屈小敏，羅遠(yuǎn)福

(中國(guó)石化集團(tuán)重慶川維化工有限公司，重慶 401254 )

近年來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但由于系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)常發(fā)生[1]。目前，燃煤鍋爐的給粉系統(tǒng)中，給粉機(jī)變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘問(wèn)題突出。給粉機(jī)低電壓跳閘造成非計(jì)劃停機(jī)停爐，會(huì)給電廠帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

1 問(wèn)題描述

某石化企業(yè)是一家以天然氣為原料的化工企業(yè)，企業(yè)用電由國(guó)家電網(wǎng)500 kV變電站直接供電。該地區(qū)屬于多雷電地區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年的雷暴天氣44天左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2010年新區(qū)220 kV站建成投運(yùn)后，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)5次由雷擊導(dǎo)致的220 kV外線路跳閘的事故。雷雨天氣時(shí)常發(fā)生，企業(yè)的高壓大容量電氣設(shè)備啟動(dòng)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，因此系統(tǒng)晃電較為頻繁，造成鍋爐給粉機(jī)變頻器停運(yùn)、鍋爐多次停爐，給鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的考驗(yàn)。

2010年新區(qū)鍋爐建成投運(yùn)后，發(fā)生過(guò)幾次雷擊狀態(tài)下大容量變壓器、大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起廠用電電壓驟降而造成的鍋爐給粉機(jī)變頻器停運(yùn)事件。而據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)的電壓暫降和短時(shí)中斷，89.2%都屬于暫降晃電，即電壓降低至額定電壓的10%～90%，持續(xù)時(shí)間在10 ms～1 min內(nèi)。因此，確?；坞娖陂g鍋爐給粉機(jī)變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，是確保鍋爐裝置安穩(wěn)長(zhǎng)運(yùn)行的根本。

2 鍋爐給粉機(jī)變頻器基本情況介紹

該企業(yè)有3臺(tái)高溫高壓燃煤鍋爐，鍋爐制粉系統(tǒng)均采用鋼球磨煤機(jī)中間儲(chǔ)倉(cāng)式，每臺(tái)鍋爐配置12臺(tái)給粉機(jī)，分上、中、下三層給粉。給粉機(jī)配電柜安裝在環(huán)境較好的電氣配電室，12臺(tái)給粉機(jī)變頻器分成A、B兩組電源供電，帶自動(dòng)切換功能，每組給粉機(jī)的常用電源與備用電源均來(lái)自兩個(gè)不同的系統(tǒng)，以確保每組給粉機(jī)的兩組給粉電源不會(huì)同時(shí)失電。變頻器通過(guò)遠(yuǎn)方分散控制系統(tǒng)(DCS)系統(tǒng)集中控制，正常情況下在收到啟動(dòng)指令后即刻投入運(yùn)行。變頻器正常運(yùn)行后，將運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)反饋給DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，以保證給粉機(jī)能根據(jù)鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)要求穩(wěn)定給粉，避免因?yàn)閿喾墼斐慑仩t停爐。單獨(dú)一組給粉雙電源供電情況示意參見(jiàn)圖1。

圖1 單獨(dú)一組給粉雙電源供電情況示意圖

3 低電壓穿越系統(tǒng)的概念及低電壓穿越難點(diǎn)分析

3.1 低電壓穿越系統(tǒng)概念

低電壓穿越概念最早起源于風(fēng)電場(chǎng)，是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。這一概念現(xiàn)已擴(kuò)展至各種“敏感負(fù)荷”，比如鍋爐給粉機(jī)變頻器，則是指電源電壓暫時(shí)跌落或者消失，而在很短的時(shí)間內(nèi)(一般是幾秒以內(nèi))，給粉機(jī)能夠不間斷運(yùn)行。

3.2 低電壓穿越的主要表現(xiàn)類型

低電壓穿越主要表現(xiàn)為系統(tǒng)電壓的驟降，電壓下降至標(biāo)稱電壓的10%～90%，波動(dòng)時(shí)間為10 ms～1 min。

3.3 低電壓穿越難點(diǎn)分析

該企業(yè)廠用電系統(tǒng)電源自動(dòng)投入裝置配置模式?jīng)Q定了運(yùn)行中存在抗晃電能力不足，切換過(guò)程中無(wú)法滿足穩(wěn)定供電要求等問(wèn)題。

1)目前，企業(yè)10 kV廠用電配置的江蘇金智科技有限公司MFC2000-6 微機(jī)廠用電快速切換裝置，可實(shí)現(xiàn)低電壓快速切換，即當(dāng)工作電源電壓低于70%額定電壓，備用電源電壓高于80%額定電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)廠用電電源的快速切換。快速切換時(shí)間在幾十毫秒內(nèi)完成。經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，快速切換過(guò)程中不會(huì)對(duì)運(yùn)行中的鍋爐高壓輔機(jī)造成影響。在非快速切換模式下，由于上下配合級(jí)差，廠用380V母線電源不會(huì)切換，母線將會(huì)發(fā)生低電壓穿越現(xiàn)象。

2)廠用380 V母線采用傳統(tǒng)備自投切換方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生晃電，備自投動(dòng)作切換時(shí)間約為1.5 s，廠用380 V母線將會(huì)發(fā)生明顯晃電現(xiàn)象，導(dǎo)致給粉機(jī)變頻器停運(yùn)，鍋爐因?yàn)槿剂现袛郌SSS系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作停爐。

因此，解決給粉機(jī)變頻器低電壓停運(yùn)的問(wèn)題，是解決鍋爐晃電停爐的關(guān)鍵。其需要保證低電壓時(shí)給粉機(jī)變頻器能夠正常運(yùn)行。當(dāng)鍋爐出現(xiàn)爐膛壓力異常，高壓引、送風(fēng)機(jī)輔機(jī)全停，爐膛熄火，水位發(fā)生異常時(shí)，給粉機(jī)要能夠快速停運(yùn)，切除燃料供給。這是低電壓穿越需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題，需要做到以下3點(diǎn)。

1)完好備用。在鍋爐給粉機(jī)變頻器交流母線電壓正常、變頻器啟動(dòng)運(yùn)行、FSSS系統(tǒng)未給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)這3個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，低電壓穿越PLC控制系統(tǒng)做好支撐準(zhǔn)備，確保直流支撐電源處于熱備用狀態(tài)。

2)可靠支撐。當(dāng)廠用電出現(xiàn)晃電，直流支撐電源電壓高于變頻器直流電壓時(shí)，直流支撐電源對(duì)變頻器可靠供電，保證給粉機(jī)變頻器不間斷運(yùn)行?；坞娊Y(jié)束，廠用電電壓恢復(fù)正常后，低電壓穿越退出支撐，恢復(fù)給粉機(jī)變頻器正常廠用電源供電。

3)準(zhǔn)確退出。當(dāng)給粉機(jī)停止運(yùn)行，F(xiàn)SSS系統(tǒng)給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，鍋爐主燃料跳閘(MFT)動(dòng)作或者晃電時(shí)間超過(guò)設(shè)定值10 s仍未恢復(fù)時(shí)，低電壓穿越系統(tǒng)必須快速準(zhǔn)確退出對(duì)給粉機(jī)變頻器的直流支撐電源，避免鍋爐爆炸事故的發(fā)生[3]。

4 低電壓穿越系統(tǒng)方案篩選及基本構(gòu)成

4.1 低電壓穿越系統(tǒng)方案篩選

目前市場(chǎng)上外設(shè)的低電壓穿越系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用較為廣泛的主要有兩大類：一類是利用外置直流屏蓄電池提供直流電源，作為變頻器的直流支撐電源，外置直流保安電源與低電壓穿越設(shè)備分開(kāi)；另一類是低電壓穿越系統(tǒng)接入單獨(dú)的交流電源進(jìn)行整流儲(chǔ)能后，給變頻器直流母線提供直流支撐電源，整流儲(chǔ)能設(shè)備作為低電壓穿越系統(tǒng)的一部分[4]。

新區(qū)鍋爐配置有單獨(dú)的直流保安電源，1#、2#爐配置有1 200 Ah，3#爐配置有1 000 Ah大容量直流屏蓄電池。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在保證安全的前提下，不再重復(fù)安裝直流屏及蓄電池，同時(shí)減少建設(shè)投資及定期維護(hù)工作量，決定采用第一類方案。新區(qū)鍋爐的低電壓穿越系統(tǒng)作為負(fù)荷分別由1#、2#爐1 200 Ah及3#爐1 000 Ah直流屏供電，系統(tǒng)選用通過(guò)使用考核驗(yàn)證的南京國(guó)臣信息自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SGS低電壓穿越裝置。

4.2 低電壓穿越系統(tǒng)基本構(gòu)成及主要器件介紹

低電壓穿越系統(tǒng)主要由監(jiān)控單元、電壓暫降保護(hù)裝置核心器件、執(zhí)行單元組成。該企業(yè)采用1臺(tái)電壓暫降保護(hù)器RTM模塊帶2臺(tái)給粉機(jī)變頻器的方式。具體見(jiàn)圖2。

圖2 1拖2方式低電壓穿越系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)控單元：顯示給粉系統(tǒng)交流電源、直流輸出電流、運(yùn)行指示、故障信號(hào)指示、晃電SOE記錄信息、充電電壓、RTM模塊運(yùn)行信息等。同時(shí)具備PLC控制的作用，監(jiān)控低電壓穿越系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)給粉機(jī)交流母線輸入電壓、直流輸出電流、晃電持續(xù)時(shí)間、給粉機(jī)運(yùn)行狀況、RTM模塊運(yùn)行狀況、FSSS系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作情況等。與觸摸屏配合，可顯示并修改相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，查看報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的智能自檢及控制功能。

電壓暫降保護(hù)器RTM模塊：RTM隔離型電壓暫降保護(hù)器為新區(qū)給粉低電壓穿越系統(tǒng)設(shè)備核心器件，是一種用于直流負(fù)載設(shè)備的電壓暫降保護(hù)設(shè)備，RTM模塊的輸入電源為直流220 V，可采用廠用直流220 V的保安電源來(lái)供電，其輸入端和輸出端是隔離的，不論是輸入端還是輸出端出現(xiàn)故障，都不會(huì)對(duì)兩端所接的用電負(fù)荷造成影響，更不會(huì)影響直流保安電源的安全運(yùn)行。RTM模塊額定輸出電壓為直流500 V，并且輸出電壓可以設(shè)定，自身帶有各種保護(hù)功能，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以快速切斷輸入端與輸出端的聯(lián)系，快速保護(hù)低電壓穿越系統(tǒng)及模塊本身，具有很高的運(yùn)行可靠性，設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，效率高。

執(zhí)行單元：主要由給粉機(jī)供電總斷路器、單臺(tái)給粉機(jī)斷路器、二極管及接觸器等組成，執(zhí)行單元會(huì)根據(jù)給粉機(jī)運(yùn)行情況及電壓變化情況，準(zhǔn)確投入低電壓穿越系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)備，確?；坞娭斡行?，鍋爐保護(hù)動(dòng)作可靠退出[5]。

5 低電壓穿越系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用試驗(yàn)效果

5.1 1模塊帶2臺(tái)給粉機(jī)變頻器低電壓穿越系統(tǒng)工作原理

1模塊帶2臺(tái)給粉機(jī)變頻器是該企業(yè)低電壓穿越系統(tǒng)采用的典型模式，由1個(gè)電壓暫降保護(hù)器RTM模塊同時(shí)給2臺(tái)給粉機(jī)變頻器提供晃電支撐電源。具體工作原理：廠用電電壓正常，鍋爐給粉機(jī)在收到DCS啟動(dòng)指令后，給粉機(jī)變頻器啟動(dòng)，低電壓穿越系統(tǒng)監(jiān)視到某給粉機(jī)運(yùn)行信號(hào)后，發(fā)指令將對(duì)應(yīng)給粉機(jī)接觸器合閘，做好對(duì)應(yīng)給粉機(jī)變頻器晃電支撐準(zhǔn)備，但由于正常運(yùn)行時(shí)二極管關(guān)斷，給粉機(jī)變頻器由廠用電源直接供電。

當(dāng)供電系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，電壓跌落到0%～85%范圍系統(tǒng)瞬時(shí)啟動(dòng)工作，二極管導(dǎo)通后，可將直流500 V電壓加在變頻器直流母線，保證變頻器正常運(yùn)行；若10 s內(nèi)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，對(duì)應(yīng)給粉機(jī)二極管關(guān)斷，對(duì)應(yīng)的電壓暫降保護(hù)器RTM模塊退出支撐狀態(tài)，轉(zhuǎn)為熱備用狀態(tài)；若10 s內(nèi)，廠用電電壓仍未恢復(fù)正常，低電壓穿越系統(tǒng)判斷廠用電失電，為確保鍋爐的安全運(yùn)行，低電壓穿越系統(tǒng)退出支撐，停止對(duì)給粉機(jī)變頻器的供電；當(dāng)鍋爐保護(hù)動(dòng)作或變頻器停止運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)退出支撐，轉(zhuǎn)為熱備用狀態(tài)，確保鍋爐安全運(yùn)行[6]。1模塊帶2臺(tái)給粉機(jī)低電壓穿越系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 1模塊帶2臺(tái)給粉機(jī)低電壓穿越系統(tǒng)工作原理圖

5.2 給粉機(jī)變頻器配合低電壓穿越系統(tǒng)改造情況(該電廠1#為例)

三菱A700系列變頻器，預(yù)留有直流母線端子，在接完直流母線不改動(dòng)變頻器的情況下做動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，斷變頻器交流輸入電源開(kāi)關(guān)，變頻器直接停止輸出，控制盤(pán)面板也隨之黑屏，需改造。三菱A700變頻器主回路及控制回路端子見(jiàn)圖4。改造步驟如下。

1)變頻器預(yù)留外接電源端子R1，S1分別對(duì)接至直流母線，R1端子接變頻器直流母線正極，S1端子接變頻器直流母線負(fù)極。未修改之前R/L1與R1/L11短接，S/L2與S1/L21短接，控制回路電源與電機(jī)交流電源為同一電源，當(dāng)出現(xiàn)晃電時(shí)，變頻器控制回路失去正?？刂齐娫矗撔薷谋ＷC了變頻器控制電源與主回路一次電源分開(kāi)，避免交流主電源晃電造成變頻器控制回路失電。

圖4 三菱A700變頻器主回路及控制回路端子圖

2)變頻器參數(shù)P30由0改為20，該參數(shù)修改代表將變頻器供電模式改為交流、直流切換運(yùn)行。

3)將變頻器RT端子和SD端子短接，并把RT端子對(duì)應(yīng)的P183參數(shù)改為70(該參數(shù)修改代表變頻器直流供電運(yùn)行被許可)。

4)改造完以上接線后再次試驗(yàn)則正常。

5.3 給粉機(jī)低電壓穿越支撐性能測(cè)試結(jié)果

綜合考慮后設(shè)置給粉機(jī)低電壓穿越支撐時(shí)間為10 s，當(dāng)斷掉給粉機(jī)變頻器交流輸入電壓，維持9 s，9 s后恢復(fù)變頻器交流輸入電壓。抽查某給粉機(jī)變頻器進(jìn)行錄波發(fā)現(xiàn)，斷掉給粉機(jī)變頻器交流輸入電壓，維持9.43 s左右，9.43 s后恢復(fù)變頻器交流輸入電壓。試驗(yàn)錄制波形見(jiàn)圖5至圖7。

圖5 電壓暫降時(shí)間圖

圖6 交流輸入電壓暫降前后峰值

圖7 直流母線電壓暫降前后值

當(dāng)模擬電壓暫降9.43 s(見(jiàn)圖5)，從圖6可以看出，在變頻器輸入電壓暫降期間(峰峰值552 V變?yōu)? V)，低電壓穿越裝置為給粉機(jī)變頻器直流母線提供有效支撐，維持變頻器直流母線電壓在496 V(見(jiàn)圖7)，變頻器輸出電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，變頻器能正常運(yùn)行。

5.4 低電壓穿越裝置與變頻器運(yùn)行信號(hào)、MFT信號(hào)聯(lián)鎖功能測(cè)試

1)DCS遠(yuǎn)程啟動(dòng)發(fā)出給粉機(jī)啟動(dòng)指令后低電壓穿越裝置處于熱備用狀態(tài)；遠(yuǎn)程發(fā)出給粉機(jī)停止運(yùn)行指令后低電壓穿越裝置退出運(yùn)行。

2)DCS啟動(dòng)12臺(tái)給粉機(jī)變頻器后，遠(yuǎn)程模擬FSSS(爐膛壓力異常保護(hù)動(dòng)作，引、送風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，鍋爐水位異常保護(hù)，全爐膛滅火保護(hù)、燃料中斷保護(hù))動(dòng)作信號(hào)中任意一個(gè)信號(hào)，對(duì)低電壓穿越裝置發(fā)出MFT信號(hào)，低電壓穿越裝置收到MFT信號(hào)后運(yùn)行信號(hào)被切斷，低電壓穿越裝置停止輸出。

6 結(jié)論

1)低電壓穿越系統(tǒng)與給粉機(jī)變頻器正常運(yùn)行時(shí)，保證可靠隔離，準(zhǔn)確支撐，從根本上保證鍋爐的安全運(yùn)行。系統(tǒng)未配置單獨(dú)的直流屏蓄電池供電，避免了周期性更換蓄電池，減少了維護(hù)難度及成本，降低了對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2)系統(tǒng)配置的外置二極管及電壓暫降保護(hù)器RTM模塊內(nèi)部的隔離變壓器，能有效防止形成環(huán)流和阻止負(fù)載側(cè)的瞬間反向電壓對(duì)直流系統(tǒng)的沖擊。

3)低電壓穿越系統(tǒng)配置的主監(jiān)控單元，實(shí)時(shí)顯示了給粉機(jī)及晃電支撐系統(tǒng)運(yùn)行情況，并記錄晃電支撐過(guò)程，便于檢查。

4)低電壓穿越系統(tǒng)2018年投入運(yùn)行后，2021年9月16日，鍋爐某高壓電動(dòng)機(jī)故障，電動(dòng)機(jī)速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘，廠用電電壓瞬間降至56%Ue，對(duì)應(yīng)廠用電部分低壓電動(dòng)機(jī)跳閘，而電源取自該段的鍋爐給粉機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，避免了鍋爐停爐。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的低電壓穿越系統(tǒng)在鍋爐給粉機(jī)變頻器上的應(yīng)用，從根本上解決了電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的威脅，有效地解決了鍋爐因?yàn)榛坞姲l(fā)生鍋爐停爐事故，保證了鍋爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行，避免了企業(yè)遭受重大的經(jīng)濟(jì)損失。