吴海东
广东大唐国际潮州发电有限责任公司 广东 潮州 515723
摘要：近年来火电厂陆续发生几起由系统低电压故障造成火电机组跳闸事故，由于内部或外部故障（雷击、电气设备短路、接地等），引起电网电压短时跌落，相应厂用电电压短时降低，而火电厂给煤机的拖动变频器不具备低电压功能，触发变频器的低电压保护闭锁输出，给煤机主电机停转，DCS接收到停机信号。最终，多台给煤机停机引发锅炉FSSS系统发出MFT动作信号，导致炉膛灭火，造成机组非计划停运。本文针对以上安全隐患，运用将给煤机控制电源改为UPS供给和为变频器加装低电压穿越装置的措施，并经过现场试验结果证明，采用该低电压穿越改造设计是可行的，并具有普遍实用性，适用于火电厂燃煤机组的低电压穿越改造，具有一定的理论意义和指导价值。
关键词： 给煤机；变频器；低电压穿越；MFT
引言
给煤机是火电厂的重要辅机设备，一般均采用变频器作为拖动装置，由于变频器本身的保护特性，要求输入电压具有一定稳定性。实际运行中，由于电厂内部故障和外部故障等，导致电压波动或者跌落时发生给煤机跳闸事件，严重时会导致机组跳闸。某厂2018年发生一起室外互感器损坏导致电网500kV系统接地的故障，使正在运行的本厂和周边电厂各１台600MW机组由于给煤机电源电压低跳闸。一个电网内多台机组同时停运，对电网安全运行构成巨大威胁。
此类故障发生时，相应厂用电短时电压降低，由于给煤机变频器不具备低电压穿越功能，触发了其低电压保护，变频器闭锁输出，给煤机停机，最终导致了发电机组的跳机。如果在故障发生时，给煤机控制系统具有低电压穿越功能，能够暂时支撑变频器的电源电压则可避免给煤机跳闸，为系统的安全运行多一份保障。所以非常有必要在给煤机控制系统中增加低电压穿越装置。
1 机组辅机配置概况
某厂装机容量规划为5200MW，一期工程1、2号机为2×600MW机组，分别于2006年5月、7月相继投产发电；二期工程3、4号机组单机容量1000MW，已于2010正式核准发电。其中2号锅炉配置A-F共计6台给煤机，控制系统动力电源来自厂用电380V母线，控制电源为220V来自动力电源一相；给煤机电机型号：M100L-4，额定功率：2.2kW，额定电流：5A，额定电压：380V，转速：1420r/min，频率：50Hz；给煤机电机拖动变频器型号：YASKAWA（安川变频器）/H1000- CIMR-HB4A0006FBC，不具备低电压穿越功能。当6台给煤机全停时引发锅炉FSSS系统发出MFT动作信号，炉膛灭火，机组跳闸。
2 低电压穿越技术要求
给煤机低电压穿越是指由于外部故障等原因导致给煤机变频器输入电压瞬间发生变化或者短时间内降低，超过了变频器规定的额定电压范围，变频器需采用可稳定运行的方式，保证设备正常运行。具体地，依据《发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》DL/T-2016的要求，给煤机低电压穿越区如图1所示。
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低电压穿越主要分为三个区域，分别是进线电压跌落到额定电压20%时，可在不小于0.5s的时间内稳定运行；进线电压跌落到额定电压60%时，可在不小于5s的时间内稳定运行；进线电压跌落到额定电压90%时，能持续稳定运行。
3 目前存在的问题
当外部电源故障引起电压瞬间降低时，给煤机变频器会因输入电压的瞬间降低，触发低电压闭锁保护信号驱动电机停止运行。当电压低的故障信号消除后，由于变频器自身设计和热工逻辑规划，给煤机不能自行恢复运行。当同段上多台设备出现故障时，很可能会触发热工保护信号“缺失全部燃料”，导致锅炉MFT。具体原因如下：
3.1变频器不具有低电压穿越能力
变频器工作原理是通过整流桥将输入的交流电转换成直流电，然后经过滤波电容滤波稳压，在由IGBT构成的逆变桥逆变为交流电输出至给煤机，其中变频器的控制系统通过改变导通角的开断来达到变频功能。当低电压发生时，变频器进线电压降低，直流母线电压随之降低，无法提供逆变模块所需要的能量，从而触发变频器低电压保护。因此，当变频器的输入电压跌落时，无法维持稳定的输出电压。
3.2给煤机控制装置电源不合理
给煤机控制柜控制电源取自380V动力电源一相及零线，经过空开供给于给煤机控制器，当给煤机的输入电压瞬间失去或者跌落超过限值时，控制器就会发生电压故障而造成给煤机停运。当所有给煤机全部停运时，会触发热工信号“失去全部燃料”，导致机组跳机。
4 给煤机低电压穿越改造方案
通过以上分析原因，可通过两方面的改造来解决给煤机低电压故障。第一，将控制电源改为由厂内UPS电源供给；第二，可以在变频器外部回路加装一套防止直流母线电压跌落的装置，保障变频器有恒定的交流电压输出，从而具备低电压穿越能力，也就是为变频器加装低电压穿越装置。
4.1控制电源改造
将给煤机控制电源接在厂内UPS系统输出，UPS系统输入电源由保安段A、保安段B以及直流系统三路供给。其中，直流系统是备用电源，有蓄电池组作为电源保障，可保证电力系统电压跌落时给煤机控制电源稳定工作。
4.2加装低电压穿越装置
为每台给煤机变频器加装某公司生产的GLT-20型低电压穿越装置。在现场改造施工中，变频器低电压穿越电源并接在给煤机控制柜三相380V电源与变频器之间，无需对变频器的配置、设置做任何改动，并可利用现场已铺设的电缆。
4.3改造施工方案
将低电压穿越装置就近安放在给煤机控制柜旁，可减少原控制柜与低电压穿越装置之间的电缆敷设长度，也便于操作和维护。低电压穿越装置电源并接在三相交流380V和给煤机变频器之间，从低电压穿越装置的直流输出端引出两根动力线接入给煤机变频器直流端子（UDC+、UDC-），安川H1000型变频器直流供电端子已直接引出至变频器接线端子排；其他型号如ABB的ACS510型变频器，UDC-端子需要从变频器内部直流母线端引出。同时从厂内UPS系统取一路220V电源作为给煤机控制系统的控制电源。
在系统电压正常的状态下，电源通过交流回路送入变频器交流输入端子，低电压穿越装置中的电力电子器件均处于旁路状态，不参与装置运行。在系统电压发生跌落，装置内控制系统实时监测到此电压跌落趋势，将电感与IGBT 构成的BOOST 斩波升压回路快速投入运行，保证在电压跌落期间，C3、C4 上的直流电压被升高，维持到可保证变频器输出功率、电机转矩、电机转速均不变的电压水平。在系统电压恢复正常后，IGBT 停止运行，BOOST 回路退出工作状态，变频器的供电仍由三相交流回路提供。整个低电压穿越过程不会影响到变频器的正常稳定运行。低电压穿越装置拓扑图如图2所示。
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5 改造后性能验收试验
为检验低电压穿越改造后给煤机系统实际抵御低电压的能力，该厂技术人员联合某电力试验研究院对该系统进行了模拟低电压故障检测。性能验收试验电路如图3所示。
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电压跌落装置设置：额定输出线电压380V，90%电压跌落持续60s，60%电压跌落持续5s，20%电压跌落持续0.5s，其中电压幅值与时间均可以修改设置，改造后的测试结果如下图4-图9所示。其中Uoab为变频器输入电压波形，CH4为变频器输出电压波形。当母线电压降落后，变频器输出正常，能够正常运行，则表明电压跌落时变频器具有低电压穿越能力。
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由试验结果可知，给煤机的动力电源在跌落到90%、60%及20%时，变频器的直流母线电压和输出电压都能保持稳定在正常电压范围，给煤机能够正常运行。该机组给煤机变频器经低电压穿越改造后满足《发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》中的技术指标要求。
6 结论
本文分析了给煤机在电压跌落时故障停运的原因，提出了具体改造方案，并对改造结果进行了性能验收试验。试验结果表明，改造后的给煤机已具备低电压穿越能力，保证在电网电压发生低电压故障时，给煤机可持续稳定运行，最大限度的保证了机组运行的安全可靠。文中的改造方案也适用于大部分火电厂燃煤机组，具有一定的理论意义和实用价值。
作者简介：吴海东（1989—），男，本科，工程师，单位：广东大唐国际潮州发电有限责任公司，研究方向：火力发电厂电气一次设备管理、检修等。