關于6kV風機工/變頻運行繼電保護自動切換問題的研討

朱中艮 孫巖松

摘要：現代火力發電廠為了保證高壓輔機運行的經濟性和可靠性，采用變頻和工頻兩種運行方式。但這在高壓電動機的繼電保護方面出現了一個問題：在工頻、變頻兩種不同運行方式下其保護定值不同，如何使高壓電機在運行過程中切換運行方式時有準確的保護定值保護其可靠運行。本文將探討如何利用一臺可編程高壓電動機綜合保護器通過風機運行方式轉變來自動調整兩種不同運行方式下的繼電保護定值，以可靠保護當前運行方式下的高壓電動機，并如何應用于電廠實際生產中。

關鍵字：火力發電廠；高壓電機；工/變頻運行；繼電保護；自動切換

1 引言

建設節約型社會是國家提出的新的發展思路，現代電力生產過程中，為了讓能源得到充分利用，火電廠在泵和風機等輔機中多采用變頻調速技術。實踐證明，采用高壓變頻技術進行輔機節能可有效降低火力發廠廠用電率，特別是調峰機組負荷變化頻繁情況下，低負荷狀態下變頻運行能將閥門和風門擋板的節流損失降到最低.因此，大多數電廠高壓輔機都安裝了變頻器，采用變頻和工頻兩種運行方式，正常情況下采用變頻運行方式，變頻器故障或高負荷狀況下采用工頻運行方式，但這在高壓電機的繼電保護方面出現了一個問題。在工頻、變頻這兩種狀態下其保護定值不一樣，如何使高壓風機在不同的運行方式下都有準確的保護定值保護其可靠運行，由此引出我們對6kV風機工/變頻保護自動切換問題的研討。

2 發現問題

某電廠#1、2機組調試過程中，遇到這樣的問題：該廠一、二次風機保護選用一套美國通用公司M60電動機綜合保護裝置，一、二次風機正常采用變頻調速方式運行，變頻器故障時由變頻切換至工頻方式運行。但保護定值不能隨運行方式變化而進行切換，從而可能造成保護的誤動與拒動或者設備處于無保護運行，設備安全運行存在重大隱患。如何才能使不同運行方式下的風機均能得到有效、可靠地保護成為我們要解決的問題。

3 選擇解決方案

3.1 方案提出

根據發現的問題，擬定出三種解決方案，如圖1。

3.2 方案分析

方案一：停車后手動切換保護定值。

該方法雖然不要進行任何改動，其經濟性好，但要在停車人工修改定值后，才能改變運行方式。這樣不僅造成了不必要的停機，每次都要手動輸入定值，存在輸錯定值的安全隱患，而且風機每次切換運行方式都必須停機，不能實現風機工頻、變頻運行方式的自動切換。因此該方案可行性不強。

方案二：加裝一套保護裝置，采用兩臺保護裝置分別作為工頻、變頻保護。

該方法可行性很強，也能實現風機工頻、變頻運行方式切換時保護自動切換，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、二次風機共8臺，要多購置8套保護裝置，因此其經濟性比

較差。

方案三：修改裝置保護定值組的控制邏輯。

該方案在保護裝置內部設定兩組保護（保護一：變頻方式；保護二：工頻方式），修改控制邏輯，通過外界觸發，實現兩組保護的自動切換。不僅節約了成本，而且實現風機工頻、變頻運行方式切換時保護自動切換，既避免了停車重輸定值的麻煩，又為風機兩種運行方式的自動切換創造了條件。

3.3 方案選定

根據提出的三種方案及上面的詳細分析，從可行性、經濟性、所需時間、實用性四個方面對方案進行評價，總結成下表2：

經過可行性、經濟性、所需時間、實用性四個方面比較，最終確定采用方案三。

4 最終方案的分析、實施

4.1 方案深入分析

結合現場實際情況，認真研究了美國通用M60保護裝置的說明書和設計院圖紙，在熟練掌握保護裝置的邏輯圖和風機控制回路圖后，展開了認真分析，以下均以一次風機為例：

4.1.1 高壓變頻器工頻旁路一次接線方式：

本廠一次風機高壓變頻器柜放在就地的變頻器小室內，變頻器選用的是西門子（上海）電氣傳動設備有限公司的高壓變頻器。采用工頻自動旁路，變頻器輸入側、變頻器輸出側、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切換又可以自動切換。變頻運行時，電源進線開關、變頻進線開關、變頻出線開關合閘，旁路開關為分閘狀態；工頻運行時，電源進線開關、旁路開關合閘，變頻進線開關、變頻出線開關為分閘狀態。

4.1.2保護配置及控制說明

高壓變頻器與低壓變頻器結構有所不同，高壓變頻器輸入端利用移相變壓器，將6kV高電壓變成多個低電壓，然后再輸入到各功率單元內進行整流逆變，最后把各相單元串聯輸出至高壓電機。鑒于高壓變頻器特殊的結構方式，相比一般工頻運行狀態，變頻器上級進線開關繼電保護整定值必須獨立。首先變頻運行狀態下大容量電機不能投入差動保護，因為經過變頻電機兩側CT的電流和相位都發生了較大的變化；其次變頻器啟動運行前上電應考慮移相變壓器的勵磁涌流問題，第三變頻運行與工頻運行負載電流差異較大，其過電流保護定值也不應相同。

一次風機進線開關綜合保護裝置選擇美國通用公司M60型保護裝置，安裝在6kV開關室母線側電源開關側。變頻器自身裝置內設有以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、短路保護、超頻保護、失速保護、變頻器過載保護、電機過載保護、半導體器件的過熱保護、瞬時停電保護等，并能聯跳輸入側6kV開關。因此，工頻運行時，M60裝置作為電纜線路及電動機的主保護；變頻運行時，M60裝置作為電纜線路和移相變壓器主保護以及變頻器的后備保護。

綜上該電廠一次風機饋線開關定值單如下：

4.1.3 M60綜合保護裝置簡要說明

M60是一種微機式電動機保護系統，該系統用于中型和大型電動機的保護與管理。它除了具有先進完善的保護功能（其功能框圖見圖4）外，還具有先進的自動化功能，包括強大的FlexLogicTM可編程邏輯、通訊以及SCADA能力。還具有多定值設置組，6個獨立的定值設置組可以存儲在M60非易丟失的存儲器中，并提供了一種易于使用而且是完全可編程的機制，這種機制可以快速的切換啟用的整定值。多定值設置組適用于所有保護元件。

4.2 最佳方案實施

經過以上深入分析，對方案實施做出如下安排，見圖4：

4.2.1修改控制回路

通過以上分析，并結合M60保護裝置的接線圖（見圖6）、設計院圖紙，在變頻器小室工頻旁路開關選取一副輔助常開觸點，利用控制電纜兩根備用芯送至6KV開關室保護裝置，接到6kV開關柜內（X5：68，X5：73），即M60保護裝置的ANALOG I/O的H7a、H7b，對應于裝置內節點輸入1（contact input 1）。當變頻器小室內工頻旁路開關合上后，即工頻運行時，M60保護裝置內節點輸入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強大的完全可編程的多定值設置組，在定值組1內輸入變頻運行下的定值，在定值組2內輸入工頻運行下的定值。并進入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：變頻運行時，工頻旁路開關斷開，則保護裝置內contact input 1（H7a）即為OFF，裝置默認為定值組1，即投入變頻定值；當由變頻切換至工頻時，工頻旁路開關合上，保護裝置內contact input 1（H7a）即為ON，根據修改后的邏輯，定值組自動切換至定值組2，即自動投入工頻定值。

5 實施效果

（1）運行效果。經廠家論證和現場試驗達到了理想效果，當風機改變運行方式時保護定值組隨之成功切換，運行1年多來，電廠全廠8臺風機，8套保護裝置全部運行良好，定值組切換正確，沒有發生一次因為定值切換問題造成誤停車。

（2）經濟效果。節省了加裝保護裝置昂貴的費用，顧橋電廠全廠一、二次風機共8臺，少購置了8套保護裝置，每臺10多萬元，合計80多萬元。

（3）安全穩定效果。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，影響風機安全穩定運行；實現了兩種運行方式切換時保護自動切換，這樣就可以實現變頻器故障時自動切換至工頻運行方式，保證了風機不停車，為機組安全運行提供了便利條件。

（4）社會效果。據了解，電機工頻/變頻運行方式切換時保護自動切換在安徽省電力系統內尚屬首次，在2011年度安徽省電氣繼電保護年會上得到了與會專家和同行的肯定。

參考文獻

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作者簡介

朱中艮，男，工程師，從事發電廠生產管理工作。

孫巖松，男，高級工程師，從事發電廠生產管理工作。