變壓器差動保護裝置在高壓電機高低速切換中的應用

概 述

華潤電力銅山有限公司（以下簡稱銅山公司）總裝機容量2×1000MW，每臺機配置3臺循環水泵。不同季節條件下，環境水溫以及蒸發量存在比較明顯的差異性，使得循環水泵的水用量在不同季節有很大的差異。在當前技術條件下，整個循環水泵的運行過程當中，僅能夠通過對啟停循泵的操作，實現對冷卻水量的控制。此種控制模式下，與循環水泵運行相對應的水流量無法結合實際工況進行靈活的調整，設備效率長期維持在較低水平，存在嚴重的電能浪費問題。為在確保循環水泵穩定、可靠運行的基礎之上，實現節能降耗的目的，對當前投入運行的#52循泵電機進行了雙速改造。改造完成后，能夠在循環水泵負載水平較高的情況下切換至高速運行，在循環水泵負載水平較低的情況下切換至低速運行，具有相當明顯的應用優勢。本文對公司#52循泵電機在高低速切換運行中的高低速差動保護改造方案及其效果進行了綜合研究與分析，從而為同類型的技術改造提供參考。

1 電機高低速改造方案及改造后存在問題

在公司#52循泵電機原有線圈的基礎之上，對電機定子繞組的連接方式進行改造。原電機定子繞組接線方法為4Y，更新后形成2Y/△，與之相對應的電機定子繞組接線為12級以及14級。在電機12級運行狀態下，電機性能維持恒定狀態，在電機14級運行狀態下，定子繞組接線模式轉變為角型接法。在這種改造方案下，保持了電機定子繞組較高的分布系數特點，所對應的輸出功率仍然能夠滿足低速運行狀態下循環水泵的功率需求。在該改造措施的實施背景之下，依賴于循環水泵電機外殼所安裝的變級接線板連接方式的改變，達到實現在整個循環水泵高速、低速之間切換運行的目的。

圖1 改造后電動機定子線圈原理

圖2 IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之間的幅值相位關系

電機在高速運行時，定子線圈為星形接線，不影響差動保護。電機在低速運行時，定子線圈繞組三角形接線，開關側電流和電機側電流，幅值和相位均不相同，給差動保護的配置帶來困難。國內尚沒有對應的差動保護裝置可以直接使用，少數有先例的電廠，或者放棄差動保護，或者根據運行工況改變CT二次路線接線。依據《繼電保護和安全自動裝置技術規程》要求，2MW以上電機需配置差動保護，銅山公司循環水泵電機低速運行時額定功率為2600kW，僅靠電動機電流速斷保護，不能保證電機發生故障時，繼電保護裝置靈敏動作，有可能造成電機燒毀造成重大經濟損失。根據運行工況改變CT二次回路接線，將增加工作難度和風險，使CT二次回路處于不安全之中，不宜采用。

本文通過對電機高速星形接線和低速三角形接線時，開關側電流和電機側電流幅值和相位分析研究，提出一種不改變CT二次回路接線的方法，滿足電動機高速和低速運行時的差動保護配置要求，為大功率電動機高低速改造的差動保護配置，提供了指導性方法，具有重要價值。

2 改造后電機側和開關側電流幅值相位分析

改造后循環水泵電機定子線圈高、低速時接線原理如圖1所示，高速時沒有變化，開關側和電機側電流的幅值和相位相同，差動保護配置不變，低速時為三角形接線開關側和電機側電流幅值相位均不同，如不改變原差動保護CT二次回路接線方式，差動保護必然動作。

2.1 電動機低速運行時開關側和電機側電流的幅值和相位比較

為了不改變原差動保護CT二次回路接線方式，現分析循環水泵電機低速運行時IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之間的關系。根據基爾霍夫電流定律，可知：

此時，IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之間的幅值相位關系如圖2，經分析得，低速運行時IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之間的幅值相位關系和變比為1的Yd-1型變壓器原邊與副邊之間的幅值相位關系相同。

2.2 電動機高速運行時開關側和電機側電流的幅值和相位比較

根據基爾霍夫電流定律，電機高速運行時IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之間的關系如下：

經分析得，高速運行時IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之間的幅值相位關系和變比為1的Yy-12型變壓器原邊與副邊之間的幅值相位關系相同。

3 改造后電機差動保護配置

3.1 硬件配置

原循環水泵電動機保護配置如圖3，在不改變CT二次接線的情況下只能實現電機高速運行時差動保護。經上述分析電機高速和低速運行時，其開關側和電機側電流幅值和相位關系，分別與變比為1的Yy-12和Yd-1型變壓器的原邊與副邊之間的幅值相位關系相同，因而考慮采用變壓器差動保護裝置實現改造后的循環水泵電機的差動保護，而無需根據電機的不同運行工況改變CT二次回路接線，減少因此而帶來的風險并保障電動機的安全運行。

圖3 原循環水泵電動機保護配置

表1 改造后循環水泵電機各側電流實際值及差流

改造后，只需將電動機差動保護裝置改為CCS-241A變壓器差動保護裝置，其它硬件配置不變。

3.2 定值配置

設置兩個定值區，0區作為低速運行定值通過控制字將接線方式設為Yd-1型，1區作為高速運行定值通過控制字將接線方式設為Yy-12。當電機切換運行方式時，只需切換到相應的定值區就可實現差動保護。

4 改造后循環電動機試運轉

電機在空載和滿載的情況下均做試運行，電機高速運行時，開關側和電機側的電流相位和幅值完全符合變比為1的Yy-12型變壓器原邊與副邊之間的電流關系，經CSC-241A差動保護裝置計算，差流為零。電機低速運行時，開關側和電機側電流相位及幅值關系完全符合變比為1的Yd-1型變壓器原邊和副邊的電流關系，經CSC-241A差動保護裝置計算，差流為零。并且經多次試驗，無論在何種方式下啟動，啟動時的電流突變不會造成差流的產生。試運轉時，一組電機各側電流及差流數據如表1。

5 結論

銅山華潤電力有限公司循環水泵電動機高低速改造后，差動保護實現了電機在不同運行狀態下的一鍵切換，避免了因更改CT二次回路帶來的風險，保證了電機的安全運行。本文提出的方法為大功率電動機高低速改造后差動保護配置問題指明了道路，具有可復制性。

[1] 方昌勇，陳更.雙速改造在發電廠循泵電機節能中的應用[J].浙江電力，2011（12）

[2] 李繼忠.循環水泵電動機雙速改造在600MW機組中的應用[J].廣東電力，2012（8）