火电厂中防晃电措施分析

王志诚

（大唐陕西发电有限公司渭河热电厂，陕西 咸阳 712085）

0 引言

晃电是指因电力系统遭遇雷击、短路、大电动机集中直接启动、电源故障切换或其他原因所引起的电网瞬间断电或电压波动，致使用电设备运行状态发生异常的现象，不可预见是晃电的基本特性。

电压短时间内大幅度波动、供电短时中断、电压闪变等现象都属于常见的晃电类型。生产现场典型的电压波动表现为幅值骤降，时间一般在0.01～60 s，（电压下降至标称电压的10%～90%）；一般供电中断时间在0.01～3 s 内则为短时断电；电压发生闪变时，电压波形一般呈规律性变化而电压幅值则呈不确定性变化，直观现象则是照明异常。

在火电厂中，主辅机系统低压电动机安全稳定运行是确保火电厂安全高效运行的基础。在发电机组运行期间不允许出现重要负荷因为供电原因导致设备停车事故。在生产现场低压电动机电源系统容易受到多种因素影响，发生晃电致使运行中的重要负荷停电，造成机组快速减负荷、机组非计划停机甚至造成电网故障范围扩大等恶性事故。因此，必须采取有效的防晃电技术来解决设备晃电再启动、辅机变频器防晃电等问题。

1 晃电对火电厂低压电动机供电回路的影响

1.1 晃电对交流接触器的影响

在火电厂中，交流接触器被广泛应用在机组电动机控制中心（Motor Control Center，MCC）段、动力中心（Power Center，PC）段等低压电动机控制回路中。当其供电系统发生晃电时，交流接触器将会偏离其正常工作电压范围，致使接触器线圈对于铁心的吸力由于电流的减少而减弱，这会使控制回路中的接触器释放断开，造成运行中的电动机停车，严重威胁燃料制粉及汽机润滑等主辅机系统设备的安全稳定运行［1］。交流接触器在其额定控制电源电压的85%～110%之间任何值应可靠闭合，当交流接触器线圈电压在降到其额定电压的50%时将会发生抖动；降到30%～40%时接触器释放断开；在电压降低到额定电压的75%及以下时，一般持续几个周期后接触器也会释放断开［2］。

1.2 晃电对辅机变频器的影响

火电厂生产指标日趋苛刻，部分一类辅机比如给煤机、给粉机、空气预热器等［3］重要设备需要满足软启动、精准调速、经济运行等能耗要求，故需采用变频器回路供电。变频器一般采用“交流—直流—交流”的工作链路，主要由控制电源回路和动力回路2部分组成，当供电系统发生晃电现象时，低压变频器将会受到晃电影响触发低电压保护跳闸，从而导致给煤机等一类辅机设备停机，进而造成机组停机或机组输出功率大幅下降［4］。因此，火电厂辅机变频器不具备高、低电压穿越能力的问题已经成为威胁火电厂安全运行的重大隐患。

2 防晃电措施

火电厂生产过程具有设备不间断运行的特点，完成燃料的化学能转化为电能的过程需要大量主辅机设备协同工作。磨煤机油泵、送风机润滑油泵、机组顶轴油泵、给煤机等关键辅机分别接在火电厂MCC段、PC 段上。当发生晃电时，由马达保护器与接触器组合的电动机控制回路会自动停车，采用变频器控制的给煤机等辅机设备也会停车。在这种情况下电动机供电电源第一时间恢复正常后其不会自行启动，必须人为介入启动。火电厂相关生产设备缺乏相应的防晃电措施，导致设备跳闸后无法继续保证连续生产。

在发电机组运行期间，生产现场一类辅机运行中停车后，一方面将会触发相关逻辑保护动作，进而造成机组跳闸或出力大幅降低；另一方面不利于系统故障的快速消除，会使电网故障范围扩大，增加潜在风险隐患。此外，文献［3］对火电厂辅机低电压穿越提出明确技术要求。基于此，火电厂相关设备采取防晃电措施是十分必要的。

2.1 交流接触器防晃电措施

1）方案1 为采用断电延时时间继电器。

如图1 所示，电动机因晃电停机后，当电源电压在时间继电器定值整定时间段内恢复正常时，在时间继电器延时断开触点及其控制回路的作用下电动机将即刻运转，从而实现晃电后电动机的自启动。图1 中SB1、SB2、KT、KM、KA 依次分别为启动、停止按钮，时间继电器，接触器线圈，中间继电器。

图1 电动机自启动原理

2）方案2 为采用防晃电交流接触器。

如图2 所示，防晃电接触器内部含有一个双线圈结构，当系统电源正常时，FS 接触器内置模块将处于储能状态，接触器的启动（SB1）、停止（SB2）和普通接触器操作方法一样，当发生晃电致使FS 接触器线圈上的工作电压降低到其维持电压门槛下限值时，FS 接触器内部储能将通过特定方式立即介入补偿接触器线圈工作电压，从而实现FS 接触器线圈继续励磁吸合。当系统电源恢复正常以后，内置控制模块将再次转入储能状态，达到实现设备防晃电的目的。当按下停止按钮时，接触器内部电容短接（A1、A3 导通）释放储存的能量，确保可靠停机。

图2 FS 防晃电交流接触器工作原理

3）方案3 为采用具备欠压重启动功能的马达保护器装置。

随着电力电子技术的发展，马达保护器装置欠压重启动功能已完善且其具有较强的防晃电能力（工作电源范围80～265 V）。图3 中，马达保护器装置电源（38、39 端子）由外置电源模块提供，可保证系统电源断电后马达保护器正常工作9 s。系统电源正常时，保护器内部继电器接点（21、22）接通，接触器（KM）励磁后保持闭合，电动机正常运转；在晃电现象发生时接触器释放断开且其系统电源在9 s 内恢复，满足马达保护器欠压重启定值时则保护器自动发出合闸指令，此时接触器将励磁吸合处于正常运转状态，第一时间实现电动机的重启，达到了安全防晃电的目的。电动机正常的启停及保护动作均闭锁马达保护器欠压重启动功能。

图3 带欠压重启动功能的保护器接线

上述交流接触器3 种常见防晃电方案都不同程度地实现了防晃电功能，其安全性和优缺点比较见表1。可见，采用具备欠压重启动功能的马达保护器装置作为防晃电措施，具有经济可靠、改造简单、可实现分批再启动、智能化状态自检与故障诊断、长运行寿命等优点。

2.2 辅机变频器防晃电技术

1）方案1 为串联动态电压恢复装置交流补偿。

在变频器的交流输入端与交流进线端串联动态电压恢复装置（Dynamic Voltage Restorer，DVR），如图4 所示。该装置由整流器、逆变器、储能装置等器件组成。通过装置内部元器件组成的控制回路精准控制逆变器等电力电子器件工作，实现了变频器直流母线电压恒定。当电源电压跌落时，DVR 输出三相补偿电压，确保变频器交流输入电压不受其电源电压跌落影响，避免变频器异常运行而跳闸［5］。

表1 交流接触器常见防晃电技术的性能与优缺点比较

图4 变频器交流补偿工作原理

2）方案2 为加低电压穿越装置直流补偿。

由于变频器功率输出取自其直流母线，因而在变频器直流母线侧进行补偿供电是应对其电源电压跌落导致变频器闭锁输出的有效方法。变频器低电压穿越装置直流补偿的典型原理如图5 所示。变频器低电压穿越装置动力电源采用交直流均可（采用直流电源供电，可满足极端情况下实现电源电压降至0 V 辅机变频器的无扰动连续运行）。正常工作情况下，变频器工作电源由交流供电回路提供，低电压穿装置处于旁路热备用状态，变频器正常运行。

当系统电源电压发生晃电时，低电压穿越装置立即响应并捕捉其系统电压波动趋势，当达到低电压穿越装置动作设定值时，装置升压回路立即投入运行，维持到晃电发生前变频器正常输出工况，确保辅机变频器安全稳定运行。

在系统电源电压恢复正常后，低电压穿越装置将处于旁路热备用状态，交流供电回路继续提供变频器工作所需电源，从而实现了无扰动切换，不会对变频器造成冲击。

图5 辅机变频器低电压穿越装置工作原理

3）方案3 为前端串联交流不间断电源（UPS）。

UPS 可在电源瞬间停电或失压后，稳定地向负载提供数十分钟的电能。当市电输入正常时，UPS 将市电整流逆变后供应给负载使用；当市电故障时，UPS 立即将备用直流电源通过逆变器转换成高质量的工频电流输出向负载继续供电，在变频器的前端串联交流不间断电源，可实现设备无扰动切换供电，典型工作原理如图6 所示。

图6 变频器前端串联交流不间断电源工作原理

上述辅机变频器3 种常见防晃电方案都不同程度地实现了防晃电功能，其安全性和优缺点比较见表2。可见，辅机变频器加装低电压穿越装置作为防晃电措施，装置平时处于热备用状态，具有可靠性高、使用寿命长、运维成本低等优点。

某火电厂厂用低压电动机供电回路广泛采用马达保护器与交流接触器相结合的配置方案，不具备防晃电功能。按照马达保护器欠压重启动技术方案择机对2 台机组所属的送风机油泵、顶轴油泵、磨煤机润滑油泵、引风机轴承冷却风机等共计30 台重要负荷进行升级改造，即可实现保护器重启动功能，保证电动机晃电后的再启动，亦可实现电动机分批启动。

表2 变频器常见防晃电技术的性能与优缺点比较

2 台机组各配置5 台给煤机，采用无防晃电功能的某型号变频器进行控制。从生产应用的角度对10台给煤机变频器进行技术改造，使其满足发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范要求。

2018-08-20T16∶49∶00，该火电厂6 kV IIA 段弧光保护告警，2A 循泵过热保护动作、速断保护动作跳闸，高压开关综合保护装置报文显示过热跳闸、速断动作，动作电流Imax=178.866 A（折算成一次电流约10 740 A），保护动作时间约75 ms，电机就地接线盒处存在明显电弧烧损痕迹。经查询当时系统（设备）运行方式，调阅2 号机组故障录波器相关报文，本次故障持续约180 ms，2 号机厂用6 kV IIA 段电压最低降到约35%，电压波动大，造成厂用380 V 多台设备跳闸、联启，但已采取防晃电措施的设备经受住了考验，未造成故障范围扩大避免了机组跳闸或出力大幅降低事故的发生。表3 所示为此次2 号机组

表3 2 号机组厂用IIA 段380 V 设备动作情况统计

4 结语

火电厂低压电动机供电回路采用马达保护器欠压重启动技术是对其电源系统发生晃电后交流接触器断开的补救措施之一。此外，火电厂给煤机等辅机变频器加装低电压穿越装置（直流补偿），可以有效避免由于厂用电源系统发生晃电造成的变频器保护动作闭锁输出，从而避免机组出力大幅降低甚至机组跳闸事故。防晃电技术的广泛应用，夯实了火电厂主辅机系统设备安全稳定运行的基础，减小了设备因晃电而造成的不良影响，可有效提高火电厂及电网运行的安全性、经济性、稳定性。