電廠給粉機變頻器低壓跳閘問題解決方案
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| (發布日期：2009-4-1 15:21:20) 來源：北京易控微網科技有限公司 |
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第一章 概述
1、電廠目前存在的問題
隨著電力電子技術的發展，變頻器以其調速精確、使用簡單、保護功能齊全等優點逐步代替傳統的調速控制裝置而在電廠給粉機上得到廣泛應用，但由于國內某些工廠的電網電壓不穩定，導致變頻器在使用中產生了新的問題—變頻器低壓保護跳閘。這種跳閘會因為變頻器的保護設置不同而表現為過流保護或低壓保護。但其原因都是因為電網低電壓引起的。低電壓通常都是短時的，主要是因為電網晃電或備自投切換時間過長。引起電網晃電的原因很多，如主電網側的電網波動、負荷不平衡、雷擊、電力切換等原因，負載側的大型設備啟動和應用、線路過載等原因。大多數自備電廠，它所生產的電能和熱能絕大多數是供它內部使用的，電廠給粉機變頻器在遇到廠用電壓瞬時低于變頻器的低電壓保護值(根據變頻器的型號不同該值也不同)時變頻器停機，導致給粉機停機，同時會給FSSS(鍋爐安全監控系統)發出給粉機停止信號，這樣會導致FSSS的MFT動作。因為給粉機變頻器低壓保護跳閘而引起的非計劃停爐，給電廠帶來很大的經濟損失，也是目前電廠面臨的比較大的問題，只有很好的解決該問題才能保證電廠安全、可靠、高效的正常運行。
2、主要應對措施
從根源上杜絕和制止晃電基本上是無法實現的，解決這一問題目前主要的應對措施有：
（1）.FSSS的給粉機全停邏輯延時（2～5S），給粉機變頻器設置快速重啟動，等待電網恢復后給粉機變頻器重啟動，這既違反了電廠管理規程，又不能從根本上消除爐膛在晃電時的安全隱患。延時短，不可避免停爐；延時長，有更嚴重的事故隱患，延時簽字人員還要為事故埋單。
（2）.換給粉機變頻器。如ABpowerflex70s系列最大失電工作時間可以做140ms，但也躲不過備自投切換的1.8S。
（3）.接交流在線UPS。因為UPS容量大、轉換效率低、保護級別高、投資成本高等原因，極少數電廠使用這種方式。
3、直流支撐技術
變頻器是由整流器和逆變器兩部分組成。通過對變頻器的研究，變頻器低電壓指其中間直流回路低電壓(即逆變器輸入電壓過低)。一般的變頻器都具有過壓、失壓和瞬間停電的保護功能。變頻器的逆變器件為GTR時，一旦失壓或停電，控制電路將停止向驅動電路輸出信號，使驅動電路和GTR全部停止工作，電動機將處于自由制動狀態。逆變器件為IGBT時，在失壓或停電后，將允許變頻器繼續工作一個短時間td，若失壓或停電時間to＜td，變頻器將平穩過度運行；若失壓或停電時間to＞td ，變頻器自我保護停止運行。一般td都在15～25ms,只要電源“晃電”較為強烈，to都在幾秒鐘以上，變頻器自我保護停止運行，使電動機停止運行。
結合變頻器的原理和工作方式，采用抗晃電系統，是解決變頻器低壓跳閘的最好辦法。
變頻器的雛形是直流變頻器，交流變頻器只是在直流變頻器的前端加上了整流器。變頻器的控制電源和作功電源都來自于變頻器內部的直流母線。新型變頻器都有直流母線端子。
直流電源技術已經非常成熟，都配備了完善的自檢系統。國內目前有100多家知名的直流電源廠商，很多直流電源廠商就是用變頻器逆變做為交流電源輸出端的。直流電源做為變頻器的備用電源，解決變頻器的低壓跳閘，已在其他安全級別要求不高的行業有成熟的應用。如：江蘇的美國醋纖（南通）公司，在1996年就使用了直流電源做為變頻器的備用電源。
4、使用瓶頸
火電廠要使用這種技術的瓶頸在哪兒？
（1）.安全級別高。火電廠鍋爐控制系統屬于SIL3級，相當于AK5級。
（2）.火電廠使用直流電源的關鍵是既要適時供電，又要緊要關頭斷電，且斷的可靠性要求更高。
（3）.抗晃電系統要和FSSS聯動，要進行FSSS的邏輯運算，廠商要熟悉電廠控制系統，要有電廠的現場經驗，這是直流電源廠家不能做到的。
從系統安全級別入手，從斷的可靠性入手我們專為熱電廠提供的電廠給粉機變頻器抗晃電系統徹底解決您的后顧之憂。
第二章 設計依據
[SHB-206-1999] 石油化工緊急停車及安全聯鎖系統設計導則
[DLGJ116-93]火力發電廠鍋爐爐膛安全監視系統設計技術規定
GB/T 13337.1-1991 固定型防酸隔爆式鉛酸蓄電池訂貨技術條件
DL/T 5044—1995 火力發電廠、變電所直流系統設計技術規定
DL/T 637—1997 閥控式密封鉛酸蓄電池訂貨技術條件
DL/T 459—2000 電力系統直流電源柜訂貨技術條件
DL/T 724—2000 電力系統蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程
DL/T 5120—2000 小型電力工程直流系統設計規程
DL/T 781—2001 電力用高頻開關整流模塊
GB17478-1998 低壓直流電源設備的輸出性能特性和安全要求
JB/T8948-1999 電控設備用低壓直流電源
B4208-1993 外殼保護等級（IP代碼）
GB4026-1992 設備接線端子和規定電線端鑒別標志以及、文字和數字系統一般應用原則
GB50150-91 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗
GB50168-92 電氣裝置安裝工程電氣電纜線路施工及驗收
GB50172-92 電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范
GB50254-92 電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收
GB50171-92 電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路結線施工及驗收規范
第三章 抗晃電系統組成
1、抗晃電系統組成
（1）．直流電源子系統
（2）．爐膛安全聯鎖子系統 (Safety Interlocking System )
（3）．主站監控軟件
2、直流電源子系統的原理
（1）、單臺電機工作原理圖：
系統由電池組、充電器、監測單元和SIS執行單元等組成
M: 電動機
針對電廠的實際情況,我們決定采用多臺電機工作模式
（2）、下圖是多臺電機的工作模式圖
多臺電機工作模式：
M1，M2，M3同時設計于同一控制系統中為低壓電機群的工作模式；
3、直流電源子系統主要設備
蓄電池組
蓄電池采用免維護閥控式全密封鉛酸電池。
充電器
充電器的功率逆變管采用進口快速IGBT，其余元件采用進口工業等級器件，生產工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩定性。輸出電壓和電流均可連續調節。具有強大的保護功能(輸入過流、過壓、欠壓保護；輸出短路，過流，過壓保護；整機過熱保護)。模塊內取消了所有電位器，基準校正和控制全部采用12位D/A轉換，精度高，參數性能穩定，調節方便。
充電模塊采用可帶點插拔技術，輸出采用隔離設計。模塊工作頻率高，近300KHZ，體積小，抗干擾能力強。內置E2ROM，通過人機界面設置的參數自動保存到充電模塊，掉電不丟數據。
SIS執行單元
執行單元由斷路器和接觸器冗余組成，控制關系為斷路器鎖定接觸器，能準確地執行直流電源子系統的投入撤出轉換。
監測單元
用監測單元和人機操作界面組成監控系統，具有充電模塊輸出電壓設定,充電電流限值設定,運行參數顯示,故障報警存儲，SOE事件記錄以及蓄電池狀態監測和直流回路狀態監測，并可通過485總線和主站通訊。
4、爐膛安全聯鎖子系統(SIS)
SIS是抗晃電系統的主控系統，是FSSS的聯鎖控制部分。負責監測各種交直流電源信號、保護動作信號，控制抗晃電系統的備份、投運和退出過程。每一回路都由檢測、控制和執行單元三部分組成。采用工業級三相異步電機保護模塊MDS-1做檢測單元，保證系統的可用度。采用通過美國SIL3認證的AB LOGIX順序控制器做為每臺爐的主控制單元。
采用ABB S2斷路器和直流接觸器做單一直流回路的冗余執行單元保證系統的可靠性。
4.1 MDS工業級三相異步電機保護單元
4.1.1功能特點
三表法測量準確測量三相交流電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數、零序電流等電參量，可以測量變頻器輸出。
具有3路獨立的開關量輸出，可以作為遙控、跳閘或者告警
6路開關量輸入，同時可以作為脈沖量輸入
2路直流采樣,可以接各種變送器
兩路通信接口，支持MODBUS規約
FFT算法，可計算1－8次諧波
三相異步電動機的反時限過負荷（熱過載）保護、不平衡（負序過流）保護、啟動時間過長保護、堵轉保護、接地（零序過流）保護、欠電壓保護、過電壓保護
4.1.2 交流輸入
交流輸入包括A、B、C三相電壓和電流。電流是直接把線穿入小型電流互感器的圓孔。電壓則采用6個各端子。分別為UA,UA1；UB,UB1；UC,UC1；其中UA,UA1為A相輸入；UB,UB1為B相輸入；UC,UC1為C相輸入。每相間相互獨立。
這樣設計的目的是為了用戶可以選擇不同的安裝方式和測量方法。如果用戶選擇角型接法則 UA---UC1 接A相 UB---UA1 接 B相 UC---UB1 接C相。如果用戶選擇星型接法則UA1---UB1—UC1接N線。每路可以進行單獨測量，用戶還可以根據需要選擇。
輸入的交流電壓信號通過小型的PT（電壓互感器），變換為交流0.5V的信號，經過濾波處理，濾除干擾信號，然后進行電平平移，使得原來的交流信號，疊加1/2的VREF，直接送到A/D轉換，進行采樣。
輸入的電流信號，通過導線穿入小CT（電流互感器），CT的輸出接一個精密電阻，變換成電壓信號，經過濾波處理，濾除干擾信號，然后進行電平平移，使得原來的交流信號，疊加1/2的VREF，直接送到A/D轉換，進行采樣。
采樣好的信號存入單片機的RAM中供軟件處理。在軟件中，我們每個周波采樣16個點，根據采樣定理，可以計算出輸入信號的8次諧波。但是在應用中對奇次諧波更為關心。在數字信號處理中，由于電網的頻率是在變化的，如果采樣頻率不是電網頻率的整數倍，就會有所謂的頻譜泄漏問題，詳細內容請參考有關書籍。在該問題上我們采用了我們的提出軟件跟蹤算法，效果非常優異。
對于6路輸入信號，進行FFT變換，得出各次諧波的幅值和相角，并且計算零序電流和負序電流。計算的方法和FFT變換請參考有關數字信號處理的書籍。
計算的結果存入RAM中，供通信程序、保護程序等其他程序使用。
4.1.3欠電壓或過電壓保護
系統電壓太低會引起電動機過電流甚至堵轉，燒毀電機。有時為了保證重要電動機的自啟動，有時也使用欠電壓保護。
系統過電壓一般對電動機沒有太多的影響，但是如果過壓范圍過大，會導致電動機的勵磁電流急劇增加，而且有大量的三次諧波。在一些特殊的場合，會使用過電壓保護。
定值包括3項內容：動作的繼電器、過電壓或欠電壓定值、過電壓或欠電壓的整定時間。整定時間的單位為0.1S，電壓的單位為V，最小分辨率為0.1V。
欠電壓保護原理
過電壓保護原理
本系統的設計為保護動作信號在整定時間到達時，送給SIS的中央控制單元處理，操作執行單元，控制各直流回路的備份、投運和退出。
4.1.4 MDS-104的軟件設置
4.2 AB LOGIX順序控制器
4.3 執行單元－ABB直流斷路器和直流接觸器
根據各回路容量配置不同型號，冗余執行單元保障線路分斷能力。
SOMAX S的基本的用途和特點
ISOMAX S系列塑殼斷路器性能優異，外形結構緊湊、通用性強、使用方法簡便，設計簡單、合理、而且質量可靠。此新型斷路器更配有一個改進的分斷系統，獲多項工業專利。
特別值得注意的是用于制造ISOMAX S系列塑殼斷路器的材料，是按現代環保要求可回用的，ISOMAX S系列塑殼斷路器更以其優異質量及引入注目的設計獲得了歐洲最佳工業設計獎。
采用ISOMAX S系列塑殼斷路器是電力生產和配電系統的理想方案，它能確保所有電力用戶的安全性和可靠性，它特別適用于需保護和配合自動化控制的設備，ISOMAX S系列產品能最大范圍地滿足額定電流和故障電流的要求，并能達到與下級殼斷路器的極限分斷容量選擇保護的要求。
由于本系列產品的通用性和匹配性強，它能配置在任何配電設備中：
一次配電（功力中心）
電動機控制（MCC）
二次配電（配電盤）
用戶（DIN安裝導軌的配電柜）
ISOMAX S系列塑殼斷路器包括七種基本規格的產品（S1-S7），從10A到1600A額定不間斷電流和高達100KA 額定極限短路斷容量，各種規格均具有下列額定分斷容量等級：
B-基本分斷容量
N-正常分斷容量
S-標準分斷容量
H-高分斷容量
L-限流型
5、主站及人機界面監控軟件
第四章 系統工作模式
本系統有三種工作模式：
（1）．正常工作模式：
（2）．電網晃電或備自投切換時的工作模式
（3）、檢修工作模式：
第五章 系統的控制邏輯
邏輯控制說明
1． 變頻器啟動、停止控制邏輯
根據變頻器的原理，變頻器在交流供電或直流供電正常情況下在接受到啟動接點指令后，即可投入運行。在變頻器正常運行后有一反映變頻器運行狀態的接點信號閉合。變頻器運行調速指令由DCS 或PLC 送來的4－20mA 模擬信號實現。抗晃電系統只需變頻器或FSSS提供變頻器運行狀態信號，對變頻器控制方式和性能無任何改變。
2．抗晃電系統的邏輯圖
抗晃電系統的邏輯判斷由SIS的中央控制單元完成，并控制直流電源子系統的執行單元來完成抗晃電系統的備份、投運和退出過程。
第六章 系統安全性
IEC安全要求等級分為4級，安全性能由低到高為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。
美國對SIL4只承認其存在，標準中不包括在SIL4要求下如何實施安全系統的內容。
德國DIN V 19250及DIN V VDE0804對安全要求等級(Safety Requirement Classes)分為8級，安全要求從低到高為AK1～AK8，對應各標準的安全等級對比如表所示。
大多數使用安全系統的工業應用場合屬于AK4～AK6級，其中一般鍋爐、加熱爐為AK4級，石化、化工為AK5級。
由圖1可知，安全系統應分如下幾類：
滿足安全要求等級AK1～AK4的Z-1、
滿足安全要求等級AK1～AK5的Z-2、
滿足安全要求等級AK1～AK6的Z-3、
安全要求等級AK7～AK8的需要特殊考慮的共5類。
如監視設備的功能由一般控制系統(如DCS)實現，則安全控制系統分為4類。
Z-1類的安全系統可用性“一般”，一個中央CPU模塊通過單總線與I/O模塊相連，它與普通PLC不同之處為通過中央CPU的自我測試以及采用可測試I/O模塊、失效時輸出保證安全狀態等滿足系統安全要求。
Z-2類的安全系統可用性“較高”，中央CPU模塊冗余，其他與Z-1相同，這樣允許一個CPU模塊出故障，另一個CPU模塊維持正常工作，這樣可以在AK5級安全要求等級以下的場合，維持72h之內。
Z-3類的安全系統可用性“很高”，結構為全冗余，即CPU模塊、總線、I/O模塊均雙重化，在AK6級安全要求等級的場合，允許單通道操作時間不超過1h，即在此期間內將出故障的模塊更換掉，即可保證生產不中斷。
只有能滿足上述要求的經過安全論證的PLC系統，才能作為安全系統使用。
本系統的安全行保障：
直流電源子系統一次線路有完善的保護元件，二次線路有完善的整流控制器、電池檢測器和分路檢測器。
SIS子系統采用工業級三相異步電機保護模塊MDS-104做檢測單元，保證系統的可用度；采用通過美國SIL3認證的 控制器做為控制單元，采用ABB斷路器和直流接觸器做單一直流回路的冗余執行單元，保證系統的可靠性。
第七章 系統特點
直流電源做為變頻器的后備電源，充分利用了變頻器的結構特點，與交流UPS供電相比，減少了交直流變換環節和蓄電池容量，提高效率，減少電氣保護環節，減少投資，且有很多其他行業的應用案例。
取消了原方案中的靜態開關導通模塊（易損器件），簡化控制電路和一次線路，使導通成為真正的零切換，又杜絕了因為導通模塊故障引起的給粉不平衡，避免了因為導通模塊閥值電壓過高引起的計時不準，增加了系統的可用度。
通過軟件設置母線欠壓保護閥值和計時(0.1S)，使系統工作時間精確可控。
通過SIS子系統中央控制單元的軟件，區分電網晃電和變頻器故障，杜絕電網晃電引起的停爐，又在變頻器故障或收到相關保護信號時快速撤出直流電源。
控制、監測單元故障以及輸入、輸出端子懸空斷線等，執行單元都會回到安全狀態－－斷開，提高系統的可靠性。
系統的切換條件除欠壓保護外，還可擴充過流保護、超載保護、過壓保護、零序電流保護、負序電流保護、欠載保護、零序電壓保護等，只需軟件設置閥值即可。
兩種計時方式比較：
電廠給粉機變頻器抗晃電系統專為火電廠媒粉爐和循環硫化床（CFB)鍋爐設計，附合電力行業設計標準。
其核心部分為SIS系統，結合技術成熟的直流電源，為電廠提供安全有效的給粉機變頻器抗晃電解決方案。
該系統既解決了電網晃電時給粉機變頻器跳閘引起的不必要停爐，又保障電網晃電和備自投切換時，爐膛給粉平穩。
實施后的效果：
1、取消大多數電廠現在對FSSS的給粉機全停邏輯2～5秒延時（這個延時期，爐膛給粉嚴重不穩）。
2、理論上可以將FSSS的1、2組電源喪失信號延時做到抗晃電系統最大工作時間，因為這個時期給粉機變頻器還是正常工作的。實際使用中根據電廠其他系統的抗晃電能力和備自投切換時間來設置這個延時和抗晃電系統的工作時間，一般為2～3S。
第八章 系統配置
1、 電廠提供的現場條件
爐九臺，1～8號爐每臺爐有2.2KW給煤粉機 8臺，九號爐12臺給粉機
總計：
電動機總數：76臺；
電動機總功率167.2KW；
電廠提供的現有接線條件：
一路380V/60A 3P+N+PE電源.
被保護變頻器母線電源信號。
被保護變頻器二次接線圖。
有關的工程設計條件，包括被保護變頻器盤內布置圖。
2、抗晃電系統的主要配置
（1）、設備組成
1、設備基本參數:
—蓄電池的輸出功率167.2KW。
—直流輸出回路76路，支持76臺變頻器。
2、設備基本組成及柜體安排
直流控制柜 九臺 前后開門
蓄電池柜，
柜體具體安排：
—充電器柜；
—直流控制柜1
直流控制柜2～直流控制柜8同上，
直流控制柜9
各柜之間與HMI采用MODBUS485通訊方式傳遞數據。
2、方案的最終確定實施時，我們會提供：
系統就位的平面布置圖。
設備基礎安裝圖。
電氣條件圖、SIS邏輯圖、柜內接線圖。設備荷重圖各一份，可用電子版發送。
3、系統的環境要求：
使用場所：戶內
環境溫度：-10℃ — +50℃；電池室5℃--30℃
相對濕度：90%未結露
海拔高度：1000米以下
4、系統指標：
（1）、輸入電壓：380 + 10%VAC，3P+N+PE 頻率：50HZ + 1%。
（2）、結構尺寸
1．每組直流電源柜為落地安裝式，防護等級：IP20
2．進出線方式：下進下出線或按現場要求。
3．800×800×2260 （W×D×H）一臺
800×800×2260 （W×D×H）兩臺
800×600×2260 （W×D×H）九臺
上述電氣柜外形尺寸(包括是否前后開門)根據現場要求。
4．整流器柜體頂部加裝2個風扇，下側設有帶濾網的進風口。
5．每個柜均有銘牌，標明其功能。
（3）、功能描述
1．當變頻器交流進線電源故障（失壓或短時停電）時，變頻器在該系統保護下，在設計時間內連續正常運轉。
2．抗晃電系統在線工作，變頻器供電電源由交流三相380V轉至直流530V供電時無間斷。
3．電池組的備用時間根據設計，不少于2分鐘。
4．在電池組放電過程中,若三相電源恢復正常,則變頻器供電自動切換至三相380V交流電源。
5．交流電源晃電超過 ，應自動分斷直流接觸器和直流斷路器，抗晃電系統停止工作。
6．具備系統自診斷及故障顯示功能。
7．為延長蓄電池的使用壽命,充電系統具備“均充”與“浮充”功能，且能自動轉換。均充電壓、浮充電壓HMI可調。在正常操作期間，電池應處于浮充狀態。
8．電池組具備以下功能：
定時均充：即在每隔6個月（HMI可設定）自動均充一次。
欠壓均充：即電池放電至欠壓時，自動進行均充（交流正常時）
9．具備各種工作狀態指示燈。
（4）、主要元器件選用說明
1．電池組：
2．直流斷路器、接觸器、繼電器、熔絲、按鈕、指示燈等
SIS子系統中央控制單元選用AB 順序控制器。
采用5.7″觸摸屏，用以完成系統的運行控制。以報表和數據形式顯示設備的運行狀態、報警記錄等，并可即時修改設備的運行參數。在觸摸屏上存貯每次晃電時間，記錄時間精確到秒。最少存貯最近的100次晃電時間。
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北京易控微網科技公司
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北京.北京 |
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