高壓電動機(jī)改變頻運(yùn)行后保護(hù)的配置探索

戴超超

（浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江 平湖 314201）

1 高壓電動機(jī)變頻控制一次回路

隨著節(jié)能減排的深入，各發(fā)電企業(yè)相繼將高壓電動機(jī)改為變頻運(yùn)行，圖1為高壓電動機(jī)改變頻運(yùn)行后的一次回路，電源開關(guān)使用原高壓電動機(jī)開關(guān)，保護(hù)使用原開關(guān)柜配置的綜合保護(hù)。在就地變頻室增加旁路柜、隔離變壓器和變頻器柜，6 kV電源開關(guān)旁路柜輸入閘刀跨接于高壓隔離變壓器和高壓變頻裝置之間。進(jìn)出線閘刀和旁路閘刀的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，先斷開電源開關(guān)，后將變頻裝置隔離，恢復(fù)在工頻電源下啟動電動機(jī)運(yùn)行。

電源開關(guān)綜合保護(hù)裝置一般配備了速斷保護(hù)、過流保護(hù)、接地保護(hù)，2 000 kW及以上的電動機(jī)增設(shè)了差動保護(hù)，由于增加了隔離變壓器和變頻控制器等設(shè)備，給電源開關(guān)保護(hù)配置帶來了新的問題，值得進(jìn)一步探討。

圖1 高壓電動機(jī)變頻運(yùn)行一次回路

2 電動機(jī)的差動保護(hù)

2.1 存在問題

GB/T 14285－2006《繼電保護(hù)及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》對電動機(jī)保護(hù)的要求：2 000 kW以下的電動機(jī)，裝設(shè)電流速斷保護(hù)，保護(hù)宜采用兩相式。2 000 kW及以上的電動機(jī)，或雖在2 000 kW以下，但電流速斷保護(hù)靈敏系數(shù)不符合要求時，可裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。縱聯(lián)差動保護(hù)應(yīng)防止在電動機(jī)自啟動過程中誤動作。

目前2 000 kW及以上電動機(jī)加裝變頻器后，由于原配置的差動保護(hù)電流取自電動機(jī)中性點(diǎn)側(cè)和電源開關(guān)側(cè)電流互感器，當(dāng)變頻運(yùn)行時，兩處的電流互感器分別運(yùn)行于工頻和變頻狀態(tài)，將出現(xiàn)以下新問題：

（1）高壓電動機(jī)變頻運(yùn)行后，電流互感器更容易飽和。根據(jù)電磁式互感器的工作原理，在電壓一定的情況下，頻率和磁通成反比關(guān)系。頻率越低，互感器通過的磁通越大。因此，在低頻情況下，傳統(tǒng)的工頻互感器極容易發(fā)生飽和。大量的試驗、電磁暫態(tài)（EMTP）仿真以及來自發(fā)電廠的實際應(yīng)用都印證了這個結(jié)論。

（2）相量差動保護(hù)一般是用離散傅里葉算法（DFT），根據(jù)1個周波的采樣值計算出電流的實部、虛部，再進(jìn)一步計算出所需要的量，如電流有效值、差動電流和制動電流的幅值、相位，然后用這些計算量構(gòu)成保護(hù)動作判據(jù)。當(dāng)頻率偏離工頻時，DEF將產(chǎn)生誤差，其誤差隨頻率偏離工頻的程度而迅速增大。當(dāng)頻率低于40 Hz時，DFT計算誤差將達(dá)到25%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。

2.2 改進(jìn)方案

由于電動機(jī)在5～60 Hz頻率下運(yùn)行時，通過DFT計算出的電流值誤差非常大，無法滿足保護(hù)要求。為此，在電動機(jī)變頻運(yùn)行時一般退出差動保護(hù)。此項工作由檢修人員來完成，如果電動機(jī)變頻運(yùn)行時差動保護(hù)沒有退出，電動機(jī)啟動時保護(hù)可能誤動。

為了減少操作的繁瑣，可在保留綜合保護(hù)的前提下，另外加裝變頻電動機(jī)差動保護(hù)（見圖2），增設(shè)新電流互感器2LH和新差動保護(hù)裝置，原有的電動機(jī)差動保護(hù)可取消，原差動保護(hù)的1LH與3LH新引入差動保護(hù)，可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)引入旁路閘刀輔助接點(diǎn)自動切換構(gòu)成差動保護(hù)的電流通道，實現(xiàn)最大范圍的差動保護(hù)。需要進(jìn)行變頻后差動保護(hù)裝置和電流互感器特性的研究，才能使新差動保護(hù)滿足運(yùn)行要求。

由于變頻器到電動機(jī)距離比較短，而且變頻器配置了比較齊全的保護(hù)，可保護(hù)變頻器至電動機(jī)短電纜和電動機(jī)發(fā)生的各類故障。電源開關(guān)保護(hù)配置主要是考慮保護(hù)電源開關(guān)至變頻器電纜以及隔離變壓器的安全，因此可不裝設(shè)新的差動保護(hù)，在隔離變壓器后安裝2LH，工頻運(yùn)行時采用原差動保護(hù)電流通道1LH與3LH，當(dāng)變頻運(yùn)行時差動保護(hù)電流通道1LH與2LH，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)引入旁路閘刀輔助接點(diǎn)自動切換構(gòu)成差動保護(hù)的電流通道，改進(jìn)的差動保護(hù)接線見圖3。

圖2 新差動保護(hù)接線

圖3 改進(jìn)的差動保護(hù)接線

3 電源開關(guān)速斷保護(hù)的整定

當(dāng)電動機(jī)在變頻運(yùn)行方式時，由于變頻器帶1臺隔離變壓器，速斷保護(hù)應(yīng)根據(jù)變壓器保護(hù)整定，按躲過隔離變壓器二次側(cè)三相短路最大短路電流整定或按躲過變壓器空載合閘涌流整定，取兩者較大值，并按進(jìn)線隔離變壓器一次側(cè)兩相短路有2倍靈敏檢驗。

當(dāng)電動機(jī)在工頻運(yùn)行方式時，最大啟動電流Iop.h的計算如式（1）所示：

式中：Krel為可靠系統(tǒng)，取1.5；Kst為電動機(jī)啟動電流倍數(shù)，在6～8之間；Im.n為電動機(jī)額定電流二次值；IMN為電動機(jī)一次額定電流；nTA為電流互感器變比。

如果按變頻器運(yùn)行實測值整定，速斷保護(hù)定值較大，犧牲了保護(hù)的靈敏度。表1為凝泵啟動錄波試驗數(shù)據(jù)，從錄波的數(shù)據(jù)可判斷隔離變壓器空載合閘涌流第29與30點(diǎn)A相電流為5 508 A，達(dá)到額定電流的23倍，波形嚴(yán)重偏軸，這主要因為電源開關(guān)合閘時，變頻器隔離變壓器空載所致，但隔離變壓器空載合閘涌流持續(xù)時間比較短。為了保護(hù)的靈敏度，在工頻運(yùn)行方式時電動機(jī)整定值不變，動作出口時間加上40 ms就可躲過空載合閘電流，通過現(xiàn)場的試驗已得到驗證。

表1 凝泵啟動參數(shù)值

由于為了躲過空載合閘電流，速斷保護(hù)動作出口時間加上40 ms，犧牲保護(hù)的快速性，為此也可在速斷保護(hù)加入諧波閉鎖邏輯，諧波采集需要1個周波（20 ms）時間，加上經(jīng)過CPU的計算時間，動作時間至少要30 ms。由于諧波閉鎖保護(hù)回路較復(fù)雜，而且速斷保護(hù)動作縮短的時間并不多，綜合考慮后并沒有增加諧波閉鎖保護(hù)回路。

4 結(jié)語

通過以上分析可見，較好解決電動機(jī)差動保護(hù)的方法是在隔離變壓器后增加1組電流互感器，可保證差動保護(hù)動作的正確性，而對速斷保護(hù)可適當(dāng)增加延時，確保速斷保護(hù)不發(fā)生誤動。通過采取這些措施，進(jìn)一步完善了電動機(jī)保護(hù)，而且最大程度上提高了保護(hù)靈敏度和利用率。

[1]高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計算與運(yùn)行技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2006.

[2]GB/T 14285－2006繼電保護(hù)及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社，2006.