小湾电厂技术供水系统变频器改造

【摘要】：小湾电厂机组技术供水系统采用异步电机水泵供水方式，由于技术供水所需水量较大，电机启动电流较大，对厂用电的正常运行存在一定的安全隐患，尤其是在电厂黑启动过程中，技术供水泵电机启动，瞬间电流过大，并且会拉低系统厂用电电压，造成电厂黑启动失败。于是，小湾电厂对技术供水系统改造为变频启动，本文从变频启动与软起启动进行比较，来说明变频启动在机组技术供水系统中的优点和危险隐患。

【关键词】：机组技术供水系统 改造 变频器

中图分类号：TM6文献标识码： A

一、概述：

小湾水电站位于云南省凤庆县与南涧县交界的澜沧江上，系澜沧江中下游河段梯级开发的第二级电站和“龙头水库”。电站装机容量4200MW，装机6台，单机容量700MW。机组技术供水采用异步电机水泵供水方式，两台电机水泵，一台主用，一台备用，电机电源分别取自机组自由电a、b段，正常运行时当一台水泵出现故障或失电时，自动切换为另一台水泵运行。水泵电机额定功率355kW，额定电压380V，额定运行电流650A。为西门子产品。配套设置了ABB软启动器，型号为：PSTB720-600-70，用于水泵启停过程中实现限流启动的功能。

二、采用软启动器限流启动技术供水泵电机存在的问题：

三相异步电动机全压启动时，启动电流很大，可达额定电流的3~7倍，甚至更大，对电网会有冲击，对电机也会有一定的损害。因此电机启动要选择降压限流启动，小湾电厂机组技术供水泵电机启动选择的是利用软启动器来实现电机的降压限流启动。所使用的软启动器是ABB公司生产的型号为PSTB720-600-70，额定电流设置为650A。软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装置。它不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电流，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等。此外，它还具有对电机的保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。但软启动器实现平滑启动的方法就是通过降低启动电压，减小启动转矩，这个过程对系统电压有一定的冲击，从实际运行的情况来看，我厂应用ABB软启动器时，设置限流设置为4，实际运行过程中，机组技术供水泵电机启动电流瞬时最大达2500A，启动电流较大，并且启动对我厂系统电压具有一定冲击。并且技术供水泵电机启动过程中会拉低厂用电系统电压，导致部分反应敏感的电源监视继电器故障报警。

因启动电流过大，并且启动过程拉低不能满足电厂黑启动条件。小湾电厂黑启动的电源来此于柴油发电机，型号：HDC1250，额定电压400V，功率1000kV，额定电流804.2A，经柴油发电机变压器将电压变至10kV后，接入我厂10kV厂用电系统。若使用软启动器，机组技术供水泵电机启动瞬间电流2500A，已远大于柴油发电机额定电流，无法满足黑启动要求。

三、变频启动与软启动的比较：

1、变频器与软启动器性能比较

软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。其主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 变频器把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

变频器相对软启动器有如下优点：

1、软启动器启动电机至额定工况之后，便切换为旁路输出，在电机正常运行期间是无法起到保护电机的功能，变频器则一直存在于电机运行电路之中，能很好保护电机运行。

2、软启动器只是在电机启动过程中降压、限流，启动过程中电流仍然很大，对系统电压也存在一定的影响，变频器可以改变电机启动频率，可以从零压启动，对系统电压没有冲击。

3、软启动器不能调速，但变频器可以。

软启动器必须以降低启动电压来实现平滑启动，这就会造成电机启动转矩减小，而变频器不必降低启动转矩。总的来说，变频器具有所有软启动器的优点，在功能特性上完全可以替代软启动器。

综上所述，选择变频器能满足现阶段小湾电厂机组技术供水泵启动需求。

2、变频器型号的选择：

我厂选用的机组技术供水泵电机为西门子公司的异步电机，具体参数如下：

品牌 西门子

额定电压 380V 功率因数 0.86

频率 50Hz 绕组接法 D

电流 650A 耐热等级 F

功率 355KW 转速 1488min-1

根据上述名牌选择合适的变频器，我厂选用变频器的型号及参数如下：

柜体式传动单元型号 ACS-800-07-440-3

变频器模块型号 ACS-800-04M-440-3 外形规格 R8

额定电压 380V 额定电流 695A

额定功率 355KW 最大输出电流 1017A

额定容量 440KVA

四、加装变频器后机组技术泵后实际运行情况：

机组技术供水在水轮发电机开机条件中属于必要条件，若机组技术供水流量及压力达不到设定值，则机组开机失败，判定供水方式为水泵供水，经2秒钟时间判定，已发送启动机组技术供水令，确定机组技术供水启动后，判断机组技术供水各管路压力、流量是否达到额定值，若120秒后仍然达不到额定值，判定开机失败。基于以上考虑，变频器启动水泵电机应在判定时间内完成。在机组技术供水泵电机启动至额定转速设置为30秒，启动变变频器后，电机转速约30s内从0按固定斜率上升至1488转/分钟，变频器输出电流在约30s内从100A左右开始呈抛物线上升至额定电流650A附近；考虑要满足电厂黑启动要求，要小于柴油发电机额定电流，将变频器限制电流选择为800A；技术供水系统管路压力大于0.3MPa，停泵时容易产生水锤现象，因此在技术供水管路上加装水力止回阀来防止产生水锤，水力止回阀关闭时间约10s，故将变频器斜坡停车设置时间为10s，其具体参数见下表：

参数索引 名称 设定值 备注

10.03 REF DIRECTION FORWORD 固定电机转向为正向

14.01 RELAY RO1 OUTPUT EXT CTRL 处于外部控制时可编程继电器RO1输出

20.01 MINIMUM SPEED 1488 最小转速，将给定最小转速限制为1488

20.02 MAXIMUM SPEED 1488 最大转速，给定最大转速限制为1488

20.03 MAXIMUM CURRENT 800A 最大电流限制，变频器将输出电流限制在800A以内

20.04 TORQ MAX LIM1 300%（默认） 最大正转矩

21.01 START FUNCTIOM AUTO 自动启动

21.03 STOP FUNCTION RAMP 选择斜坡停车

22.01 ACC/DEC SEL ACC/DEC 1 加速和减速时间1

22.02 ACCEL TIME 1 30s 加速时间，在30s变频器将电机转速0提升至1488

22.03 DECEL TIME2 10s 减速时间，斜坡停车时间10s

22.06 ACC/DEC RAMP SHPE 0.00S 加速/减速斜坡形状选择为线性斜坡

30.02 PANEL LOSS FAULT 现地控制方式下，控制盘丢失则变频器跳闸而自由停车

实际调试过程中，机组技术供水总管流量约30秒由0上升至1800m3/h（技术供水流量正常定值），3秒后稳定在2450 m3/h左右；机组机组供水总管压力约30秒由0上升至0.2Mpa（压力正常定值），3秒后稳定在0.34Mpa左右，即30s内流量压力满足机组开机流程，33秒机组技术供水达到稳定供水压力及流量。考虑到单台水泵或电机出现故障，在规定时间内机组技术供水流量及压力未能达到额定值，有充足的时间启动另外一台备用水泵，在机组技术供水控制柜内设定判定一台水泵启动失败的时间为80秒，为启动另外一台水泵留下足够时间。在实际调试技术供水系统时，实际情况与设计情况基本相同，机组技术供水泵启动过程中电流上升曲线很平缓，厂用电系统电压基本不变。电流上升曲线如下图所示。

五、变频器使用过程中存在的危险因素

连接变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载。虽然ACS-800-07变频器本身设置了滤波器，但仍然有部分谐波对厂用电系统造成污染。机组技术供水泵电机自更换变频器后，因谐波引起电动机附加发热，电机运行温度有所升高。

六、结束语：

小湾电厂机组技术供水变频器改造后，实现了电机平滑启动，对系统电压影响较小，满足我厂黑启动要求，虽然产生的谐波对厂用电系统有一定的污染，但综合考虑，利大于弊。

参考文献：

1.刘美俊《通用变频器应用技术》福建科学技术出版社 2004

2.《小湾电厂机组技术供水运行规程》小湾电厂 2013

作者简介：

1、刘志远 （1983-），男， 助理工程师，主要从事水电厂电气二次设备运行维护工作

2、张会军 （1986-），男，助理工程师，主要从事水电厂电气二次设备运行维护工作