高壓電動機變頻運行方式下保護問題的研究

牟明朗 李 佳 羅明鳳

（四川工商職業技術學院，四川 成都 611830）

高壓電動機變頻運行方式下保護問題的研究

牟明朗 李 佳 羅明鳳

（四川工商職業技術學院，四川 成都 611830）

文章通過高壓電動機變頻調速中保護問題分析，指出高壓電動機的綜合保護的必要性，并對比了工頻與變頻運行下的不動情形，提出了合理的綜合保護方案。

高壓電動機；變頻；調速；保護

1 高壓變頻電動機的保護

大功率(一般指超過200Kw)電動機、風機、泵等這類大功率電動機基本上都采用高壓電動機（國內多為6KV，個別為10KV），對這種電動機的調速系統現一般采用的就是直接高壓變頻調速控制系統，就是用額定電壓為6KV的高壓變頻器直接驅動6KV的電動機，實現變頻調速，這樣節能效果顯著，還可以有效的抑制諧波、提高功率因數和總效率，穩定性也較好，因而得到了廣泛的應用。

火電廠頻繁的調峰任務使高壓電機的啟停次數增加，在啟動過程中因受沖擊而造成過熱、絕緣損壞以至燒壞電機的情況逐年增加，嚴重影響電動機的機械壽命；另一方面，采用調整擋板、閥門的開度或空放回流的辦法進行輸出量的調節，導致輔機和驅動電動機長期運行在低效率工作區，造成大量節流損失，能源浪費嚴重。為降低廠用電率，對發電廠機組進行高壓變頻技術改造的更是非常的普遍。

本文以發電廠用的高壓變頻系統為例，談談高壓電動機變頻運行方式下保護問題。

對于高壓變頻電動機的保護措施，分為兩個層面的：一是變頻器自帶的保護功能，二是綜合的保護措施。

2 變頻器一般都帶有常規的保護功能

變頻器生產廠家較多，且每個廠家的型號不同，造成不同的變頻器在保護配置上有一些區別。一般來說，每種變頻器都有以下幾種保護功能：過流保護、欠壓保護、過壓保護和過載保護。

2.1 過流保護

變頻器過流保護的對象主是變頻器自身?？刂齐娐?、驅動回路誤動作或誤配線，都會造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流流過逆變器的開關元件會造成元件燒毀，因此必須在極短時間內封鎖PWM驅動信號輸出，使逆變器停止工作，同時還應使輸入側電源開關跳閘。短路電流的整定值一般設置為逆變器輸出額定電流的2到3倍。超過逆變器額定電流2倍以上的電流，應立即采取保護措施。當逆變器發生內部短路時，電流變化非?？?，必須快速檢測出過流信號。一般采用霍爾元件快速檢測電流，其檢測點可設置在中間直流母線、逆變器輸出電路、或IGBT元件上。

2.2 過載保護

變頻器的過載保護是指由于電動機過載，逆變器的電流達到逆變器額定輸出電流150%以上時，采取相應措施對IGBT施加的保護。一般情況下，過載保護具有反時限特性。過載電流越大，允許繼續運行的時間越短，保護動作的時間也越短。過載保護按反時限特性整定：1到1.1倍額定電流下允許長期工作：1.1倍以上額定電流，動作延時時間按反比例變化。過載信號采用霍爾電流檢測元件檢測，信號數值取自中間直流母線。另外，電動機根據其發熱情況是允許短時間過載的。由于發熱時間常數較長，所以，電動機的所謂短時間過載，一般都在數分鐘以上：而變頻器所允許的過載能力，通常只有1分鐘（過載150%）。因此當電動機過載時，變頻器的過載保護先于電動機過載保護動作，即變頻器可以對過載電動機進行保護，因此改造后不再考慮電動機的過載保護功能。

2.3 過壓保護

過電壓產生的原因主要有：①電網輸入電壓長時間過高；②減速太快，引起泵升電壓過高。當電壓超過IGBT的安全工作電壓時，就可能造成IGBT的損壞，應關閉逆變器。過壓信號采樣點與欠壓采樣點相同。過電壓保護的整定值為逆變器開關元件IGBT值1．7倍左右。

2.4 欠壓保護

欠壓產生的原因主要有：①輸入交流電壓長期低于標準值的90%以下，或發生缺相斷相；②電容不足或電容損壞。從IGBT的特性可知，當電源電壓較低時，會因其驅動功率不足而造成元件損壞。另外，當逆變器直流側大電容兩端出現欠壓時，也應立即關閉逆變器，否則也會導致IGBT永久損壞。欠壓保護整定值為逆變器開關元件IGBT值的90%。電壓源型變頻器采用大容量的高壓電容器作為整流濾波環節。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，而且在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。所以，欠壓檢測應該采用中間直流采樣，即在大電容兩端采樣。這樣既能在真正欠壓缺相時，檢出信號進行保護，又不至于因短時間欠壓并未構成危險時而保護誤動作，提高了變頻器的抗干擾能力和運轉的可靠性。

3 對于高壓電機必須采用綜合保護措施

對于低壓電機而言，使用變頻器自身的保護一般就夠用了，可是對于高壓電機和系統而言，安裝綜合保護是必須的。

3.1 變頻器出現嚴重故障時，工頻旁路可以使機組不停機

高壓變頻系統通常由6KV電源進線開關、移相變壓器、高壓變頻器、6KV輸出接觸器和電動機構成。雖然火電廠重要輔機采用高壓變頻調速系統能節能降耗、實現軟啟動和減少磨損，但對于發電廠而言，設備運行的可靠性是絕對第一位的，高壓變頻器節能降耗所產生的效益與因廠用輔機故障停機而導致發電機組減負荷甚至非正常停機、鍋爐熄火等事故所造成的損失是無法相提并論的。所以作為一種萬全措施，變頻器在發電廠應用中，還要配備工頻旁路，一旦變頻器出現嚴重故障或正常情況下例行檢修維護時，通過旁路斷路器，電動機可以直接掛在電網上運行，不影響機組的正常發電。

（1）高壓電動機工頻旁路的實現

高壓電動機工頻旁路原理是在變頻器輸入側、工頻旁路采用真空斷路器小車，變頻器輸出側采用高壓限流熔斷器+真空接觸器，旁路控制方式為手/自動旁路。如下圖

當電機功率較大(一般100kW以上)，尤其是高壓變頻器切換時，切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網一致，而且兩者的相位也必須相同。如果相位相差較大，會造成對電網和變頻器雙方的沖擊，不僅達不到軟啟動的效果，還會影響電網上其他設備的正常工作并損壞變頻器。同步切換是指在檢測電壓的幅值、頻率和相位后，控制高壓變頻器輸出同頻、同相、幅值可控的電壓，實現變頻器與電網之間相互平穩切換的方式。

發電廠中使用的各種電機容量較大，而且許多風機、水泵在生產過程中是不允許停機的，一旦發生故障會造成嚴重后果，所以在切換時多采用同步切換方式。

（2）高壓電動機在工頻方式下的保護配置方案

另外要注意當切換供電方式時，保護裝置也要及時地切換保護配置和整定值選取。例如，假設變頻供電時保護裝置使用采樣值差動保護，當切換到工頻供電時，保護裝置也需要停止采樣值差動保護的運算，而將此采樣電流值投入到工頻供電時的常規電流差動保護的運算中。工頻運行方式下，電動機的故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。由于電動機的微機保護主要通過測量電量(電流、電壓以及開關狀態等)來監測電動機的運行狀況，因此面對的主要是繞組故障，繞組保護有：電流速斷保護和縱聯差動保護、零序電流保護、低電壓保護、溫度保護、過電流保護、長啟動保護等實現電動機綜合保護。

3.2 變頻方式下電動機保護

（1）變頻方式下電動機保護面臨的問題

變頻運行方式下電動機運行有以下幾個方面區別于工頻：

采用變頻裝置后，電動機實現了軟啟動，啟動電流從零開始平滑上升，啟動電流顯著減小，只有額定電流的1.2～1.5倍（工頻可達5倍左右） ，電動機可以在較小的電流下實現加速、減速，發熱較小。但是，同時啟動時間卻有所延長。這對按照躲過啟動電流整定的保護和按啟動時間整定的保護會帶來一定的影響。

目前主流的高壓變頻器為電壓型，而電壓型高壓變頻器一般都裝設有移相變壓器。在高壓變頻器、 電動機組啟動瞬間，根據實驗實測，移相變壓器將會產生5-7倍勵磁涌流。

變頻器輸出側頻率將根據現場運行情況不斷調整和變化，輸出側電流的頻率可在0.2～400Hz內變化 ，同時變頻器輸出側電流存在一定諧波分量，尤其當電動機在低頻段工作時，諧波分量更高。由于諧波電流的影響，電動機的發熱量較工頻運行方式下有所增加，這對電動機的溫度保護會產生一定的影響。

對于變頻調速系統，由于附加了變頻器裝置，變頻器的輸入電流和輸出電流在頻率和相位上沒有必然的聯系。這是影響電動機繼續使用相量差動保護的最大障礙；電動機相量差動保護的工作原理是基于比較電動機兩端電流的大小與相位的。然而變頻器輸入輸出側的電流在相位上不一致，在工頻運行方式下的差動保護中，即使電動機在正常工作情況下也會有相當數量的差流出現。但是，對于電動機的輸入和輸出電流，它們的頻率和相位是一致的，因此可以考慮對電動機單獨進行差動保護，差動保護所需電流取自電動機的輸入側和輸出側。

綜合以上各方面可知，變頻方式下電動機保護的裝設位置、配置形式等都會不同于工頻運行方式。

（2）變頻方式下電動機應設置如下綜合保護措施

當前，我國變頻電機保護的配置方案通常是：根據高壓電機的容量、用途和負荷特性，選擇差動保護或電流速斷保護作為主保護，以長啟動保護、低電壓保護、過電流保護、接地保護等保護作為后備保護。

因高壓變頻器輸出電流的頻率會根據實際運行需要不斷調整。在電流中含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。因此，電流速斷保護、過負荷保護、過電流保護等保護所需的電流應取自變頻器輸入側。類似于工頻方式下電動機的保護配置，對于三相異步電動機，應裝設電動機綜合保護測控裝置，電動機綜合保護測控裝置裝設在母線出口斷路器QF的開關柜中；對于大型(2MW及以上，或主保護靈敏度校驗不合格)三相異步電動機，還應裝設電動機差動保護裝置。

①長啟動保護：根據前面分析，電動機在變頻運行方式下，啟動時間應適當延長。 實測的電動機啟動時間tqd是指當電動機的最大相電流從零突變到0.1Ie時開始計時，直到啟動電流過峰值后下降到 1.2Ie的時間。取電機啟動的前1.2tqd時間作為觀測時間段，如果 Imax<1.125Ie，則電動機正常啟動，長啟動保護不動作；否則，說明電動機未能正常啟動，長啟動保護動作。

②電流速斷保護：對于高壓來講，電流速斷保護用以作電機的相間短路保護，多數為瞬時動作。采用變頻器供電后，啟動時基本沒有沖擊，最大啟動電流僅略高于電動機的額定電流。出口的沖擊電流主要是高壓變頻器投入時，移相變壓器的空載合閘時的勵磁沖擊電流。高壓變頻器中移相變壓器的低壓側直接帶功率單元，功率單元中含有大容量電容，移相變壓器帶功率單元合閘時，勵磁涌流將比空載投入時小，且移相變壓器采用的特殊結構大大抑制了勵磁涌流。變頻器高壓充電時，移相變壓器勵磁涌流還是可以達到變壓器額定電流的5～6倍，有時更大一點，在4個周波內電流降至額定電流左右。

正因為電流速斷保護整定值往往較大，所以運行時靈敏度不太理想。為此，國內的一些廠家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的方式整定：在規定的啟動時問內取高整定值，以躲開大的啟動電流；啟動結束后取低整定值，此時只需考慮躲開正常運行時最大的負荷電流，這樣既可以避開電動機啟動開始瞬間的暫態峰值電流，又提高了電流速斷保護在正常運行狀態下的靈敏度，金智WDZ-400EX系列微機廠用電綜臺保護制控裝置年和南自凌伊的DGR2342電動機綜合保護測控裝置都是這種原理的產品。

③采樣值差動保護：常規電流差動保護，差動量和制動量反應的是電流的有效值或平均值，再通過數字濾波等辦法消除非周期分量和諧波影響。但在故障時，一個周期內開始采樣值中含較高的非基波分量，則將影響計算的準確性，如果為保證動作的可靠，延長周期時間，則不能保證動作的速度。

采樣值差動保護對每一個時刻的采樣值進行差動判別，在連續R次判別中如有S次滿足判據，則輸出動作信號。在遇到一個甚至幾個壞數據時，只要壞數據的個數小于S，保護均不會誤判。從CT特性看，即使CT飽和比較嚴重，在過零點附近也會有一段線性傳變區，只要合理地選擇S、R值，就可保證外部故障時滿足動作判據的點數不足S點。因此，采樣值差動保護動作的可靠性將高于有效值差動保護。此外，采樣值差動保護最快動作時間為故障后的S個采樣點發跳閘指令，S的取值小于一個周波采樣點數，所以其動作速度一般快于常規相量差動保護。

在實際運用中，S、R的取值除滿足上述基本條件外，還應根據被保護對象的特點進行選取。對于母線和短輸電線保護，其CT飽和問題比較突出，而對于變壓器保護，空投時的勵磁涌流則是應重點考慮的。一般的取法有：N=12時，對于母線保護，可取S=4，R=6；對于短輸電線保護，可取S=6，R=8；對于變壓器保護，可取S=8，R=10。N=20時，對于短輸電線保護，可取S=12，R=14；對于變壓器保護,可取S=13，R=16。

另外，應用了變頻器，不光是產生了諧波電流，而且變頻器的輸入和輸出電流在相位上沒有必然的聯系，所以不能將其納入差動保護的范圍，而是在電機的輸入和輸出兩側。

和相量差動保護一樣，采樣值差動保護的判據一般由折線式制動特性曲線構成，以二段折線為例，動作特性如下圖所示。采樣值的動作判據一般為：式中K為采樣時刻，imin為最小動作電流，K為制動系數，為差動電流（以流入電動機方向為正），izd(k)為制動電流。

imin為保證動作的準確性，通常采用重復多判別方法，即在連續R次采樣中判別中如有S次及以上符合動作判據，則輸出動作信號。

④低壓保護：當供電網絡電壓降低時，異步電動機的轉速都要下降，而當供電母線電壓又恢復時，大量電動機自啟動，吸收較其額定電流大好幾倍的起動電 流，致使電壓恢復時間拖長。為防止電動機自起支時使電網電壓長時間嚴重降低，通常要在次要電動機上裝設低電壓保護，當供電母線電壓降低到一定值時，延時將次要電動機切除，使供電母線有足夠的電壓，以保證重要電動機自啟動。低電壓保護的動作時限分為兩級：一級是為保證重要電動機的自動起動，在其他不重要的電機上設0.5到1秒的低電壓保護，動作于斷路器跳閘；另一級是當電源電壓長時間降低或消失時，為了人身和設備安全等，在不允許自動重起的電動機上，設低電壓保護，經5到10秒，動作于斷路器跳閘。

對于重要輔機，為確保在母線電動機成組自啟動時能夠持續運行，低電壓動作定值一般不大于65%Un ,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節，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，所以對于功率不太大的電機，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外部故障導致瞬時暫態欠壓時電動機不會造成跳閘停機。在動作電流的整定上可以等同于工頻運行方式下；而在動作時間上應有適當的延時。對于有中間煤倉制粉系統的磨煤機和灰渣泵、灰漿泵、碎煤機等的電動機，低電壓保護的動作電壓為：

動作時限為1.5秒。

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

動作時限為lO秒。

⑤過電流保護：當變頻器的輸出側發生短路或電動機堵轉、輸出側電容超過限定值、或變頻器加減速參數設置不合理時，變頻器都將出現過電流，造成損壞。為了防止過電流，應設置過電流保護。變頻器的過電流保護，可以參考電機的過電流繼電保護算法，按躲過保護安裝處的最大負載電流來整定。但變頻器過載能力很差，不能按照電機的啟動時間來整定，應該只按照移相變壓器的過電流時間來整定，是一個反時限曲線：即電流超過越多則產生保護時間越短，電流超過越少，產生保護需要的時間越長。

⑥接地保護：電動機的單相接地是較為常見的故障，但由于高壓變頻器主流的是電壓型，均有移相變壓器，將電動機與系統電網隔離，在變頻器輸出電纜或電動機發生單相接地短路時對廠用電母線系統側基本沒有多大影響，再加之變頻器與電動機間電纜短，電容電流小。使用傳統的零序 CT方法來檢測電動機或電纜單相接地故障變得非常困難，所以在使用變頻器后，電動機一般沒有配置接地保護。

不過電機繞組單相接地后易導致絕緣損壞，對火電廠的重要風機和水泵電動機，極有可能擴大為相間短路時，可能造成嚴重的經濟和社會影響。

故單機容量在300MW及以上機組的高壓廠用系統，為保證單相接地時零序過電流保護同時滿足選擇性和靈敏性的要求，既防止誤動，又防止不動。采用變壓器中性點經小電阻接地方式，可以實現接地保護。

由于零序保護采樣電阻遠大于中性點接地電阻，并聯后阻值接近于接地電阻，正常運行中的共模電流不易造成接地保護的誤動作。其接地電阻遵循各級零序過電流保護，既有選擇性又有足夠的靈敏度，同時單相接地電流在短時間（通常在0～1秒時間）內不致加重一次設備破壞程度的原則。基本不會加重接地短路點的損壞程度。發生單相接地時，接地電壓隨著輸出頻率的變化而變化。如果通過對中性點接地采樣電阻壓降或接地電流進行采樣以判斷是否接地，保護有死區。輸出頻率較低時，特別是在0到變頻器最低頻率圍間，接地保護有可能無法動作。不能實現全工況下從變頻器中性點到電機定子繞組百分之百范圍內的接地故障保護。

為實現接地保護除了以上方法，還可以考慮變頻系統發生單相接地后，輸出電壓、電流等電氣參數也將有相應的變化，通過合理地設計也可以檢測出單相接地的發生。

⑦溫升保護：電動機變頻運行方式下，由于諧波影響，發熱多于工頻方式，電機溫度升高，縮短了使用壽命。因此，只有利用移相變壓器，通常一次側為Y接，二次側為三角接法；通過二次側三角形的延邊差異實現移相，以減少變頻器的輸入諧波，使這種情況可以得到改善。

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TM307

A

1008-1151(2011)08-0143-04

2011-06-03

牟明朗，男，四川工商職業技術學院講師，碩士，研究方向為計算機應用及自動控制；李偉，男，四川工商職業技術學院講師，研究方向為數控技術應用及自動控制；羅明鳳，女，四川工商職業技術學院講師，碩士，研究方向為自動控制及電子信息。