變頻調速系統(tǒng)中電動機繼電保護整定計算研究

李 健 ，覃昭安 ，仲 浩 ，羅玉春

（1.嘉興電力局，浙江嘉興 314033；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210000）

近年來，由于受負荷結構變化的影響，電網的峰谷差越來越大[1-4]。為此很多發(fā)電機組，甚至大容量、高參數的機組都要參與調峰運行。頻繁的調峰任務使得高壓輔助電動機的啟、停次數增加，電動機因受沖擊造成絕緣損壞的情況逐年遞增；另一方面，采用調整擋板、閥門開度的辦法進行輸出量調節(jié)，導致輔機長期運行在低效率工作區(qū)，造成能源浪費嚴重。為了改善電動機的運行環(huán)境，同時為了降低廠用電率，《十一五十大重點節(jié)能工程實施意見》[5]提出推廣變頻調速技術，重點對大中型變工況電機系統(tǒng)進行調速改造。目前，越來越多的電廠在進行高壓電動機采用變頻器調速的技術改造[6]。變頻改造后，傳統(tǒng)電機保護因不能滿足需要而使得電機的安全性受到威脅。有針對性地對變頻系統(tǒng)中電動機的保護問題進行研究和分析，是當前高壓變頻調速技術實用化過程中亟待解決的重要課題。

1 變頻運行工況電動機特點研究

為了使電動機保護整定計算有據可依，下面研究電動機變頻運行對保護產生的影響。

（1）廠用輔機采用變頻裝置后的電氣接線如圖1所示。變頻運行方式下機組啟動時，啟動電流從零開始平滑上升，由工頻啟動的6～8倍額定電流降到不超過額定電流[7，8]，啟動電流顯著減小，同時啟動時間有所延長。毫無疑問，這會對按照躲過啟動時間和啟動電流整定的保護產生影響。

（2）在不考慮各種微小擾動時，工頻運行方式下輸入電動機的電流頻率保持在50 Hz；而變頻運行方式下變頻器輸出電流頻率將根據現場運行情況不斷調整和變化[9]。微機保護裝置的數字信號處理基于傅里葉變換。

在電流中高次諧波成分的干擾下，使用傅氏算法并不能得到準確的電流值[10]。考慮到即便在變頻運行方式下，變頻器輸入側電流依然為工頻量，因此電流速斷保護、過負荷保護等保護可在變頻器輸入側測量電動機保護需要的電流，電動機變頻運行方式下保護配置如圖2所示。

（3）對于差動保護，目前都是針對工作頻率為工頻附近設計的。

在電流信號頻率寬范圍變化的情況下，保護軟件對電流信號進行分析和處理時，無論進行頻率跟蹤還是保持采樣率不變，都無法保證差動保護的動作正確性[6]。為此許多電廠的機組在變頻運行時，差動保護不得不退出運行，造成原本需要配置差動保護的高壓電動機靈敏度不滿足要求。對于上述電動機，需要采用某種適應頻率寬范圍變化的差動保護，以確保機組的安全運行。

2 變頻運行方式下電動機保護整定計算

2.1 啟動超時保護

電動機啟動時間為電動機從啟動到達到額定轉速的時間。電動機在變頻啟動時，電流由零突然增大，隨后電流將逐漸減小，在電動機啟動完成后，啟動超時保護自動退出。

變頻調速前，電動機啟動時間相對較短；變頻調速后，啟動電流緩慢爬升，電動機啟動時間有所延長。考慮留有裕度，電動機的啟動時間應調整為工頻啟動方式下最長啟動時間tqd.max的1.3倍。變頻方式下電動機的啟動時間tzd整定如下：

若在 1.3tqd.max時間內，max（Ia，Ib，Ic）＜1.125Iem（Ia，Ib，Ic分別為電動機 a，b，c 三相電流；Iem為電動機額定電流），啟動超時保護不動作；若在1.3tqd.max時間內，Imax＞1.125Iem，視為啟動失敗，啟動超時保護動作。

2.2 電流速斷保護

廠用高壓輔機變頻改造后，保護出口的沖擊電流主要是高壓變頻器投入后移相變壓器空載合閘時的勵磁沖擊電流，故電機的電流速斷保護可以按照躲過移相變壓器空載合閘時勵磁涌流的方法整定。通常只知道電機的額定電流Iem，考慮到變頻器本身的一定損耗，可以把電機的額定電流Iem乘以系數來作為移相變壓器的額定電流。根據計算，通常取1.05Iem來作為移相變壓器的一次額定電流來進行整定。

從現場DHVECTOL-HI多電平單元串聯電壓源型變頻器投運啟動時所錄電氣量波形可以看出，變頻器高壓充電時，移相變壓器勵磁涌流可以達到其額定電流的5～6倍。

為此，可按6倍移相變壓器額定電流對電動機電流速斷保護進行整定。

另外，傳統(tǒng)的電動機電流速斷保護為了躲開大的啟動電流，整定值往往較大，在運行時靈敏度不太理想。為此，可將電流速斷動作電流在電動機啟動過程和運行過程按不同方式整定：在規(guī)定的啟動時間內取高定值，以躲開大的啟動電流；啟動結束后取低定值，此時只需考慮躲開正常運行時的最大負荷電流，這樣既可以避開電動機啟動開始瞬間的暫態(tài)峰值電流，又提高了電流速斷保護在正常運行狀態(tài)下的靈敏度。

綜上所述，應用高壓變頻器后電機的速斷保護整定如下。

在電動機啟動過程中：

在電動機啟動結束后：

式中：Ifh.max為電動機正常運行時的最大負荷電流。

2.3 低電壓保護

對于發(fā)電廠的重要輔機，要確保當接在母線上的電動機成組自啟動時能夠持續(xù)運行，則低電壓動作定值不應大于70%Uem(Uem為電動機額定電壓)。對電壓源型變頻器而言，它有大容量的高壓電容器作為整流濾波環(huán)節(jié)。

由于該電容具有一定的儲能作用，因此變頻器在電壓降低情況下仍然具備一定的帶載能力，而且裝置內濾波電容越大、負荷運行頻率越低、輸出功率越小，則可維持的時間越長。從現場DHVECTOL-HI多電平單元串聯電壓源型變頻器瞬停試驗時所錄的電氣量波形可以看出變頻器在電壓降低情況下仍然具備一定的帶載能力。因此系統(tǒng)在變頻方式下運行時，保護動作時間的設置應該比工頻運行時長，這樣才能保證在系統(tǒng)外部故障導致瞬時暫態(tài)欠壓時電動機不會造成跳閘停機。

根據以上分析，對于變頻狀態(tài)的電動機的低電壓保護，在動作電流的整定上與工頻運行方式下相同，而在動作時間上應有適當的延時。

對于中間煤倉制粉系統(tǒng)的磨煤機、灰渣泵、灰漿泵、碎煤機等電動機，低電壓保護的動作電壓為：

動作時限為1.5 s。

對于具有自動投入備用機械的給水泵、凝結水泵和循環(huán)水泵的電動機，以及送風機和直吹爐制粉系統(tǒng)磨煤機的電動機，低電壓保護的動作電壓為：

動作時限為10 s。

2.4 采樣值差動保護

根據常規(guī)相量差動保護由于頻率寬范圍變化而無法應用這個原因，采用與頻率無關的采樣值差動保護作為電動機的主保護。采樣值差動保護就是利用電流采樣的瞬時值來實現基于相量的常規(guī)電流差動保護動作判據[11，12]。

同相量差動相比，采樣值差動不需要計算采樣電流的有效值，所以不需要經過傅氏計算，它只是根據各個采樣點瞬時值滿足差動判據的情況來決定動作與否，因此可作為變頻電動機的主保護。為防止短時干擾下采樣值差動保護誤動作，不容許僅憑一個采樣值的判別結果馬上作出跳閘判別，而是采用重復多次判斷的方法，具體說就是連續(xù)R次采樣判決中有S次及以上符合動作條件則判決輸出動作信號，根據文獻[13]的研究，R及S的選取應滿足以下關系：

式中：N為周波采樣點數。

和常規(guī)差動保護一樣，為躲過電動機正常運行時不平衡電流的影響，采樣值差動保護采用非線性的制動特性，動作曲線如圖3所示（以兩折線為例）。

采樣值差動保護動作特性參數可參照常規(guī)相量差動保護進行設置。本文將斜率定值整定為K=0.6。

最小動作電流id0按照0.3倍負載額定電流選取。 差動拐點電流Ig的整定，可取（1.0～1.1）Iem。

3 結束語

目前，高壓變頻器在電廠中應用已逐步推廣。技術人員在積極采用這一先進節(jié)能設備的同時，一定要關注由于變頻器應用而帶來的保護配置和整定計算問題，確保高壓變頻器在電廠中能夠安全可靠的運行，從而發(fā)揮其巨大的節(jié)能和調節(jié)特性。

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