发电厂高压变频器选型和存在问题的探讨.doc

发电厂高压变频器选型和存在问题的探讨随着高压变频调速技术日趋成熟。韶关电厂于首先对一台200 Mw 机组的引风机进行高压变频调速改造试用，结合本厂的实际应用经验，对高压变频器选型与应用时应注意的技术问题进行阐述同时对实际应用中存在的问题进行了分析。 在火力发电厂中，厂用电量约占机组发电量的58，其中风机、泵类负载的用电量约占厂用电的80；而这些设备在容量设计和选型上有很大的裕度，采用风门或阀门调节截流能量损失很大，在实际运行中机组负荷也需要调节，在机组调峰运行或负荷率较低的工况下情况更甚。随着能源供需的矛盾日益突出， “厂网分离、竞价上网”政策的实行，更加剧了电厂的成本压力，迫使发电企业实行节能降耗，以增加竞争力。在电机节能方面，变频器有其他调速设备不可比拟的优势，特别是高压变频器的节能效果更为显著，据统计我国风机、泵类进行高压变频改造后节电率可达2060。因此，对火力发电厂的高压辅机进行变频调速改造，可以最大限度地降低厂用电率和发电成本，提高企业的市场竞争力。 1 高压变频器的选型 众所周知，高压辅机设备运行的稳定性、可靠性直接影响火力发电机组的安全稳定运行，一旦这些关键辅机设备由于变频器故障而非正常停机，往往会导致机组负荷大幅下降甚至跳机、锅炉熄火等事故。造成的损失是节能效益无法弥补的。因此，电厂辅机在进行高压变频器改造时，对高压变频设备的稳定性、可靠性要求必须排在首位。在高压变频器选型时应关注几个方面。 11 高压变频器平均无故障时间 高压变频器的指标需要生产厂家从采购、设计、制造、检验、管理等环节加以保证。因此在选型时可以通过收资、调研，选择产品设计技术先进、生产与品质控制严格、设备运行较稳定、用户业绩评价高的产品。 12 对环境的适应能力 评定高压变频器对环境的适应能力主要从以下几个方面考虑： a)对电网电压波动的适应能力。当母线上电动机成组自起动、当母线上最大一台电动机组起动时对变频器运行的影响，这与变频器允许的输入电压波动范围参数有关对于火电机组应保证母线电压跌落30%时变频器不会停机。另外，存母线切换等情况下所造成的母线电压瞬时失电发生后，变频器应具有持续或恢复运行的功能(有些厂家称为“失压再起动功能”)，即在母线电压瞬问降低或消失(如事故切换)时变频器不跳闸或使电机系统惯性运行；当母线电压重新恢复正常后，变频器能根据捕捉到的电动机转速止确调整自身输出，重新拖动电动机运行的功能。在电源瞬间跌落或消失时问不长的情况下，该功能保证变频器所驱动负载的稳定性，减少对机组运行的影响，避免锅炉灭火现象的发生。这一点是在选择重要辅机高压变频器时所必须考虑的问题。 b)对现场环境的适应能力。高压变频器大多安装于现场辅机附近，灰尘较多，灰尘进人变频柜内会导致绝缘下降或击穿损坏电子元器件；灰尘堵塞滤网造成功率柜散热效果差，易导致功率模块过热失效损坏。有些厂家把空气滤网设计为在运行中可拆换清洗，便于维护。在南方高温、潮湿气候地区，应选择对环境温湿度要求低、系统温升相对低的产品，以保证安全稳定运行。 13 对自身小故障的承受能力 高压变频器具有单元旁路功能，即某个功率单元出故障时该单元应能够自动退出，整个系统可持续带故障运行，这实际是一种冗余设计技术。此时应注意单元旁路后对变频器带载能力的影响，主要考虑变频装置每相功率单元个数、控制系统的电压补偿。单元串联越多，故障概率越大，单个单元故障对输出能力的影响越小，二者应折中取舍。若采用电压补偿算法、中性点偏移算法可提高系统单元旁路后的带载能力，但此种方法可能带来共模电压等问题，需视电动机绝缘安全等设备具体情况取舍。 高压变频器的控制系统电源至关重要，应设计采用多路控制电源供电，多通道互为备用、无扰切换；风扇冷却器的冗余设计也有助于提高系统的抗扰动能力。 14 对外部故障的承受能力 对输入侧的外部故障，如外部电网故障造成母线电压跌落时对高压变频器运行的影响。广东省某电厂机组曾发生过这样的事故：由于外部电网瞬时故障造成厂用电母线电压闪变跌落导致辅机变频器停机。虽然外部电网的故障很快切除。但由于变频器拖动的重要辅机停运导致机组甩负荷。因此瞬时停电再起动功能应是电厂机组辅机高压变频器提高外部故障承受能力的可靠保证。 对输出侧的外部故障如电缆击穿短路或电动机的单相接地甚至相问短路故障对高压变频器的影响。高压变频器应配置单相接地故障检测功能。根据现场情况选择设定告警或跳闸保护。据统计广东省高压电动机南于绝缘损坏导致的相间短路故障每年平均约20台。虽然相对概率较小，但对于采用过流能力极其有限的电力电子器件的高压变频器短路电流的冲击对设备的损害是 大的，可能导致设备损坏的严重故障。高斥变频器对输出相间短路的承受能力与保护技术是设备选型、保证设备安全应考虑的一项重要因素。 15 设备的故障恢复时间设备故障分为两种类型：一是瞬间可自行恢复的故障，这种故障一旦出现之后，能在较短的时间内自行恢复，而具有转速自动跟踪功能的变频装置能显著提高在此种故障情况下的运行能力和可靠性。广东省正在运行的部分高压变频器在雷雨季节发生雷击时频繁停机，就是因为不具备此种功能所致；其二是发生永久性损坏故障后装置的恢复时间，功率单元模块化可以在短时间内更换备用模块，使设备在短时间内恢复运行。 16 变频改造对电机保护的影响 高压变频器一般均配置工频旁路柜，以保证在变频器 现故障或检修时，通过T频旁路柜的切换电机恢复工频运行，保证生产持续不断。但这种切换也带来了相应保护配置的问题：电动机在变频运行状态下开关柜应装设变压器保护(因变频器内部与厂用电连接部分为输人移相整流变压器)，而在T频运行时应装设电动机保护。因此在改造时，原有电动机保护应保留，作为工频运行时的保护装置，如果变频器控制系统不具备输入变压器的保护功能，从系统安全和合理配置保护的角度考虑，需加装“隔离移相变压器”保护；在电动机变频运行时退 电动机保护而投变压器保护。 17 手动旁路和自动旁路 手动切换变频器的运行方式(工频-变频)，存在操作复杂、中断时问久对机组稳定性影响较大的问题。 具有工频-变频自动切换的变频器在发生故障时能自动切换至工频运行。保证了重要辅机的持续运行。降低了对机组乃至对电网的影响。但是存电动机故障时变频器自动切换至工频，会加剧电动机的故障，并有使故障扩大化的危险。在具体的应用中，应充分考虑“自动旁路切换功能”的利弊，最好变频器控制系统具有判别自身故障和负载故障的能力。另外自动工频变频切换时还应注意开关柜保护装置的自动切换、风门或阀门的联动调节。在变频检修完毕后，如何使电机从工频运行状态瞬间切换至变频运行状态，也是存改造时必须注意的问题。 18 谐波对电网及电动机的影响 低压变频器的输入电流具有很大的高次偕波成份，这些谐波对电网造成“谐波污染” 的同时，还降低了变频器输入电路的功率因数。而高压变频器通常采用多重化整流技术，减小对电网的谐波污染，提高变频器输入侧的功率因数。有资料表明，采用30脉波的移相变压器的高压变频器，输入总谐波含量基本小于国标要求的4 ，网侧的功率因数也可达095以上。输出电压、电流谐波对电动机的影响主要体现在增加电动机转矩的脉动和电机的发热，从而影响电机绕组的绝缘；共模电压和轴承电流会加剧轴承电蚀降低机械寿命。一般多单元串联型式高压变频器的每相串联的功率单元个数达到5个及以上时，输出电压的突变率(dudt)可满足电机绝缘要求，减少对绕组绝缘与共模电压轴电流的损害，谐波含量低，可以不考虑其对电机的影响。 电动机低速运行时，自冷电动机的散热能力将会下降，对于风机和泵类负载，采用单元串联式的高压变频器谐波发热影响小，电动机在低速运行时由于负载电流较低，发热量少，因此不必考虑附加散热措施问题；但对于恒转矩负载，低速运行时电动机的发热与高速运行时接近，就要考虑低速运行时加装强迫风冷等散热措施。同时，还应注意低速运行时轴承的润滑问题。19 变频器的寿命 高压变频器设备的寿命主要决定于电解电容，电解电容的寿命与其运行温度和纹波电流区接相关。保证运行环境温度、提高功率模块的散热效果、降低功率模块温升对提高系统寿命起到关键的作用；外电容器纹波电流减小其寿命增加，因此系统的运行负载工况对于变频器的寿命紧密相关。对于一般的可变负载，在运行环境满足设计条件， 电解电容器的寿命在8年以上，更换电容器的费用约占系统投资的510。国内已有厂家推出无极性电容器替代电解电容器，据称寿命可达20年，但相同体积的无极性电容器的容量要比电解电容小得多，对系统输入、输出谐波、功率因数等指标有影响，目前采用无极性电容器滤波的高压变频器用量很少，其工艺成熟度以及产品的运行可靠性影响尚待观察，值得关注。 2 应用经验总结 韶关电厂200 Mw 机组两台引风机的高压变频凋速改造于2005年3月完成，现把在改造、运行过程中取得的经验总结如下。 21 散热和防尘问题 电厂在工程实施中结合现场实际，率先提出了“室内密闭式水冷加空调互助冷却”的冷却方式，即在变频器排风口安装水冷却器，采用工业水冷却变频器排出的热风，保证室温在40以下；由于变频器安装室采用这种散热方式设计为密封空间，降低灰尘的进入，减小设备运行维护工作量，为设备的安全、稳定运行提供了保证。 22 高温潮湿气候问题 考虑到本地区高温潮湿的气候特点，为防止春季凝露破坏电气绝缘，对变频器的旁路柜进行了改造，在进、出线开关和柜体之间加装绝缘板，同时对开关带电体进行全工况改造，以提高旁路柜的整体绝缘水平，保证系统的安全可靠运行。 23 控制系统的抗干扰问题 为降低一次系统对二次系统的干扰提高控制系统可靠性，高压变频系统的一次地线与控制系统地线分离，屏蔽地接地极与强电设备接地极的距离大于15 m。把高压变频器的一次接地母排与厂房钢结构连接接地，把控制地、屏蔽地通过屏蔽电缆接至控制电源配电柜的接地铜排，保证了控制系统的一点接地，提高了控制系统的抗干扰能力。 24 进线开关保护配置问题 引风机在进行高压变频捌速改造时6kV高断路器保护配置仍采用MP-3000型电动机保护。引风机在变频方式下起动时。多次出现“过流保护”动作。在厂用电切换时出现“相失平衡保护”动作的情况。经分析发现保护配置不正确：该高压变频器在进线隔离开关投入时的变压器励磁涌流与元整流电容器充电电流(本变频器未设计充电电路)之和，超过MP-3000的过流保护整定值，导致保护动作。因此，给电源进线隔离开关加装DT-3000型变压器保护，并存电动机和变压器保护口加装压板。根据变频、工频运行方式分别投入MP-3000电动机保护和DT-3000变压器保护，解决了风机在变频起动时过流保护动作的问题。 25 变频器负载过流的问题 在两台引风机变频器调试试运期间，均发生过“负载过流保护动作” 的现象，根据我们的经验，采用以下方法可以避免变频器过流现象的发生：肩动前，把风门挡板关闭，检查变频器频率给定为0；合上高压开关，待变频器就绪后启动变频器；根据变频器输入、输出电流的波动情况决定速度的增加量。避免电流急剧波动造成变频器跳闸侍工作频率达到10Hz后。再慢慢开启风门挡板根据系统情况调节电机转速。当然，如果变频器本身能根据具体工况来调节加减速时问就可避免上述