低電壓穿越系統在鍋爐給粉機變頻器上的應用

屈小敏，羅遠福

(中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶 401254 )

近年來(lái)，變頻調速技術(shù)得到廣泛應用，但由于系統電壓不穩定，變頻器低電壓保護動(dòng)作跳閘導致電動(dòng)機停機時(shí)常發(fā)生[1]。目前，燃煤鍋爐的給粉系統中，給粉機變頻器低電壓保護動(dòng)作跳閘問(wèn)題突出。給粉機低電壓跳閘造成非計劃停機停爐，會(huì )給電廠(chǎng)帶來(lái)重大的經(jīng)濟損失[2]。

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)用電由國家電網(wǎng)500 kV變電站直接供電。該地區屬于多雷電地區，據不完全統計，每年的雷暴天氣44天左右。據統計數據顯示，從2010年新區220 kV站建成投運后，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)5次由雷擊導致的220 kV外線(xiàn)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備啟動(dòng)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，因此系統晃電較為頻繁，造成鍋爐給粉機變頻器停運、鍋爐多次停爐，給鍋爐穩定運行帶來(lái)極大的考驗。

2010年新區鍋爐建成投運后，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)機啟動(dòng)引起廠(chǎng)用電電壓驟降而造成的鍋爐給粉機變頻器停運事件。而據不完全統計數據顯示，系統的電壓暫降和短時(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%，持續時(shí)間在10 ms～1 min內。因此，確?；坞娖陂g鍋爐給粉機變頻器的穩定運行，是確保鍋爐裝置安穩長(cháng)運行的根本。

該企業(yè)有3臺高溫高壓燃煤鍋爐，鍋爐制粉系統均采用鋼球磨煤機中間儲倉式，每臺鍋爐配置12臺給粉機，分上、中、下三層給粉。給粉機配電柜安裝在環(huán)境較好的電氣配電室，12臺給粉機變頻器分成A、B兩組電源供電，帶自動(dòng)切換功能，每組給粉機的常用電源與備用電源均來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的系統，以確保每組給粉機的兩組給粉電源不會(huì )同時(shí)失電。變頻器通過(guò)遠方分散控制系統(DCS)系統集中控制，正常情況下在收到啟動(dòng)指令后即刻投入運行。變頻器正常運行后，將運行狀態(tài)信號反饋給DCS系統，由DCS系統進(jìn)行變頻調速控制，以保證給粉機能根據鍋爐負荷調節要求穩定給粉，避免因為斷粉造成鍋爐停爐。單獨一組給粉雙電源供電情況示意參見(jiàn)圖1。

圖1 單獨一組給粉雙電源供電情況示意圖

3.1 低電壓穿越系統概念

低電壓穿越概念最早起源于風(fēng)電場(chǎng)，是指當電網(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，風(fēng)電機組能夠不間斷并網(wǎng)運行。這一概念現已擴展至各種“敏感負荷”，比如鍋爐給粉機變頻器，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(一般是幾秒以?xún)?，給粉機能夠不間斷運行。

3.2 低電壓穿越的主要表現類(lèi)型

低電壓穿越主要表現為系統電壓的驟降，電壓下降至標稱(chēng)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(chǎng)用電系統電源自動(dòng)投入裝置配置模式?jīng)Q定了運行中存在抗晃電能力不足，切換過(guò)程中無(wú)法滿(mǎn)足穩定供電要求等問(wèn)題。

1)目前，企業(yè)10 kV廠(chǎng)用電配置的江蘇金智科技有限公司MFC2000-6 微機廠(chǎng)用電快速切換裝置，可實(shí)現低電壓快速切換，即當工作電源電壓低于70%額定電壓，備用電源電壓高于80%額定電壓時(shí)，可實(shí)現廠(chǎng)用電電源的快速切換?？焖偾袚Q時(shí)間在幾十毫秒內完成。經(jīng)過(guò)多次驗證，快速切換過(guò)程中不會(huì )對運行中的鍋爐高壓輔機造成影響。在非快速切換模式下，由于上下配合級差，廠(chǎng)用380V母線(xiàn)電源不會(huì )切換，母線(xiàn)將會(huì )發(fā)生低電壓穿越現象。

2)廠(chǎng)用380 V母線(xiàn)采用傳統備自投切換方式，當系統發(fā)生晃電，備自投動(dòng)作切換時(shí)間約為1.5 s，廠(chǎng)用380 V母線(xiàn)將會(huì )發(fā)生明顯晃電現象，導致給粉機變頻器停運，鍋爐因為燃料中斷FSSS系統保護動(dòng)作停爐。

因此，解決給粉機變頻器低電壓停運的問(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)給粉機變頻器能夠正常運行。當鍋爐出現爐膛壓力異常，高壓引、送風(fēng)機輔機全停，爐膛熄火，水位發(fā)生異常時(shí)，給粉機要能夠快速停運，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。在鍋爐給粉機變頻器交流母線(xiàn)電壓正常、變頻器啟動(dòng)運行、FSSS系統未給出保護動(dòng)作信號這3個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，低電壓穿越PLC控制系統做好支撐準備，確保直流支撐電源處于熱備用狀態(tài)。

2)可靠支撐。當廠(chǎng)用電出現晃電，直流支撐電源電壓高于變頻器直流電壓時(shí)，直流支撐電源對變頻器可靠供電，保證給粉機變頻器不間斷運行?；坞娊Y束，廠(chǎng)用電電壓恢復正常后，低電壓穿越退出支撐，恢復給粉機變頻器正常廠(chǎng)用電源供電。

3)準確退出。當給粉機停止運行，FSSS系統給出保護動(dòng)作信號，鍋爐主燃料跳閘(MFT)動(dòng)作或者晃電時(shí)間超過(guò)設定值10 s仍未恢復時(shí)，低電壓穿越系統必須快速準確退出對給粉機變頻器的直流支撐電源，避免鍋爐爆炸事故的發(fā)生[3]。

4.1 低電壓穿越系統方案篩選

目前市場(chǎng)上外設的低電壓穿越系統設備應用較為廣泛的主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)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備分開(kāi)；
另一類(lèi)是低電壓穿越系統接入單獨的交流電源進(jìn)行整流儲能后，給變頻器直流母線(xiàn)提供直流支撐電源，整流儲能設備作為低電壓穿越系統的一部分[4]。

新區鍋爐配置有單獨的直流保安電源，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。結合現場(chǎng)實(shí)際，在保證安全的前提下，不再重復安裝直流屏及蓄電池，同時(shí)減少建設投資及定期維護工作量，決定采用第一類(lèi)方案。新區鍋爐的低電壓穿越系統作為負荷分別由1#、2#爐1 200 Ah及3#爐1 000 Ah直流屏供電，系統選用通過(guò)使用考核驗證的南京國臣信息自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SGS低電壓穿越裝置。

4.2 低電壓穿越系統基本構成及主要器件介紹

低電壓穿越系統主要由監控單元、電壓暫降保護裝置核心器件、執行單元組成。該企業(yè)采用1臺電壓暫降保護器RTM模塊帶2臺給粉機變頻器的方式。具體見(jiàn)圖2。

圖2 1拖2方式低電壓穿越系統構成

監控單元：顯示給粉系統交流電源、直流輸出電流、運行指示、故障信號指示、晃電SOE記錄信息、充電電壓、RTM模塊運行信息等。同時(shí)具備PLC控制的作用，監控低電壓穿越系統，監測給粉機交流母線(xiàn)輸入電壓、直流輸出電流、晃電持續時(shí)間、給粉機運行狀況、RTM模塊運行狀況、FSSS系統保護動(dòng)作情況等。與觸摸屏配合，可顯示并修改相關(guān)數據參數，查看報警信號，實(shí)現整套系統的智能自檢及控制功能。

電壓暫降保護器RTM模塊：RTM隔離型電壓暫降保護器為新區給粉低電壓穿越系統設備核心器件，是一種用于直流負載設備的電壓暫降保護設備，RTM模塊的輸入電源為直流220 V，可采用廠(chǎng)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故障，都不會(huì )對兩端所接的用電負荷造成影響，更不會(huì )影響直流保安電源的安全運行。RTM模塊額定輸出電壓為直流500 V，并且輸出電壓可以設定，自身帶有各種保護功能，若系統出現故障，可以快速切斷輸入端與輸出端的聯(lián)系，快速保護低電壓穿越系統及模塊本身，具有很高的運行可靠性，設備體積小、質(zhì)量輕，效率高。

執行單元：主要由給粉機供電總斷路器、單臺給粉機斷路器、二極管及接觸器等組成，執行單元會(huì )根據給粉機運行情況及電壓變化情況，準確投入低電壓穿越系統對應設備，確?；坞娭斡行?，鍋爐保護動(dòng)作可靠退出[5]。

5.1 1模塊帶2臺給粉機變頻器低電壓穿越系統工作原理

1模塊帶2臺給粉機變頻器是該企業(yè)低電壓穿越系統采用的典型模式，由1個(gè)電壓暫降保護器RTM模塊同時(shí)給2臺給粉機變頻器提供晃電支撐電源。具體工作原理：廠(chǎng)用電電壓正常，鍋爐給粉機在收到DCS啟動(dòng)指令后，給粉機變頻器啟動(dòng)，低電壓穿越系統監視到某給粉機運行信號后，發(fā)指令將對應給粉機接觸器合閘，做好對應給粉機變頻器晃電支撐準備，但由于正常運行時(shí)二極管關(guān)斷，給粉機變頻器由廠(chǎng)用電源直接供電。

當供電系統電壓出現波動(dòng)，電壓跌落到0%～85%范圍系統瞬時(shí)啟動(dòng)工作，二極管導通后，可將直流500 V電壓加在變頻器直流母線(xiàn)，保證變頻器正常運行；
若10 s內電網(wǎng)電壓恢復正常，對應給粉機二極管關(guān)斷，對應的電壓暫降保護器RTM模塊退出支撐狀態(tài)，轉為熱備用狀態(tài)；
若10 s內，廠(chǎng)用電電壓仍未恢復正常，低電壓穿越系統判斷廠(chǎng)用電失電，為確保鍋爐的安全運行，低電壓穿越系統退出支撐，停止對給粉機變頻器的供電；
當鍋爐保護動(dòng)作或變頻器停止運行時(shí)，系統自動(dòng)退出支撐，轉為熱備用狀態(tài)，確保鍋爐安全運行[6]。1模塊帶2臺給粉機低電壓穿越系統工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 1模塊帶2臺給粉機低電壓穿越系統工作原理圖

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

三菱A700系列變頻器，預留有直流母線(xiàn)端子，在接完直流母線(xiàn)不改動(dòng)變頻器的情況下做動(dòng)態(tài)實(shí)驗時(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)變頻器預留外接電源端子R1，S1分別對接至直流母線(xiàn)，R1端子接變頻器直流母線(xiàn)正極，S1端子接變頻器直流母線(xiàn)負極。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交流電源為同一電源，當出現晃電時(shí)，變頻器控制回路失去正?？刂齐娫?，該修改保證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P30由0改為20，該參數修改代表將變頻器供電模式改為交流、直流切換運行。

3)將變頻器RT端子和SD端子短接，并把RT端子對應的P183參數改為70(該參數修改代表變頻器直流供電運行被許可)。

4)改造完以上接線(xiàn)后再次試驗則正常。

5.3 給粉機低電壓穿越支撐性能測試結果

綜合考慮后設置給粉機低電壓穿越支撐時(shí)間為10 s，當斷掉給粉機變頻器交流輸入電壓，維持9 s，9 s后恢復變頻器交流輸入電壓。抽查某給粉機變頻器進(jìn)行錄波發(fā)現，斷掉給粉機變頻器交流輸入電壓，維持9.43 s左右，9.43 s后恢復變頻器交流輸入電壓。試驗錄制波形見(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(xiàn)電壓暫降前后值

當模擬電壓暫降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變頻器直流母線(xiàn)提供有效支撐，維持變頻器直流母線(xiàn)電壓在496 V(見(jiàn)圖7)，變頻器輸出電壓保持相對穩定，變頻器能正常運行。

5.4 低電壓穿越裝置與變頻器運行信號、MFT信號聯(lián)鎖功能測試

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

2)DCS啟動(dòng)12臺給粉機變頻器后，遠程模擬FSSS(爐膛壓力異常保護動(dòng)作，引、送風(fēng)機停止運行，鍋爐水位異常保護，全爐膛滅火保護、燃料中斷保護)動(dòng)作信號中任意一個(gè)信號，對低電壓穿越裝置發(fā)出MFT信號，低電壓穿越裝置收到MFT信號后運行信號被切斷，低電壓穿越裝置停止輸出。

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

2)系統配置的外置二極管及電壓暫降保護器RTM模塊內部的隔離變壓器，能有效防止形成環(huán)流和阻止負載側的瞬間反向電壓對直流系統的沖擊。

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

4)低電壓穿越系統2018年投入運行后，2021年9月16日，鍋爐某高壓電動(dòng)機故障，電動(dòng)機速斷保護動(dòng)作跳閘，廠(chǎng)用電電壓瞬間降至56%Ue，對應廠(chǎng)用電部分低壓電動(dòng)機跳閘，而電源取自該段的鍋爐給粉機持續穩定運行，避免了鍋爐停爐。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證的低電壓穿越系統在鍋爐給粉機變頻器上的應用，從根本上解決了電網(wǎng)波動(dòng)對鍋爐安全穩定運行的威脅，有效地解決了鍋爐因為晃電發(fā)生鍋爐停爐事故，保證了鍋爐的長(cháng)周期運行，避免了企業(yè)遭受重大的經(jīng)濟損失。