高壓變頻電動機保護的研究及應(yīng)用

陳朝暉，李中玉

（1.臺州發(fā)電廠，浙江 臺州 318016；2.浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131）

近年來，發(fā)電企業(yè)通過對6 kV及以上電壓等級大功率電動機進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，取得了很好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。但變頻裝置的應(yīng)用對傳統(tǒng)電動機保護裝置及保護配置帶來很大的影響，目前所配置的微機型電動機差動保護和綜合保護，保護范圍、工作原理以及設(shè)計選用的TA（電流互感器）等，都已經(jīng)不符合高壓變頻電動機系統(tǒng)實際要求，嚴重威脅著電氣一次設(shè)備的安全可靠運行。因此系統(tǒng)地研究變頻電動機的保護、配置和實現(xiàn)方法具有非常重要的現(xiàn)實意義。

通過分析高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及各組成設(shè)備的工作特性，結(jié)合工程實例，提出配置各自獨立、保護范圍相互交叉的新型保護配置方案。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的保護配置及存在問題

1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻器是利用電力半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。目前應(yīng)用在發(fā)電廠中的高壓電機變頻器一般都采用高-高結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由移相變壓器、變頻器、電機三部分設(shè)備組成。為確保變頻器元件故障不影響機組發(fā)電，大多設(shè)置旁路運行模式，加裝變頻器后的高壓變頻系統(tǒng)的電氣接線如圖1所示。

圖1 高壓變頻系統(tǒng)接線原理

1.2 保護的配置

發(fā)電廠大容量電動機保護由傳統(tǒng)的微機型綜合保護和差動保護構(gòu)成，裝設(shè)在高壓開關(guān)柜內(nèi)。綜合保護提供速斷保護、負序保護、零序保護、長啟動保護、堵轉(zhuǎn)保護、低電壓保護和過負荷保護，根據(jù)電動機及系統(tǒng)運行特點靈活配置反應(yīng)各種故障及異常的保護。

傳統(tǒng)的微機差動保護和綜合保護裝置都是基于工頻運行的電動機設(shè)計，在加裝了變頻設(shè)備后，對應(yīng)的電動機保護已不能同時滿足電動機工頻、變頻兩種運行工況要求。且原裝設(shè)的TA能否滿足低頻運行時電流正確傳輸，也需分析計算。

1.3 變頻工況下存在的問題

（1）高壓電動機在變頻工況下無主保護。電動機差動保護基于電動機機端和中性點電流構(gòu)成的相量，計算差動電流和制動電流。當(dāng)變頻運行時，2組TA分處于變頻器的兩側(cè)，運行頻率不同。不同頻率的電流無法實現(xiàn)電氣量差動保護，會導(dǎo)致差動保護誤動，變頻運行時需退出差動保護。

（2）高壓電動機在變頻工況下無可靠的后備保護。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的等效阻抗發(fā)生很大的變化，由于變頻器的交-直-交環(huán)節(jié)中直流隔離作用，使綜合保護的范圍縮小到變頻器前的交流部分，變頻器輸出電纜及電動機基本處于無保護狀態(tài)，只能依賴變頻器內(nèi)的保護。而高壓變頻器配置的保護是針對變頻器功率元器件，而不是電動機，無法保證在任何情況下都能反應(yīng)電動機的各種故障，況且其定值及其特性在現(xiàn)場無法校核檢驗。

（3）常規(guī)配置的TA存在低頻飽和現(xiàn)象。傳統(tǒng)的電磁式TA是利用電磁感應(yīng)原理通過鐵心耦合實現(xiàn)一、二次電流變換，由于鐵心具有磁飽和特性，不適合在寬頻工況下運行，特別是在低頻工況下非常容易飽和，從而影響保護裝置動作的正確性。

2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電動機保護整體方案分析

2.1 移相變壓器保護配置

在電動機變頻調(diào)速工作整個過程中，移相變壓器始終工作在50 Hz，故移相變壓器可看成常規(guī)變壓器設(shè)備。按《繼電保護及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》要求，根據(jù)變壓器額定電壓和額定容量，配置常規(guī)的基于50 Hz的變壓器微機綜合保護即可。

2.2 變頻單元保護配置

變頻器是一個復(fù)雜的大功率電力電子裝置，其運行可靠性受電磁干擾、元器件質(zhì)量、環(huán)境溫度、空氣潔凈度等影響很大，因此變頻器必須配置完善的保護功能，變頻器保護一般集成在變頻器內(nèi)控制電路中，應(yīng)配置以下幾種保護功能：

（1）過流保護：變頻器內(nèi)部控制回路、驅(qū)動回路受干擾或其他原因誤動作，就會造成逆變器上、下橋臂直通短路事故。短路電流導(dǎo)致逆變器的開關(guān)元件燒毀，需在極短的時間內(nèi)封鎖PWM（脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動信號輸出，停止逆變器工作，同時將電源輸入的高壓開關(guān)跳開。

（2）過載保護：電動機過載會使逆變器輸出電流達1.5倍額定電流以上，造成IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的損壞。過載保護應(yīng)具有反時限特性，并應(yīng)配置合適的過載保護。

（3）過電壓保護：變頻器輸入電壓長時間過高或電動機快速減速時，造成再生功率直流電路電壓降升高。當(dāng)電壓超過IGBT的安全工作電壓時，會損壞IGBT，需立即關(guān)閉逆變器。

（4）欠壓保護：當(dāng)輸入電源發(fā)生低電壓、缺相、斷相，或者變頻器內(nèi)部電容損壞時，IGBT會使其驅(qū)動功率不足而造成元件損壞，需立即關(guān)閉逆變器。

2.3 電動機保護配置及算法

保護配置仍要遵循《繼電保護及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，取消原常規(guī)的電動機差動保護和構(gòu)成差動保護的常規(guī)TA后，在變頻器輸出端增加能適應(yīng)頻率寬范圍調(diào)整的差動保護，同時在變頻器輸出端和電動機中性點處分別裝設(shè)能適應(yīng)頻率寬范圍調(diào)整的TA，實現(xiàn)差動保護和后備保護。保留原綜合保護，作為變頻器退出而旁路運行時的保護，也可作為變頻運行時移相變壓器的保護。又因變頻調(diào)速改善了電動機的工作環(huán)境，避免了一些異常運行方式，可考慮不再配置長延時、堵轉(zhuǎn)、過負荷、低電壓的保護。

變頻系統(tǒng)下電動機保護的主要技術(shù)難點是采樣電流頻率的不確定性和存在大量諧波分量。傳統(tǒng)的繼電保護算法中，三采樣值算法與頻率無關(guān)，但該算法受諧波分量影響大，計算結(jié)果離散值大且無法檢測信號的相位信息，故三采樣值算法不適用于變頻電機保護。目前有一種HHT（希爾伯特-黃變換）理論，可以獲得非平穩(wěn)信號的各個頻率分量的幅值和相位信息，選取其中幅值最大的頻率成分作為信號的主頻率，考慮變頻電動機的實際運行情況，可以認為主頻率成分占據(jù)信號的主要成分，其他頻率分量可以視為諧波分量。取變頻器輸出端和電動機中性點三相電流HHT變換的主成分頻率分量進行相量計算，形成基于HHT變換的差動保護和后備保護。

2.4 對TA的要求

為滿足變頻電動機保護的數(shù)據(jù)采樣正確性，必須解決TA低頻鐵心飽和問題，另外現(xiàn)場的高壓開關(guān)柜、電動機中心點TA箱一般都存在空間小、結(jié)構(gòu)緊湊特點，且變頻系統(tǒng)一般采用每相2 mm×120 mm及以上動力電纜，這就對穿心式TA提出體積小、穿線孔直徑大及絕緣強度高的要求，常規(guī)TA較難滿足要求。電子式TA使用低功率鐵心線圈，其額定功率遠遠小于常規(guī)TA，可作為首選。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)電動機保護應(yīng)用實例

3.1 脫硫增壓風(fēng)機TA及保護原配置情況

臺州發(fā)電廠8號爐脫硫增壓風(fēng)機電動機額定容量為3 300 kW；額定電壓6 kV；變頻器為羅克韋爾公司的PowerFlex 7000裝置，移相變壓器為ZTSFG-4600/6干式變壓器。

脫硫增壓風(fēng)機TA及保護配置如圖2所示。在脫硫增壓風(fēng)機6 kV開關(guān)柜中裝設(shè)有3組TA（1LH，2LH，3LH），電動機的中性點TA箱中裝設(shè)1組TA（4LH），并在開關(guān)柜中裝設(shè)了常規(guī)的CSC系列的差動保護裝置和綜合保護裝置。工頻運行時，差動保護和綜合保護裝置均投入；變頻運行工況下，差動保護退出運行，僅保留綜合保護運行。

3.2 電動機保護改造方案

北京四方繼保股份有限公司和臺州發(fā)電廠聯(lián)合開展了“變頻電動機的保護研究和改造”科技項目，開發(fā)研制了基于就地采樣的CSC236D數(shù)字式變頻電動機保護裝置，JLSGB-6型變頻電動機電子式TA及配套的就地采集單元設(shè)備，并成功地應(yīng)用到臺州發(fā)電廠8號爐脫硫增壓風(fēng)機上。

脫硫增壓風(fēng)機變頻電動機保護改造整體方案如圖3所示。在6 kV開關(guān)柜和電動機的中性點TA箱分別加裝1組JLSGB-6型電子式TA（6LH和7LH），在變頻輸出至電動機的電纜安裝處變頻旁路刀閘柜內(nèi)也加裝1組JLSGB-6型TA（5LH），3組TA通過就地采樣裝置完成采樣后，經(jīng)過光纖傳輸?shù)阶冾l保護裝置。

圖2 脫硫增壓風(fēng)機改造前TA及保護配置

圖3 脫硫增壓風(fēng)機改造后TA及保護配置

加裝1臺CSC-236D數(shù)字式變頻電動機保護裝置。裝置能提供頻率在5～65 Hz寬范圍變動的差動保護，還能根據(jù)旁路柜的變頻器進線閘刀和出線閘刀的狀態(tài)變化自動切換至工頻差動保護。當(dāng)檢測到變頻運行時，由5LH和6LH電流互感器構(gòu)成變頻差動保護；當(dāng)檢測到工頻運行時，由6LH和7LH電流互感器構(gòu)成工頻差動保護。

保留6 kV開關(guān)柜內(nèi)原配置的綜合保護，考慮在工頻和變頻工況下綜合保護的對象不同，應(yīng)設(shè)置2套定值，一套保護定值適用工頻運行時，作為6 kV電源電纜和電動機的后備保護；另一套適用變頻運行時，作為6 kV電源電纜和移相變壓器的保護；CSC-236D裝置提供變頻過流保護、負序保護和采樣值熱過負荷保護，作為變頻器輸出電纜和電動機的后備保護，電流采樣取自5LH。變頻器功率單元由集成在變頻器控制電路的保護來實現(xiàn)。

3.3 現(xiàn)場調(diào)試

利用測試儀向保護裝置施加數(shù)字模擬量，從裝置液晶界面查看模擬量的幅值、相序、通道正確；對裝置所提供的各個保護功能校驗，校驗結(jié)果保護功能良好，精度滿足要求。

在全開脫硫煙氣進、出口擋板和脫硫煙氣旁路擋板，增壓風(fēng)機前導(dǎo)葉開至70%的模式下，監(jiān)測脫硫增壓風(fēng)機工頻、變頻啟動過程中對應(yīng)的差動保護可靠不誤動；電動機帶載后，在工頻、不同頻率工況下檢查保護裝置的動作行為和各側(cè)電流的采樣值，均正確。

4 結(jié)語

電動機的高壓變頻調(diào)速已經(jīng)非常普及，而與之相應(yīng)的繼電保護新技術(shù)研究卻才剛剛開始。本文介紹的保護配置還需完善，新型保護裝置及其TA還有待運行時間的考驗，相信經(jīng)繼電保護科技人員的努力，完善的保護配置方案及先進、可靠、穩(wěn)定的新型保護裝置將會很快推廣應(yīng)用，為高壓變頻調(diào)速電動機的安全運行提供保障。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2006.

[2]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理和應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，1996.