电压波动对变频器的影响及预防措施

2022-11-16刘喜奎

中国科技纵横 2022年1期

刘喜奎

（国能集团包头煤化工有限公司，内蒙古包头 014010）

0.引言

变频器不仅能够实现节能的效果，还能间接的实现电机的软启动，最重要的是根据工艺参数的需求能够自动改变电机的转速提高运转精度等功能，在各类厂矿企业，变频器都有着广泛的使用。由于变频器的某些特性，电网的电压波动会使变频器出现过电流或者过电压报警跳闸，变频器的正常运行需要一个稳定的电力系统，然而在实际生产中，电压波动是不可避免的，为了确保变频器正常运行，需要了解电压波动的原因，以便找到相应的解决方案和应对措施，本文就针对电网电压波动对变频器的危害及其解决措施进行简单的分析与研究。

1.电压波动的原因

电压波动是指电网电压值的偏离正常值的快速变化，供电系统电压瞬时波动主要有以下几个方面的原因[1]：

（1）电网受到雷电冲击引起的电压瞬时变化。在每年夏天雷雨季节高发时段，若高压电网被雷电击中，避雷器将迅速动作，把雷击电流快速向大地释放，将引起短暂的电压突降现象。

（2）挂网设备发生故障导致电压短时波动。当电网变电站馈出线路用户发生接地或想见短路故障时，变电站馈线的保护装置将立即动作，变电站内部系统电压将受影响瞬间降低，同一个变电站母线的其他相关用户的电压值也会跟着发生快速波动，此时会表现为电压数值瞬时拉低的波动现象。

（3）由具有冲击性的大功率负荷直接启动引起的电压瞬时波动。由于厂内大功率设备启动瞬间的冲击，很容易造成厂内或局部电网系统电压出现瞬时拉低的现象。

2.电压波动对变频器的影响

电压波动幅度过大对变频器的影响比较大，可能会触发变频器内部的保护功能，如过电流、欠电压、过负荷保护等，一旦保护动作跳闸，将影响生产持续运行。变频器低电压其实指其中间直流回路低电压，而变频器一般都具备过电压、低电压、失压以及瞬间停电等保护功能。由于电网电压波动通常都是短时出现后就恢复正常，以往电气运行维护人员在电压稳定之后通过手动操作对变频器进行复位，即可解决此类问题。但是由于部分工业负载类设备较多且分散布置，对变频器进行逐个手动复位消耗时间过长，影响生产效益。

3.变频器的结构原理

变频器的工作原理是通过整流、逆变改变输出电源频率的方式来控制设备的转动速度，变频器的硬件组成部分主要有整流装置、逆变装置、滤波装置、制动模块、驱动模块、检测单元等组成。变频器靠内部可控硅元件的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。变频调速装置一般采用交—直—交电压，整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路，电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流3种。逆变就是将直流电压转换成交流电压并输出到用电设备的过程。

4.变频器低电压原因分析

变频器的主要组成部分是整流部分和逆变部分，通过对变频器主体结构的研究，变频器低电压主要是指其中间直流回路输入电压过低，一般能引起中间直流回路的电压过低的原因主要有2个方面的因素。

（1）供给侧电源电压低。低压变频器正常情况下的输入电压为380V左右，允许误差为-5%～+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的电压值为513V，电源输入侧的低电压主要是由于电网电压的波动或工厂内的变压器超载、负荷不平衡等原因造成。

（2）来自负载侧的低电压。来自负载侧的低电压主要是由于工厂内大型设备启动、线路过载等原因造成。

5.某化工厂内部电压波动导致变频器跳闸事故案例分析

5.1 工厂电力系统简介

工厂自建220kV总变电站的220kV母线采用双母线分列运行方式，母联开关运行方式为冷备用。两台主变压器分别接于220kV I、Ⅱ段母线。35kV系统采用双母线双分段运行方式，其中I、Ⅱ段并列运行，Ⅲ、Ⅳ段并列运行，I、Ⅲ段母联开关，Ⅱ、Ⅳ段母联开关运行方式为热备用。总变压器为150000kVA三相有载调压变压器。

热电装置配备2台75MVA主变压器，1#主变电源取自上级220kV总变电站的35kV I、Ⅱ段母线，2#主变电源取自总变35kV Ⅲ、Ⅳ段。2台发电机经35kV电缆接入220kV总变电站的35kV配电装置。发电机出线电压为10.5kV，发电机出口装设断路器，发电机出线端均装设电压互感器和避雷器。发电机中性点采用经消弧线圈接地。发电机与主变之间采用共箱封闭母线连接。高压电抗器、励磁变经共箱封闭母线支接在发电机与主变低压侧之间。2台机组设1台与高压厂用电抗器相同供电容量的双绕组起动/备用变压器，其电源由220kV总变电站內35kV配电装置引接。电站内设置一段10kV高压厂用备用母线段，电源由起动/备用变的低压侧供电。2#给水泵在10kV厂用IB段，对应的是1#主变压器，为35kV I段。

气化装置两回路35kV电源引自总变35kV不同母线段，采用 35kV线路-变压器组的形式供电。变电所内设有35/10kV-25000kVA油浸动力变压器2台，10kV母线为2段，0.4kV分为8段。变电所的10kV及0.4kV系统均为单母线分段运行方式，正常运行时，两段母线分别供电，当某一段母线故障时，母联断路器自动闭合，另一段母线将带全部负荷，保证供电的可靠性。1#及5#煤浆泵变频器在0.4kV的5段上。对应的是35kV I段。

5.2 故障现象描述及过程追溯

5.2.1 事故现象描述

2021年10月5日10：43分，电站#2给水泵在启动中跳闸，ECS盘面来“#2给水泵接地”“#2给水泵过流III段”“#2给水泵零序过流”保护动作信号，就地检查#2给水泵保护装置显示为“差动”保护动作。电站#1发电机跳闸，检查保护装置显示为“#1发电机3U0定子接地保护”“#1发电机灭磁联跳”保护动作。检查发现是1#煤浆泵变频器低电压跳闸，致使生产装置停车。变频器装置显示低电压告警信息。

5.2.2 事故过程追溯

（1）上午10：00，电站汽机专业告知给水泵做定期轮换试验，需启动#2给水泵；经检查#2给水泵为送电备用状态，随即回复汽机可以启动#2给水泵。（2）10：08，汽机在启动#2给水泵时，ECS盘面来“#2给水泵过流Ⅰ段保护动作”信号，同时汽机通知#2给水泵未启动起来。（3）10：10，电气值班人员进行就地检查及电机绝缘测试工作；经检查#2给水泵电机本体及开关柜处无异常。（4）10：35测电机绝缘为：A-B、B-C、C-A相间均为0MΩ；A、B、C三相对地为2500MΩ，所用摇表电压等级为2500V.认定为电机绝缘合格。（5）10：43#2给水泵在启动中跳闸，ECS盘面来“#2给水泵接地”“#2给水泵过流III段”“#2给水泵零序过流”保护动作信号，就地检查#2给水泵保护装置显示为“差动”保护动作。（6）10：43 #1发电机跳闸，检查保护装置显示为“#1发电机3U0定子接地保护”“#1发电机灭磁联跳”保护动作。（7）10：43 #1煤浆泵晃电停运，造成#1汽化炉停炉。

5.2.3 测量及故障查找

电气检修班联系汽机#2给水泵停电，做“#2给水泵开关本体检查”“#2给水泵电机本体检查”。检测数据为#1发电机定子绝缘为：A-B、B-C、C-A相间均为0MΩ；A、B、C三相对地为500MΩ，所用摇表电压等级为2500V；转子绝缘为：相间0MΩ，对地为200MΩ，所用摇表电压等级为500V。

5.3 事故分析

（1）发电机跳闸主要原因：运行人员在#2给水泵第一次启动未成功后，ECS盘面来“#2给水泵磁平衡-过流Ⅰ段保护动作”信号，就地无保护出口动作信号，运行人员经过绝缘测试合格后，没有经过保护班组确认，误判断为给水泵电机后备保护动作。进行第二次启动，造成#1发电机跳闸。

（2）发电机跳闸次要原因：因热电中心发电机出口10kV系统与厂用电10kV电气系统通过电抗器连接，未采用变压器隔离，从而发电机及厂用电10kV电气系统任何一点接地会引起整个10kV系统接地。电站#2给水泵电机在启动过程中由接地发展成两相短路过程中产生超标零序电压，达到#1发电机“定子接地”保护动作值，是导致#1发电机“定子接地”保护动作跳闸的主要原因。热电中心发电机出口10kV系统与厂用电10kV系统通过电抗器连接，未采用变压器隔离。

（3）甲醇#1高压煤浆泵停运原因：#1高压煤浆泵为变频器驱动，其电源与电站#2给水泵为同一电源端，在#2给水泵电机短路暂态过程中，35kV系统电压降到额定值得85%以下，达到变频器低电压停机值，造成#1高压煤浆泵停车，从而影响到#1气化炉。

5.4 预防措施

（1）因“过流Ⅰ段保护动作”信号无保护出口动作信号，应在运行人员经过绝缘测试后，再由继电保护班技术人员进行检查确认。

（2）热电中心发电机出口10kV系统与厂用电10kV系统通过电抗器连接，采用变压器隔离，杜绝一点接地导致全厂10kV系统接地。

（3）对运行人员加强继电保护常识的业务培训，对常见故障进行案例分析，举一反三，加强设备运行维护能力。

6.解决变频器低电压的措施

6.1 解决电源输入侧电压波动影响

（1）国家电网系统做好电力系统的运行维护，定期巡检设备运行状态，对潜在隐患及时消除。（2）定期做好电气设备及架空线路的检修和试验工作，在检修中发现隐患及时消除。（3）定期清理高压线路鸟巢，防止鸟巢和大鸟造成线路相间短路或接地。（4）各发电企业做好设备运行管理，特别是大型发电企业，一旦无计划停车，会对区域电网电压造成大幅波动影响。（5）由于电网系统误操作引起的晃电时有发生，电网系统操作时，要严格执行工作票制度和监护唱票制度，杜绝误操作引起的电力系统故障。（6）做好线路和变电站的防雷工作，特别是在雷雨多发地区防雷工作显得尤为重要[2]。

6.2 解决负载侧波动对电压波动的影响

（1）对大容量电动机增设变频启动或者软启动装置，防止启动电流过大导致区域电网大幅降低，引起变频设备低电压跳闸。（2）大容量电动机可以单独增设一台容量适宜的10kV变压器，防止电动机启动电流过大导致区域电网大幅降低。（3）可以设置在变频器内部将把电源电压参数设置稍微低点，低电压时限稍微放长一点，用来躲过大容量设备启动对瞬间电压降低的影响[3]。

6.3 采用直流支撑技术解决对电压波动的影响

在变频器直流侧增加不间断直流电源提高变频器的低电压跨越能力，以此来解决目前变频器面临电压波动的问题。采用此技术可确保：（1）厂用交流电源低电压时，变频器还能正常工作。（2）在备自投切换过程中确保变频器正常工作。

从电压跌落到变频器恢复正常运行，时间至少10几秒到几十秒，此过程中电机会停止运行，严重影响工厂的正常运行，针对该问题我们采用直流支撑技术，通过整流装置、蓄电池组和各直流回路，对各变频器的直流母线供电，并通过PT传感器、开关量数据采集等输入PLC，编程控制各直流回路的开合、静态开关的导通等，当电网发生晃电甚至停电时，保障变频器连续、稳定、安全运行一定的时间，从而大幅度减少电网电压波动对变频器产生的影响，进而保障整个工厂电气设备安全度过晃电期。