探究火电厂10 kV高压变频设备的低电压穿越能力

高建民

（晋控电力山西同达热电有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

我国发电企业为了满足社会生产与居民生活的用电需求，在对火力发电机辅助机进行设计时广泛使用变频技术。在发电机中使用变频器可以实现发电机无极调速、辅助机软启动以及成本经济性等诸多优势。尽管在火力发电机辅助机设计时使用变频器具有诸多优势，但是在实际的电力生产过程中，我国有相当一部分火力发电机辅助机变频器不具有良好的低电压穿越能力，更有甚者根本无法完成低电压穿越。

因为低电压穿越效果的不理想，所以在我国火力发电企业频繁出现因系统故障造成火电发电机组停机事故，造成大范围、长时间停电，给社会生产、发电企业以及人民生活造成严重损失。究其故障原因，是因为在短时间内电压过低或者是短时间内变频器因各种故障状态下导致低电压发生无法穿越而终止运行，轻则导致发电企业被迫降负荷，重则导致各种保护动作停机。

我国火电厂因为电压过低引起的跳机事故引起国家电网的高度重视，停机引发的电力故障给社会生产和人民生活造成的严重损失是无法挽回的。因此，本次研究火电机组低压穿越能力差的问题，提出改进措施，提升火电机组低电压穿越能力，确保火电机组正常运行，降低故障率，确保社会正常生产与人民幸福生活。

1 中电投江西电力有限公司新昌发电分公司停机事故

早在2020年10月13日凌晨，中电投江西电力有限公司新昌发电分公司发生了一场机组被迫降负荷事故。#2机组10 kV A段厂用电配电柜因过电压保护器在运行过程中被击穿，本配电柜因出线侧电缆单相接地短路而跳闸，10 kV A段电压瞬间被拉低，进而造成#2机组的#1一次风机和#1二次风机变频器出现重度故障，最终因变频器无法躲过瞬时低电压而跳闸，导致锅炉因风量不够被迫降负荷运行。

工作人员经初步分析发现，#2机10 kV A段变电源配电柜过电压保护器接地故障，启动过流保护跳闸，即本次异常跳闸是出于保护目的引起的。进一步分析发现，本次故障的根本源头在#2机10 kV A段变电源配电柜投运不久，过电压保护器A相击穿导致单相接地。如果不能及时制止这种故障现象，短路故障就会进一步发展为三相，并且会出现极大的短路电流。

当火电机组因电压过低发生故障后，电压为10 kV的电动机在35 ms内跳闸电流保护。开展试验的过程中需要结合断路器的自身性质进行分闸，时间控制在40 ms以内。通过故障录波器观测电压形成的波形，作为数据分析依据。经初步分析，故障切除时间约为60 ms，故障在发生阶段#2机10 kV A段电压相位最低电压下降至1.3 kV。

#1一次风机变频器电流Imax=198 A，#1二次风机变频器电流Imax=108 A，此时电流过低，10 kV A段变电源配电柜过电压保护器故障时拉低电压，故障发生60 ms内切除本段所带的#1一次风机和#1二次风机，机组出现因风量不足被迫降负荷事故。

2 变频器结构与模型

常用的变频器由控制单元、整流器、平波电抗器、续流晶闸管以及逆变器构成，结构如图1所示。

图1 变频器结构

在变频器的工作过程中，输入电压整流和滤波的工作都由主回路负责，控制回路结合外界指令展开运算，实现对逆变功率模块的控制，从而以尽可能精确的速度响应电机运行场合。主回路电流与交流输出需要展开检测运算[1]。变频器主回路发生过压和过流等异常现象会造成部分元件不可逆性损坏，因此才设置保护回路，同时对异步电机与传动设备起到保护[2]。

常见的电压源型变频器均使用半桥和全桥结构，本次研究中数学模型的构建以图2所示的单相全桥逆变电路为准，状态变量选择为电感电流iL与电容电压uC，输入变量选择逆变桥中点输出电压us与输出电流i0[3]。

图2 单相全桥逆变电路

3 关于变频器的低电压穿越

3.1 现阶段辅机变压器低压穿越的状况

当电网出现低压故障、设备启动以及备自投切换状况时，由于短时间内通过的电流过大因此会出现冲击和过热现象。冲击过大或温度过高过电压保护器就会被瞬间击穿烧毁，电压变化将不再受到控制[4]。电压在短时间内或者是瞬间小于变频器低电压保护值整值，出现电缆侧接地和三相短路故障现象，本段母线所带的风机变频器同样受到牵连，从而会引发低压变频器因无法躲过瞬间低电压，启动保护动作，变频器跳停[5]。

3.2 变频器低压穿越接线原理

需要切断接受测试的火电机组变频器电源，展开接线实验，电压暂降发生器在变频器输入空开的两侧接入[6]。电量分析仪与变频输入和输出电压信号相接，分析变频器的输入电流与输入电压。

变频器输入处于空开的状态下，闭合辅机变频器的电源，调整电压暂降发生器到正常输出电压，直至变频器运作正常。辅助电机启动，调整载荷，电压暂降发生器输出电压调整至20%，在0.5 s状态下开始低压穿越实验。然后将电压暂降发生器输出电压调整至60%，同样在5 s状态下开始低压穿越实验[7]。

4 中电投江西电力有限公司新昌发电分公司辅机变频器低压穿越实验

当电压暂降发生器的输出电压为给煤机变频器的实际输入电压，下降至额定电压60%，此时低压穿越中断，一次风机和二次风机变频器也停止运行，此时输出功率为0[8]。电压暂降发生器的输出电压与一次风机和二次风机变频器输入电压相等，即额定电压的60%时，一次风机与二次风机变频器也停止运行，此时输出功率为0，7 s后再次启动电压暂降发生器，变频器实际输入电压仍为额定电压的60%，理想持续运行时间为5 s，此时发现一次风机和二次风机变频器并不能满足低压穿越实验实际要求。

当一次风机和二次风机变频器停止运行时，此时的实际输出功率为0。在2.5 s内，启动变频器同时电压波动超过10%，变频器实际输入电压下降至额定电压20%时断电，一次风机和二次风机变频器停止运行，此时输出功率为0[9]。结合实际生产需求，发现无论是一次风机变频器还是二次风机变频器都不符合实验要求的电压下降至额定电压20%状态下的电压穿越效果。

低压穿越电源系统的优点主要是通过电厂直接向变频器提供电量，并且接线相当快捷，对动切换不会造成干扰，在电压下降至额定电压1/4，时间超过20 ms～10 s时，变频器的运行将被中断，在低压状态下为实现穿越可以为电源添加少量的蓄电池[10]。

5 结 论

本次研究对火电厂10 kV高压变频设备的低电压穿越能力进行分析。以中电投江西电力有限公司新昌发电分公司停机事故为案例，分析变频器低压穿越无法顺利进行引发的故障，分析了变频器结构，建立了模型，还阐述了变频器的低电压穿越，包括对问题阐述、分析现阶段辅机变频器低压穿越的状况以及介绍变频器低压穿越接线原理。经研究发现，在电压下降至额定电压1/4，时间超过20 ms～10 s时，变频器的运行将被中断。在低压状态下可供应少量的蓄电池电源，由此实现有效的低压穿越。