高电压大容量球磨机变频器晃电防治技术与应用

摘要：针对某矿区因晃电引起电压波动，造成变频器等灵敏度较高的设备跳停的问题，根据变频器跳停的具体信息，提出了相应的晃电防治技术，可确保生产系统的正常运行。

关键词：球磨机;变频器;晃电;防治技术

0 引言

南方某金属矿山？准7.9 m×13.6 m双驱溢流型球磨机采用变频双边同步驱动，电动机采用交流无刷励磁同步电机两台，输出功率2×8 500 kW，电动机极数34极，额定电压10 kV，额定电流510 A，转速176.5 r/min，额定频率50 Hz;两台变频器型号为TMdrive-MVG2-11 000 kVA-10 kV-730 A，选用一拖一方式，负载均衡度控制在1%以内。根据球磨机负载特性，变频器每10 min可以有1 min的179%过载能力。

1 引起晃电的主要原因

晃电也叫电压暂降，根据国家标准《电能质量 电压暂降与短时中断》（GB/T 30137—2013）规定：“电压暂将是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9 pu，并在短暂持续10 ms～1 min后恢复正常的现象”，属于电能质量事件之一，严重时将使用电设备停止工作，或引起产品质量下降，而晃电影响的严重性则随用电设备的保护特性而有所差异。晃电一般是由雷击或供电网络、变电和用电设施出现故障或负荷突然出现较大变化引起的，在某些情况下可能会出现供电电压两次或多次连续跌落或中断现象。引起晃电的主要原因包括以下几个方面：

（1）雷击引起的晃电：雷电属于一种自然现象，具有电压高、电流大、破坏性强等特点，高电压强电流雷电进入供电网络时，会造成绝缘最薄弱环节出现闪络或避雷器释放引起电压短时间波动。

（2）电网、供变电设施的短路故障：当电网、供变电设施的某个局部出现短路故障时，导致电流急剧增大，电压骤然降低，故障电路中的保护装置动作，将故障点隔离，电压恢复正常，造成同个母线段的电压瞬间波动，电压短暂降低。

（3）大功率负荷投切：大功率负荷全电压启动时，启动电流为额定电流的5～7倍，需要从电网中汲取大量的有功功率和无功功率，这一大电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降，导致电压瞬间波动。

2 变频器晃电防治技术现状和存在问题

目前常用的低压变频器基本采用交-直-交的电压型变频器，低压变频器普遍采用以下几种措施防治晃电引起的设备跳停。

（1）采用直流支撑技术。根据变频器工作原理，其直流母线电压经三相整流获得，电压大约在510～620 V，如果在变频器直流母线侧外加相同电压的不间断直流电源，当市电出现晃电时则由不间断直流电源供电，实现变频器的低电压跨越能力。

（2）变频器再启动。一般的变频器都具有过压、失压和瞬间停电等保护功能，一旦失压或欠压，控制电路将停止向驱动电路输出信号，电动机将处于自由停车状态。晃电引起停车后电压恢复正常时，是否能够可靠启动变频器，对变频器再启动有一定的条件，首先电压恢复时，只有在直流母线电压达到一定值时启动变频器，变频器才能被可靠启动;还有些国外的变频器具有跳闸闭锁功能，需要先故障复位，再给变频器启动信号才能顺利启动变频器。目前部分企业采用变频器再启动功能，以减少因晃电造成变频器跳停的问题。

（3）采用UPS作为后备电源。当市电出现晃电或故障停电时，由UPS自动切换供电，实现交流电源无缝对接，保证变频器的连续可靠运行。

以上措施针对低电压小容量变频器具有一定的控制效果，但对于高电压大容量的变频器就很难实现有效控制，需要有足够大的容量来维持直流母线侧电压不会突降，以免变频器受到晃电影响。

3 高电压大容量变频器晃电解决措施与应用

本文所述球磨机变频器采用高电压多电平，10 kV输出每相采用10个单元串联结构，线电压输出IGBT器件总耐压达到近20 kV，线电压输出电平数为39电平，额定电流为730 A，0%～110%速度可调，可实现球磨机启动与调速功能。由于该变频器额定电压为10 kV，单台功率达到8 500 kW，采用直流母线电压支撑等技术很难实现电压暂降防治功能，需要根据变频器的具体报警信息，有针对性地提出解决措施。双驱变频器系统如图1所示。

根据该矿山往年晃电造成变频器跳停的统计信息，2018年共出现12起晃电事故，其中有2起因上一级110 kV侧同个母线段其他回路出现短路故障引起，其他10起全部由雷电引起。变频器的跳停报警信息主要包括：励磁丧失、控制电源丢失、主电源丢失、外部安全开关联锁跳停等。

关于励磁丧失造成设备跳停：主电动机采用无刷同步电动机，励磁机转子和整流桥安装在电动机主轴的非驱动端，励磁机定子通过励磁柜提供三相交流电源，励磁机转子通过电磁感应原理获得感应交流电后经整流桥整流，形成可调的直流励磁电流。通过排查，主要是由于励磁变压器低压侧断路器受到电压波动后，出现失压或欠压跳闸引发“励磁丧失”，造成变频器跳闸，而造成断路器跳闸是失压或欠压装置保护动作引起，因此，可针对晃电时电压波动的时限和幅值变化，对断路器参数进行调整。另一种原因是励磁电源进线柜控制回路的变压器选用380/220 V，由于励磁变压器输出侧额定电压为440 V，造成控制回路二次侧电压達到255 V，容易引起二次侧熔断器烧断，同样因“励磁丧失”而引起变频器跳闸问题，对此可将二次回路控制变压器型号更换成440/220 V。

关于控制电源丢失：由于变频器控制回路出现低电压引起的变频器跳停。经查询该变频器相关资料，利用该变频器内金属薄膜电容储能功能，可满足控制回路电源丢失2 s不停机要求，同时增加UPS不间断电源，利用该时间实现控制回路市电与不间断电源双路互投，实现控制回路电源丢失不停机功能。

关于主电源丢失：造成主电源丢失的报警信息主要是由变频器主回路前一级10 kV侧真空断路器跳闸引起，查询微机综合保护装置出现过负荷告警信息可知，这是由于出现晃电电压下降后负载电流增加引起过负荷跳停，对此可在保护装置整定值计算时综合考虑晃电时电压及电流的变化，重新整定。

关于外部安全开关联锁跳停：根据生产系统联锁跳停的需求，当关联设备出现异常时，会引起变频器保护跳停，保证球磨机不会出现安全事故。经查询变频器联锁跳停控制回路，主要包括球磨机上一级的皮带输送机、下一级的振动筛和皮带输送机及球磨机本身自有的润滑系统和冷却系统等，当某一台设备出现电压波动造成设备异常时，变频器就会出现外部安全开关联锁跳停故障现象。通过对关联设备的跳停回路进行分析，结合晃电引起低电压波动的幅值和时间，采用延时联锁跳停的方式，可以躲过电压波动对球磨机附属设备的影响，提高关联设备低电压保护功能。

4 结语

本文通过分析某矿区高电压大容量球磨机变频器跳停的具体信息和规律，提出了有针对性的解决措施，获得了较明显的控制效果。该矿区经采用以上调整措施后，2019年度仅出现了3起跳停事件，基本解决了因晃电引起电压波动造成设备跳停的问题。

[参考文献]

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[2] 刘炎.防晃电措施在化工生产装置中的应用[J].石化技术，2017（8）：266.

[3] 崔巍.浅谈防晃电技术在企业电气系统中的应用[J].科技资讯，2015，12（31）：141-142.

收稿日期：2020-02-06

作者简介：袁致忠（1973—），男，福建上杭人，工程师，从事矿山机电设备管理工作。