

除现有改造外，对非Ⅰ类辅机设备的变频器还可根据现场实际需要，通过调整变频器相关参数或功能，如启动欠压故障自动复位功能，来提高类似故障发生时设备的可靠性以及工艺生产的连续性。

5 结束语

变频器运行过程中，电网电压短时跌落对其产生较大的影响，容易引起设备停运，本文以某发电厂为例，简述了故障时除盐水泵、干排渣清扫链、生活热水循环泵等变频器停运原因，重点分析了故障时空气预热器变频器未停运原因，并指出了该发电厂空气预热器在现有运行方式下的隐患，提出可行性改造方案，通过改造解决空气预热器变频器低电压穿越能力不足的问题。