繼電保護對策在大容量高壓電動機變頻器的探討

遼寧華電鐵嶺發電有限公司 段志杰 于 霽

繼電保護對策在大容量高壓電動機變頻器的探討

遼寧華電鐵嶺發電有限公司 段志杰 于 霽

當前變頻技術被廣泛使用在火力發電廠中，將變頻機使用在電動機中，不僅可以調節流量，更可以起到節能省電的效果。但是，電動機在使用變頻機過程中，由于變頻機改變了電動機的原有電源，使電動機原有的綜合保護方案無法啟動，變頻機自帶的速斷保護也無法保護整個線路。為了解決以上問題，本文主要從改變電動機的整體回路設計和研發自適應工頻變頻保護裝置入手，提出解決對策，為業內提供參考機價值。

繼電保護；變頻器；大容量高壓發動機；速斷保護；差動保護

前言

隨著經濟的進一步發展，我國對各種電力資源的需求隨之增加，為了適應經濟發展，也為了供應社會足夠的電力資源，我國火電工程事業規模逐漸擴大并發展。我國火電工程事業除了規模上的擴大和發展，在各種先進技術和設備的支持下，相關電力電子技術得到一定的更新發展，變頻器的出現讓廠用耗電資源得到節約，對整個社會節約電力資源發揮著重要意義。變頻器使用在電動機中雖然具有節能省電的優點，但也不乏缺點，大容量高壓發動機在使用變頻器中，導致繼電保護設備無法正常啟用，這一問題是當前變頻器存在的主要問題，同時也是本文研究的主要問題。筆者結合自身經驗，下文在簡要介紹變頻器節能省電主基本原理的基礎上，分析大容量高壓電動機在使用變頻器后存在的繼電保護問題，針對問題，探討大容量高壓電動機變頻器的繼電保護對策。

1.變頻器節能省電基本原理

當前電廠在應用變頻技術中主要采用煙風系統和給水系統，這兩種系統的主要原理為，通過提高流量以提高效率，從而達到節能效果。變頻器的基礎節能省點原理即為此。在一般的火力發電廠中，發電過程需要借助鍋爐引風機、送風機、水泵等機械，這些機械所在系統運行頻繁，且運行幅度大，因而需要進行流量調節以提高效率和節能。在傳統的流量調節方法中，主要從調節系統管道中的風門或閥開度入手，但當部分風門未開時，電動機所消耗的功率就有部分轉化為無用功，當所有風門或調節閥全開時，電動機輸出的功率就可以調節流量，從而達到效果最大化。將變頻技術使用在大容量高壓電動機中，變頻技術主要通過調節發電機的外加電源頻率來實現節能省電。變頻技術在使用中，其將工頻電源調整為直流電源，斬波后轉為交流電源交流電源可以調節發動機的流體流量，最終實現了提高效率和節能省電。

2.大容量高壓電動機使用變頻器存在的繼電保護問題

大容量高壓電動機使用變頻器后雖然能提高效率節能省電，但使用中也會存在一些繼電保護問題。如將變頻器投入使用，變頻器將電動機原本的工頻電源調整為直流電源，斬波后轉為交流電源，這些電源的變化導致電動機原本的電流、電壓發生改變，而電動機中原本設置的比率差動保護由于不適應經過變頻器改變后的電動機工頻電源，因此就容易產生繼電保護問題。

當前常用的繼電保護方案為開關柜綜合保護裝置和變頻器自帶的保護方案兩種，前者主要使用在電動機工頻運行時，后者主要使用在電動機調頻運行時。當前大多數變頻器自帶的保護方案運行原理為：變頻器自帶保護利用其變頻器柜內的三相及零序電流互感器采集電動機的電流，當感應出電動機的輸出故障后，變頻器自帶的保護方案就會立即關閉電子電壓器件的導通角，進而阻斷電動機的輸出電流，從而實現保護。但即使變頻器自帶的保護方案能夠保護電動機，但仍然存在以下幾個問題。

（1）變頻器的開關柜綜合保護裝置投退問題

當變頻器變頻運作時，電動機原有的差動保護需要退出，但為了保護整個電動機發電系統，又不可退出整體綜合保護，變頻器自帶的保護方案保護范圍并不包括開關柜乃至整個變頻柜電纜，開關柜和變頻柜電纜的保護就需要依靠整體綜合保護。但當前大多數整體綜合保護裝置容易發生跳閘，難以適應部分功能的投退要求。當前為了解決這一問題，多數選擇裝設獨立差動保護，但裝設獨立差動保護意味著增加了保護硬件，可靠性令人擔憂。

（2）變頻器自帶保護方案對電動機存在缺陷問題

變頻器本身自帶的保護方案在運行中主要起到速斷電流的作用，而當下國家對電力企業發電機應配備的保護要求為縱聯差動、電流速斷等，變頻器自帶保護方案只對電流速斷起作用，沒有起到縱聯差動的作用。此外，變頻器自帶電流速斷作用只對電動機和變頻器電纜產生的故障發生靈敏性，對定子線圈匝間短路等電動機內部故障不產生靈敏性，因而無法阻斷電動機內部發生的故障。

（3）無法保護輸入側隔離變壓器

部分變頻器由于受保護范圍影響，對電動機輸入側隔離變壓器無法啟動保護功能。按業內要求，大容量高壓電動機需要裝設差動保護，但由于變頻器只起到電流速斷的作用，因而無法滿足業內要求。

3.大容量高壓電動機變頻器的繼電保護對策

出現以上幾個繼電保護問題的最終原因在于大容量高壓電動機使用變頻器后導致前后電源不同，差動保護無法實現。為了解決以上問題，以下將從電動機的整體回路設計和研發自適應工頻變頻保護裝置探討繼電保護對策。

3.1 電動機工頻、變頻分設差動保護

大容量高壓電動機在使用變頻器中，可以在工頻和變頻方設置差動保護。如圖1為工頻、變頻方設置差動保護示意圖。

圖1 工頻、變頻方設置差動保護示意圖

在圖1中，除了要在變頻器和電動機連接外設置一個差動保護87b，更要在電動機兩側設置獨立的差動保護87a。當電動機做變頻運行時，可將87a作為主體保護，變頻器和電動機連接電纜的保護可由變頻器自帶速斷保護承擔。當電動機做工頻運行時，可將87b作為主體保護。這一保護方案設計的優點在于，可以保護整體連接線路，但缺點在于，增多了一個保護裝置，此外，線路中的隔離變壓器沒有得到良好的保護。

3.2 電動機加設磁平衡保護

這一保護方案和以上提到的第一個保護方案類似，均需要對電動機工頻、變頻分設差動保護，在此基礎上，將電動機原有的保護原理縱差變為磁平衡方式，利用電流繼電器對電動機輸入輸出電流進行檢測。

3.3 研發工頻變頻自適應保護裝置

以上提及的兩種從電動機整體回路設計上設置保護的保護方案，雖然起到很好的保護效果，但不得不提出的是，由于新增了一個保護裝置，在使用過程中需要結合實際需要進行切換，這就增加了無用功和降低效率。而通過研發新型的工頻變頻自適應保護裝置，不僅不需要進行人工切換，更可以自動判斷電動機當前運行模式，根據電動機的運行模式，主動變換。而研發新型的工頻變頻自適應保護裝置，可以從以下幾個方面入手。

（1）更換綜合保護裝置硬件，采用多任務操作系統。通過采用新型的高數位硬件平臺多任務操作系統，可以實現對多種信息進行同時處理。應用分辨率較高的A/D轉換器，可以實現對各種信息的高速采集和計算，讓綜合保護裝置具備自適應運算能力。

（2）集合保護裝置功能。當前電動機現有的綜合保護由于變頻機的使用導致電動機的綜合保護無法正常發揮作用，而變頻機自帶的保護方案又無法保護整個線路，在此基礎上，可以將當前變頻機現有的速斷保護、電動機現有的差動保護及磁平衡零序電流三種保護裝備的功能進行集合，研發新型的綜合自適應保護裝置，整合三種保護功能。

4.結語

大容量高壓電動機使用變頻器后出現繼電保護問題根源在于變頻器使電動機前后電源不同。導致電動機原有的綜合保護裝置無法啟用。因而在解決由繼電保護問題中，可以從改變電動機的整體回路設計和研發自適應工頻變頻保護裝置入手。文中主要介紹了兩種整體回路設計保護方案和兩種研發工頻變頻自適應保護裝置的方法，通過這些方案和方法，可以使電動機和變頻機的整個回路范圍受到保護，在發揮變頻器自帶保護方案的同時，又可以啟用電動機原有的綜合保護方案，在實現變頻機的節能省電作用下，更可以反饋電動機在運行中出現的突發故障。

[1]唐紅鍵,譚茂強．大容量高壓電動機變頻器繼電保護對策探討[J]．電力建設,2010(5)81-85．

段志杰（1978－），男，遼寧阜新人，工程師，在職研究生，繼電保護，電力系統自動化。

于霽（1977－），男，遼寧昌圖人，電氣工程師，大學學歷，研究方向：電氣工程，電力系統自動化，繼電保護。