關(guān)于6kV風(fēng)機(jī)工/變頻運(yùn)行繼電保護(hù)自動(dòng)切換問題的研討

朱中艮 孫巖松

摘要：現(xiàn)代火力發(fā)電廠為了保證高壓輔機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，采用變頻和工頻兩種運(yùn)行方式。但這在高壓電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)方面出現(xiàn)了一個(gè)問題：在工頻、變頻兩種不同運(yùn)行方式下其保護(hù)定值不同，如何使高壓電機(jī)在運(yùn)行過程中切換運(yùn)行方式時(shí)有準(zhǔn)確的保護(hù)定值保護(hù)其可靠運(yùn)行。本文將探討如何利用一臺(tái)可編程高壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器通過風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變來自動(dòng)調(diào)整兩種不同運(yùn)行方式下的繼電保護(hù)定值，以可靠保護(hù)當(dāng)前運(yùn)行方式下的高壓電動(dòng)機(jī)，并如何應(yīng)用于電廠實(shí)際生產(chǎn)中。

關(guān)鍵字：火力發(fā)電廠；高壓電機(jī)；工/變頻運(yùn)行；繼電保護(hù)；自動(dòng)切換

1 引言

建設(shè)節(jié)約型社會(huì)是國(guó)家提出的新的發(fā)展思路，現(xiàn)代電力生產(chǎn)過程中，為了讓能源得到充分利用，火電廠在泵和風(fēng)機(jī)等輔機(jī)中多采用變頻調(diào)速技術(shù)。實(shí)踐證明，采用高壓變頻技術(shù)進(jìn)行輔機(jī)節(jié)能可有效降低火力發(fā)廠廠用電率，特別是調(diào)峰機(jī)組負(fù)荷變化頻繁情況下，低負(fù)荷狀態(tài)下變頻運(yùn)行能將閥門和風(fēng)門擋板的節(jié)流損失降到最低.因此，大多數(shù)電廠高壓輔機(jī)都安裝了變頻器，采用變頻和工頻兩種運(yùn)行方式，正常情況下采用變頻運(yùn)行方式，變頻器故障或高負(fù)荷狀況下采用工頻運(yùn)行方式，但這在高壓電機(jī)的繼電保護(hù)方面出現(xiàn)了一個(gè)問題。在工頻、變頻這兩種狀態(tài)下其保護(hù)定值不一樣，如何使高壓風(fēng)機(jī)在不同的運(yùn)行方式下都有準(zhǔn)確的保護(hù)定值保護(hù)其可靠運(yùn)行，由此引出我們對(duì)6kV風(fēng)機(jī)工/變頻保護(hù)自動(dòng)切換問題的研討。

2 發(fā)現(xiàn)問題

某電廠#1、2機(jī)組調(diào)試過程中，遇到這樣的問題：該廠一、二次風(fēng)機(jī)保護(hù)選用一套美國(guó)通用公司M60電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置，一、二次風(fēng)機(jī)正常采用變頻調(diào)速方式運(yùn)行，變頻器故障時(shí)由變頻切換至工頻方式運(yùn)行。但保護(hù)定值不能隨運(yùn)行方式變化而進(jìn)行切換，從而可能造成保護(hù)的誤動(dòng)與拒動(dòng)或者設(shè)備處于無保護(hù)運(yùn)行，設(shè)備安全運(yùn)行存在重大隱患。如何才能使不同運(yùn)行方式下的風(fēng)機(jī)均能得到有效、可靠地保護(hù)成為我們要解決的問題。

3 選擇解決方案

3.1 方案提出

根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，擬定出三種解決方案，如圖1。

3.2 方案分析

方案一：停車后手動(dòng)切換保護(hù)定值。

該方法雖然不要進(jìn)行任何改動(dòng)，其經(jīng)濟(jì)性好，但要在停車人工修改定值后，才能改變運(yùn)行方式。這樣不僅造成了不必要的停機(jī)，每次都要手動(dòng)輸入定值，存在輸錯(cuò)定值的安全隱患，而且風(fēng)機(jī)每次切換運(yùn)行方式都必須停機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工頻、變頻運(yùn)行方式的自動(dòng)切換。因此該方案可行性不強(qiáng)。

方案二：加裝一套保護(hù)裝置，采用兩臺(tái)保護(hù)裝置分別作為工頻、變頻保護(hù)。

該方法可行性很強(qiáng)，也能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工頻、變頻運(yùn)行方式切換時(shí)保護(hù)自動(dòng)切換，避免停車重輸定值的麻煩；但其成本要求極高，該電廠全廠一、二次風(fēng)機(jī)共8臺(tái)，要多購(gòu)置8套保護(hù)裝置，因此其經(jīng)濟(jì)性比

較差。

方案三：修改裝置保護(hù)定值組的控制邏輯。

該方案在保護(hù)裝置內(nèi)部設(shè)定兩組保護(hù)（保護(hù)一：變頻方式；保護(hù)二：工頻方式），修改控制邏輯，通過外界觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)兩組保護(hù)的自動(dòng)切換。不僅節(jié)約了成本，而且實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工頻、變頻運(yùn)行方式切換時(shí)保護(hù)自動(dòng)切換，既避免了停車重輸定值的麻煩，又為風(fēng)機(jī)兩種運(yùn)行方式的自動(dòng)切換創(chuàng)造了條件。

3.3 方案選定

根據(jù)提出的三種方案及上面的詳細(xì)分析，從可行性、經(jīng)濟(jì)性、所需時(shí)間、實(shí)用性四個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，總結(jié)成下表2：

經(jīng)過可行性、經(jīng)濟(jì)性、所需時(shí)間、實(shí)用性四個(gè)方面比較，最終確定采用方案三。

4 最終方案的分析、實(shí)施

4.1 方案深入分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，認(rèn)真研究了美國(guó)通用M60保護(hù)裝置的說明書和設(shè)計(jì)院圖紙，在熟練掌握保護(hù)裝置的邏輯圖和風(fēng)機(jī)控制回路圖后，展開了認(rèn)真分析，以下均以一次風(fēng)機(jī)為例：

4.1.1 高壓變頻器工頻旁路一次接線方式：

本廠一次風(fēng)機(jī)高壓變頻器柜放在就地的變頻器小室內(nèi)，變頻器選用的是西門子（上海）電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司的高壓變頻器。采用工頻自動(dòng)旁路，變頻器輸入側(cè)、變頻器輸出側(cè)、以及工頻旁路均采用小車真空斷路器，工/變頻切換既可以手動(dòng)切換又可以自動(dòng)切換。變頻運(yùn)行時(shí)，電源進(jìn)線開關(guān)、變頻進(jìn)線開關(guān)、變頻出線開關(guān)合閘，旁路開關(guān)為分閘狀態(tài)；工頻運(yùn)行時(shí)，電源進(jìn)線開關(guān)、旁路開關(guān)合閘，變頻進(jìn)線開關(guān)、變頻出線開關(guān)為分閘狀態(tài)。

4.1.2保護(hù)配置及控制說明

高壓變頻器與低壓變頻器結(jié)構(gòu)有所不同，高壓變頻器輸入端利用移相變壓器，將6kV高電壓變成多個(gè)低電壓，然后再輸入到各功率單元內(nèi)進(jìn)行整流逆變，最后把各相單元串聯(lián)輸出至高壓電機(jī)。鑒于高壓變頻器特殊的結(jié)構(gòu)方式，相比一般工頻運(yùn)行狀態(tài)，變頻器上級(jí)進(jìn)線開關(guān)繼電保護(hù)整定值必須獨(dú)立。首先變頻運(yùn)行狀態(tài)下大容量電機(jī)不能投入差動(dòng)保護(hù)，因?yàn)榻?jīng)過變頻電機(jī)兩側(cè)CT的電流和相位都發(fā)生了較大的變化；其次變頻器啟動(dòng)運(yùn)行前上電應(yīng)考慮移相變壓器的勵(lì)磁涌流問題，第三變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行負(fù)載電流差異較大，其過電流保護(hù)定值也不應(yīng)相同。

一次風(fēng)機(jī)進(jìn)線開關(guān)綜合保護(hù)裝置選擇美國(guó)通用公司M60型保護(hù)裝置，安裝在6kV開關(guān)室母線側(cè)電源開關(guān)側(cè)。變頻器自身裝置內(nèi)設(shè)有以下保護(hù)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、超頻保護(hù)、失速保護(hù)、變頻器過載保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)、半導(dǎo)體器件的過熱保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)等，并能聯(lián)跳輸入側(cè)6kV開關(guān)。因此，工頻運(yùn)行時(shí)，M60裝置作為電纜線路及電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)；變頻運(yùn)行時(shí)，M60裝置作為電纜線路和移相變壓器主保護(hù)以及變頻器的后備保護(hù)。

綜上該電廠一次風(fēng)機(jī)饋線開關(guān)定值單如下：

4.1.3 M60綜合保護(hù)裝置簡(jiǎn)要說明

M60是一種微機(jī)式電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于中型和大型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與管理。它除了具有先進(jìn)完善的保護(hù)功能（其功能框圖見圖4）外，還具有先進(jìn)的自動(dòng)化功能，包括強(qiáng)大的FlexLogicTM可編程邏輯、通訊以及SCADA能力。還具有多定值設(shè)置組，6個(gè)獨(dú)立的定值設(shè)置組可以存儲(chǔ)在M60非易丟失的存儲(chǔ)器中，并提供了一種易于使用而且是完全可編程的機(jī)制，這種機(jī)制可以快速的切換啟用的整定值。多定值設(shè)置組適用于所有保護(hù)元件。

4.2 最佳方案實(shí)施

經(jīng)過以上深入分析，對(duì)方案實(shí)施做出如下安排，見圖4：

4.2.1修改控制回路

通過以上分析，并結(jié)合M60保護(hù)裝置的接線圖（見圖6）、設(shè)計(jì)院圖紙，在變頻器小室工頻旁路開關(guān)選取一副輔助常開觸點(diǎn)，利用控制電纜兩根備用芯送至6KV開關(guān)室保護(hù)裝置，接到6kV開關(guān)柜內(nèi)（X5：68，X5：73），即M60保護(hù)裝置的ANALOG I/O的H7a、H7b，對(duì)應(yīng)于裝置內(nèi)節(jié)點(diǎn)輸入1（contact input 1）。當(dāng)變頻器小室內(nèi)工頻旁路開關(guān)合上后，即工頻運(yùn)行時(shí)，M60保護(hù)裝置內(nèi)節(jié)點(diǎn)輸入1（contact input 1）即為ON；反之， contact input 1即為OFF。

4.2.2 輸入定值并修改邏輯

利用M60強(qiáng)大的完全可編程的多定值設(shè)置組，在定值組1內(nèi)輸入變頻運(yùn)行下的定值，在定值組2內(nèi)輸入工頻運(yùn)行下的定值。并進(jìn)入SETTINGS→CONTROL ELEMENTS→SETTINGS GROUPS菜單下修改定值組控制邏輯，下為修改后定值組控制菜單圖（圖6）、以及修改的定值組控制邏輯圖（圖7）。修改后，整體邏輯為：變頻運(yùn)行時(shí)，工頻旁路開關(guān)斷開，則保護(hù)裝置內(nèi)contact input 1（H7a）即為OFF，裝置默認(rèn)為定值組1，即投入變頻定值；當(dāng)由變頻切換至工頻時(shí)，工頻旁路開關(guān)合上，保護(hù)裝置內(nèi)contact input 1（H7a）即為ON，根據(jù)修改后的邏輯，定值組自動(dòng)切換至定值組2，即自動(dòng)投入工頻定值。

5 實(shí)施效果

（1）運(yùn)行效果。經(jīng)廠家論證和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到了理想效果，當(dāng)風(fēng)機(jī)改變運(yùn)行方式時(shí)保護(hù)定值組隨之成功切換，運(yùn)行1年多來，電廠全廠8臺(tái)風(fēng)機(jī)，8套保護(hù)裝置全部運(yùn)行良好，定值組切換正確，沒有發(fā)生一次因?yàn)槎ㄖ登袚Q問題造成誤停車。

（2）經(jīng)濟(jì)效果。節(jié)省了加裝保護(hù)裝置昂貴的費(fèi)用，顧橋電廠全廠一、二次風(fēng)機(jī)共8臺(tái)，少購(gòu)置了8套保護(hù)裝置，每臺(tái)10多萬(wàn)元，合計(jì)80多萬(wàn)元。

（3）安全穩(wěn)定效果。避免了停車后重輸定值的麻煩，而且避免每次切換都重輸定值，容易出錯(cuò)，影響風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)了兩種運(yùn)行方式切換時(shí)保護(hù)自動(dòng)切換，這樣就可以實(shí)現(xiàn)變頻器故障時(shí)自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行方式，保證了風(fēng)機(jī)不停車，為機(jī)組安全運(yùn)行提供了便利條件。

（4）社會(huì)效果。據(jù)了解，電機(jī)工頻/變頻運(yùn)行方式切換時(shí)保護(hù)自動(dòng)切換在安徽省電力系統(tǒng)內(nèi)尚屬首次，在2011年度安徽省電氣繼電保護(hù)年會(huì)上得到了與會(huì)專家和同行的肯定。

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作者簡(jiǎn)介

朱中艮，男，工程師，從事發(fā)電廠生產(chǎn)管理工作。

孫巖松，男，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠生產(chǎn)管理工作。