中壓脫硫引風機差動保護的應用

摘 要：本文簡述了煙氣脫硫引風機的差動保護方案，對各種配置方案進行綜合比較及分析，并結合案例提出了具體的工程解決方案。

關鍵詞：微機差動保護;比率制動差動保護;磁平衡差動保護;變頻差動保護

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.193

0 引言

總的來說，中國的環境污染形勢依然嚴峻，污染防治工作還有很長的路要走。打好污染防治攻堅戰，是十九大明確的重要任務，煙氣脫硫脫硝除塵產業化發展是減少燃煤煙氣SO2、NOx排放的重要基礎。脫硫引風機作為脫硫脫硝裝置重要設備，如果發生故障將可能導致脫硫裝置停運、發電機組減負荷甚至非正常停機、鍋爐熄火等事故。因此研究脫硫引風機的繼電保護，尤其是主保護的影響以及相應的解決措施，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。

1 中壓電動機差動保護介紹

根據設計規程規定，電壓為3kV及以上電動機應裝設：電流速斷保護、過負荷保護、低電壓保護等;功率在2000kW及以上或電流速斷保護靈敏系數不符合要求的2000kW以下電動機，應裝設縱聯差動保護[4]，其目的在于防止電動機本身的事故擴大并保證電網的可靠運行。

目前中壓電動機的工頻差動保護大致分為兩種：一種為縱聯差動保護，也稱作比率制動差動保護，原理是檢測斷路器與電動機中性點側的電流，通過算法（比如傅氏算法）計算兩端電流的相位和幅值，判斷電動機的內部故障，當二者之間產生差流，微機綜合保護裝置啟動保護功能并出口跳電動機饋線斷路器，這種保護方式要求電動機采用Y型接線方式，引出六個接線端子。第二種是磁平衡差動保護，是在電動機接線盒內設置磁平衡TA，通過該TA產生的不平衡電流值來判斷電動機故障。這兩種差動保護方式在脫硫項目上均有應用。

隨著電子技術的發展和節能要求，中壓變頻器在電廠應用越來越多，但變頻裝置對于中壓電動機的保護尤其是縱聯差動保護影響最大，由于傳統的差動保護裝置設計用于工頻運行電機，傳統CT在低頻時容易出現飽和現象，不能在寬頻范圍內測量電流，因此不能應用于變頻（寬頻）電動機。

筆者就脫硫脫硝工程中常見的一些引風機起動方式配套的差動保護方案及可能存在的問題，與大家共同商榷。

2 比率制動差動保護的應用

2.1 引風機直接起動帶工頻差動保護

阜新金山煤矸石熱電有限公司#1-4機組需要新建爐后煙氣脫硫裝置，原引風機電機為6kV 1600kW，引風機饋線柜配置電流互感器為LZZBJ9-10 300/5 0.5/10P10，微機綜合保護裝置為NEP9809A，微機綜合保護裝置帶電流速斷過流、過流、負序過流、熱過負荷等保護，配置情況見圖1。脫硫改造后，引風機電機功率增加到2500kW，為了實現差動保護，在電動機中性點側新增一組電流互感器CT2，同時在饋線斷路器出口處更換了一組電流互感器CT1，兩組電流互感器為同一制造商、同一型號和同一批次產品，以減少制造誤差，互感器之間為縱差保護的保護區，同時將微機綜合保護裝置替換為WDZ-5233（增設縱聯差動保護），利用微機綜合保護裝置計算兩組電流互感器的電流差而動作跳閘，見圖2。

采用直接起動帶工頻差動保護的方案，接線較為簡單，引風機電機在副接線盒內進行星點短接，可以在電機廠內完成。但是對于大功率電機來說，啟動電流很大，這往往會導致母線段電壓下降，因此需校驗起動時的電壓降。

2.2 引風機水電阻軟起帶工頻差動保護

永安電廠脫硫改造項目引風機電機為6kV 3800kW，采用水電阻軟起動系統，電動機的具體接線方法及差動保護方案如圖3所示。

從圖中可以看出，該方案要求在電機廠內制作時，將A、B、C三相繞組首尾端全部以接線端子方式引出，微機差動保護裝置設置在中壓饋線柜中。起動電動機時，首先軟起柜合閘，電動機進入軟起動方式。當軟起動結束后，星點柜合閘對電動機進行星點短接，最后將軟起柜隔離。

該方案缺點在于從配電間至現場電動機的電纜需要兩倍，如配電間與現場電動機距離較遠，則電纜投資增大;另外，該方案要求起動后將星點柜短接，也是缺點之一。其優點在于該方案及差動保護配置簡單明了，電動機起動及運行過程中均有差動保護投入，且差動保護基本上可以保護電動機本體及電纜全長。

該方案在與引風機電機廠家配合時，需要求電機副接線盒中配置絕緣子以方便電纜連接。如果引風機饋線柜需要改造，改造方案與“直接起動帶工頻差動保護”的方案一致，不再贅述。

3 磁平衡縱差保護的應用

上海華誼能源化工有限公司脫硫改造項目引風機電機采用磁平衡縱差保護，具體接線見圖4所示。

電動機同相線圈首尾一次電流回路同時穿過磁平衡差流電流互感器（TA），電動機正常運行時互感器二次側不產生電流，微機綜合保護裝置不動作。當電動機相間短路或定子繞組短路時，互感器二次側產生感應電流，當達到微機綜合保護裝置整定值時，保護出口斷路器跳閘。該解決方案在一定程度上克服了縱聯差動保護在電動機起動和外部短路時，由于兩側TA暫態特性不一致造成的誤動作。

該方案存在的問題是：只適用于2000kW及以上中性點具有分相引線的電動機，需對電動機本體結構進行改造，現場實施存在較大困難。

4 變頻電機差動保護的應用

內蒙古君正能源化工集團股份有限公司2×135MW機組超低排改造工程原引風機功率2100kW，已設置變頻器，保護配置情況見圖5。

存在下列問題：

（1）在變頻器運行時，CT1的電源頻率為工頻，CT3為變頻輸出頻率，因此電流的相位和幅值差別很大。即便在系統正常工作時，也會出現一定的差流，可能導致保護誤動。

（2）當變頻器輸出電流頻率很低時，工頻電流互感器鐵芯容易保護，測量偏差較大。

（3）現有工頻微機差動保護裝置的額定頻率為50Hz，數字信號處理方式基于傅氏原理，傅氏變換基波頻率跟蹤范圍是45～55Hz，遠小于變頻器頻率變換范圍，因此保護裝置對采集來的電流量進行計算會產生較大偏差。

（4）目前進行變頻改造的中壓電機通常取消差動保護（為了避免正常運行時差動保護），采用電流速斷作為主保護，這不符合國家繼電保護規程要求。

由于頻率范圍的變化，傳統的相量差動保護不能滿足變頻電機的應用，君正改造項目采用寬頻電流互感器加變頻差動保護裝置的方案，保護配置方案見圖6：

K1、K2在進線斷路器、相鄰斷路器斷開狀態下操作，在檢修時由手動斷開以形成明顯的斷開點，確保工作人員的安全。在正常運行中，工頻和變頻運行狀況下均處于閉合狀態;K3為旁路開關;增加變頻器（或電動機機端）的一組CT2，對于CT2和CT3兩組CT，滿足在10～70Hz范圍下均能線性變化。當電動機工頻運行時，旁路開關K3閉合，K1、K2斷開，差動保護采用CT1和CT3構成傳統的相量差動保護。當電動機變頻運行時，旁路開關K3斷開，K1、K2閉合，差動保護使用CT2和CT3構成差動保護。變頻情況下，微機綜合保護裝置采用基于采樣值差動保護算法，以適應變頻器從10Hz～70Hz的頻率輸出變化。

變頻電機差動保護裝置仍置于中壓開關柜柜門上;機端新增的CT2裝設在變頻器的旁路柜（或電動機機端）中，并連接到變頻器的輸出端;中性點側的電流互感器采用CT3，用于變頻差動。

5 結束語

國家對涉及到民生的環保治理越來越重視，一方面加快現有燃煤機組超低排放改造的步伐，另一方面，非電行業污染物排放的關注正在增加，因此煙氣脫硫治理裝置特別是引風機的可靠運行非常重要。

本文通過四個項目實例，論述了針對不同起動方案的差動保護配置方法，希望通過本文能對煙氣脫硫裝置引風機的差動保護方案配置提供參考。

參考文獻：

[1]賀家李.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]中國航空工業規劃設計院.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]袁伯誠.變頻電機電流互感器的設計[R].北京：四方電氣集團有限公司，2010.

[4]電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范： GBT50062-2008[S]

作者簡介：張智成（1982-），男，福建龍巖人，本科，工程師，研究方向：環保行業。