给煤机低电压穿越技术改造后的一次机组非停分析_陈秀斌.pdf

74电工电气电工电气 (2023 No.2)陈秀斌(华电电力科学研究院有限公司山东分院，山东 济南 250002)给煤机低电压穿越技术改造后的一次机组非停分析0 引言低电压穿越技术最早是源自风力发电机组的发展而提出的，为保证风电的发展不给电网稳定性造成威胁，德国意昂集团下属电网公司 E.ONNetz 最早提出适用于德国电网的低电压穿越标准。对于变速恒频双馈风力发电机，在电网电压跌落的情况下，由于与其配套的电力电子变流设备属于交流/直流/交流型，容易在其转子侧产生峰值涌流，损坏变流设备，导致风力发电机组与电网解列。随着变频器在火电厂电机调速的广泛应用，同样存在因低电压而使厂用设备跳闸的问题，并最终导致发电机组非停(异常停机)，严重地可影响地区电网的稳定运行。在 2016 年，国家电网公司各调控中心明确出文要求统调火力发电厂给煤机等辅机应完成低电压穿越能力的升级改造工作。伴随发电厂及变电站辅机变频器高低压穿越技术规范(DL/T 16482016)的发布，火力发电厂按照相关技术要求逐步开展了给煤机等辅机的低电压穿越能力技术改造工作。目前，升级改造后各辅机系统的运行稳定性仍需探讨。文中就近期发生的一次某 1 000 MW 超超临界机组跳闸案例展开分析。1 1 000 MW超超临界机组跳闸事件概况2022 年 4 月 27 日 15:39:30，1 号机组的负荷为582 MW，主汽压力为 17.9 MPa，主汽温度为 599，A、B、C、E、F 给煤机运行正常；15:39:32，1 号炉 F 给煤机给煤量由 57 t/h 突降至 0，给煤机电流由 5.4 A 突降至 0，给煤机皮带电机故障报警；A、B、C、E 给煤机给煤量自动跟踪总燃料指令正常；15:39:53，F 给煤机事故跳闸信号发出，随后 E、B、C、A 给煤机事故跳闸信号依次发出；15:49:02，发电机组跳闸。2 事件分析2.1 检查情况1 号炉 F 给煤机跳闸后，就地检查 F 给煤机，控制面板报“测速电机反馈消失”(后经检查发现给煤机转速探头均固定牢固，且转速测量无异常，给煤机控制回路各板件、元器件无异常)；给煤机变频器过电压报警发出；检查 E、B、C、A 给煤机故障报警信息均与 F 给煤机一致。检查 1 号炉 F、E、B、C、A 给煤机低电压穿越装置报警信息，均有“直流过压”、“装置补偿启动”记录，A 给煤机低电压穿越装置有“装置补偿启动”记录(无“直流过压”报警，后期试验证实存在实际直流过压但装置未报警的情况)。1 号炉 F、E、B、C、A 给煤机均触发“事故跳闸”，但 DCS(电厂自动化控制系统)给煤机停止指令均未触发，判断给煤机均为就地保护跳闸，这与就地检查情况一致。15:30:01，1 号炉 F、E、B、C、A 给煤机电流均有瞬间的大幅突升，初步判断为给煤机变频器受到过电压冲击造成电流突升。1 号炉、2 号炉给煤机关联性排查：1 号炉给煤机跳闸前 1 号机组设备无相关联操作；15:24至 15:45 左右，2 号机组 2 号炉 E 给煤机低电压穿越柜及变频控制柜在开展试验过程中有送电操作。1 号炉、2 号炉给煤机低电压穿越装置关联性排查：2 号机组直流 220 V 蓄电池检修，1 号、2 号机组 220 V 直流联络开关投入，2 号机组直流屏绝缘监测装置退出，1 号炉、2 号炉给煤机低电压穿越装置临时共用 220 V 直流电源。2.2 给煤机系统配置情况1 号炉共配置 6 台电子称重式给煤机，给料量为 10 110 t/h，给煤机电机功率为 4 kW，采用变频调节。根据相关文件要求，2018 年 12 月进行了给煤机变频器低电压穿越技术改造，装置投运后未发生异常情况。1 号炉 6 台给煤机变频控制柜控制给煤机低电压穿越技术改造后的一次机组非停分析75 电工电气电工电气 (2023 No.2)电源分别取自 UPS 电源，A、C、F 给煤机动力电源取自锅炉 400 V A 段，B、D、E 给煤机动力电源取自锅炉 400 V B 段。1 号炉 A、C、F 给煤机变频器低电压穿越装置交流 380 V 输入端分别自锅炉 400 V A 段与给煤机动力电源并接，1 号炉 B、D、E 给煤机变频器低电压穿越装置交流 380 V 输入端分别自锅炉400 V B 段与给煤机动力电源并接；6 台给煤机变频器低电压穿越装置直流 220 V 输入端取自 1 号机组 220 V 直流馈线屏。低电压穿越装置电气一次原理图如图 1 所示。1 号炉给煤机低电压穿越装置具有低电压穿越和零电压穿越功能，低电压穿越模块由 380 V 交流供电，零电压穿越由 220 V 直流供电。三相交流电压经过软启动单元(KM1、KM2)和三相不控整流桥后，将交流电压整流成直流电压，此时的电压为电感前电压；再经过 Boost 升压回路，将不稳定的直流电源(100 513 V)高频斩波成稳定的直流电压(520 V)，实现直流转直流功能，此时的电压为电感后电压，再经过后端防逆隔离二极管和直流输出断路器，将低电压穿越输出接入变频器直流母线端，实现当电网电压在 0.2 0.9 p.u.范围内发生低电压穿越时，输出稳定的直流 520 V 电源，确保发电厂辅机给煤机用变频器稳定运行。而当 380 V 电压跌落到 162 V 以下时，低电压穿越装置自动切换到直流 220 V 零电压穿越电压回路，保证变频器正常工作的能力。2.3 事件原因分析2号炉E给煤机低电压穿越装置软启动回路动作特性不稳定，启动补偿前软启动单元 KM2 与 KM1 吸合时间间隔较其他低电压穿越装置短，KM2 软启动回路中限流电阻未充分限流，启动补偿后过电压抑制能力不足，产生较大冲击电流和高频过电压，通过直流电缆传递到 1 号炉 F、E、B、C、A 给煤机低电压穿越装置，导致低电压穿越装置报过电压故障。给煤机低电压穿越装置发生过电压故障，故障复位重启，装置补偿投入瞬间造成正常运行的变频器直流母排过电压，1 号炉 F、E、B、C、A 给煤机变频器过电压保护触发跳闸，给煤机陆续跳闸，并最终导致机组跳闸。2.4 事件原因的进一步验证1)1 号炉给煤机启停试验情况。为进一步验证给煤机电机转速反馈消失及变频器过电压报警原因，对1号炉D给煤机进行模拟试验：(1)手动启、停D给煤机，给煤机及变频器均未报警。(2)拆除转速探头信号线模拟转速反馈消失，给煤机跳闸，就地面板发出“测速电机反馈消失”，变频器未报警。(3)拉开D给煤机380 V交流电源开关，低电压穿越装置对 D 给煤机供电正常，给煤机未跳闸，变频器无报警。从试验结果分析，不是给煤机转速信号消失造成变频器过电压，而是变频器过电压跳闸后转速消失。2)2 号炉给煤机低电压穿越装置检查试验情况。为验证低电压穿越装置送电与给煤机变频器过电压报警跳闸关联性，先后对 2 号炉给煤机低电压穿越装置进行如下试验：(1)6 台给煤机变频器控制柜送电状态下，分别试验 6 台低电压穿越装置，拉开低电压穿越装置的交流电源开关 SW1 和直流电源开关 SW2，出口开关 SW5 保持合闸，待电压下降后，合上交流电源开关 SW1 和直流电源开关 SW2，电压正常，未发故障信号。(2)A、B、C、D、F 给煤机变频器控制柜送电状态下，将 E 给煤机变频器控制柜停电。拉开 B、D 给煤机低电压穿越装置直流电源开关 SW2，拉开 E 给煤机低电压穿越装置交流电源开关 SW1、直流电源开关 SW2、出口开关 SW5，待电感前和电感后电压下降到零后再次合闸，装置电感后电压最高升至 680 V，E 给煤机低电压穿越装置过电压故障发出，约 110 s 后，低电压穿越装置复位后补偿启动，此时 E 给煤机低电压穿越装置直流电源开关 SW2 跳闸，同时 A、C、F 给煤机低电压穿越装置过电压故障信号发出，B、D 给煤机低电压穿越装置未发出故障信号。A、C、F 给煤机低电压穿越装置过电压故障后复位时间在 5 20 min左右不等。(3)A、B、C、D、F 给煤机控制柜送电状态下，将 E 给煤机控制柜停电。E 给煤机低电压穿越装置直流电源开关 SW2 保持分闸状态，将 E 给煤机低电压穿越装置电源柜停电，待电压下降后再次送电，E 给煤机低电压穿越装置未发故障信号。图1 低电压穿越装置一次原理图KM2KM1SW1SW2380 V交流电源电感220 V直流电源至变频器母线不控整流桥Boost升压SW5给煤机低电压穿越技术改造后的一次机组非停分析76电工电气电工电气 (2023 No.2)依次对 A、B、C、D、F 给煤机低电压穿越装置进行上述停送电操作试验，均未出现相邻低电压穿越装置过电压报警情况。(4)后续又重点对 E 给煤机低电压穿越装置进行 5 次试验，发生 3 次其他相邻低电压穿越装置过电压报警情况。从试验结果分析，2 号炉 E 给煤机低电压穿越装置软启动回路动作特性相对较差，装置故障复位后启动补偿会产生高频过电压，对同一 220 V 直流母线上的其他给煤机低电压穿越装置产生高频过电压影响，造成装置过电压报警并退出，经 5 20 min 左右装置故障复位后启动。3 处理及防范措施1)将 2 号机组 220 V 直流蓄电池组投入，并断开 1 号、2 号机组直流系统 220 V 联络开关。2)针对该型低电压穿越装置软启动回路缺陷和过电压抑制不足，暂时退出低电压穿越装置运行，要求设备厂家提供解决方案，进行充分验证并消除缺陷后再投运。3)强化对低电压穿越装置等新上设备的技术培训，要求运维人员熟练掌握新上设备的原理、操作注意事项，熟悉设备结构、检修维护要点、设备故障处理步骤等。4 220 V直流系统的优化思路针对此次异常停机事件，为维持给煤机系统的稳定性，要求设备厂家提供低电压穿越装置软启动回路缺陷和过电压抑制不足的解决方案。除从设备方面考虑，还应从系统较薄弱的层面去优化，文中最后提出一种优化 220 V 直流系统的设想，以滤除负荷设备反馈至直流母线的过电压能量。因直流系统为不接地，由线路空载、不对称接地故障和甩负荷引起的工频过电压较难反馈至 220 V 直流系统，而接于 220 V 直流系统的设备异常运行而产生瞬态过电压通常为高频的尖峰电压，这会对系统的其他设备造成冲击，进而影响其稳定运行，尤其承担着重要作用的各继电保护设备。因此，可选择在直流母线增加尖峰电压吸收电路，尖峰电压吸收电路可采用无源无损设计，以吸收来自负荷设备反馈至母线的高频能量。5 结语经过对本次 1 000 MW 超超临界机组异常停机的分析，一定程度上反映出低电压穿越装置存在的技术缺陷，可为已完成辅机系统低电压穿越技术改造的电厂提供一定的技术思路和防范意见，并就提高直流系统稳定性提出参考性优化建议。经了解，各低电压装置生产厂家给出的技术改造方案不一，如在升级改造后，由于给煤机控制电源配置不合理导致给煤机跳闸甚至异常停机事件较为多见。文中所述事件不仅反映出低电压穿越装置本身存在的缺陷性问题，同样指出了运维人员应当深入熟练掌握新上设备的原理、操作注意事项等。修稿日期：2022-10-19给煤机低电压穿越技术改造后的一次机组非停分析