李 健 ，覃昭安 ，仲 浩 ，羅玉春

（1.嘉興電力局，浙江嘉興 314033；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210000）

近年來，由于受負(fù)荷結(jié)構(gòu)變化的影響，電網(wǎng)的峰谷差越來越大[1-4]。為此很多發(fā)電機(jī)組，甚至大容量、高參數(shù)的機(jī)組都要參與調(diào)峰運(yùn)行。頻繁的調(diào)峰任務(wù)使得高壓輔助電動(dòng)機(jī)的啟、停次數(shù)增加，電動(dòng)機(jī)因受沖擊造成絕緣損壞的情況逐年遞增；另一方面，采用調(diào)整擋板、閥門開度的辦法進(jìn)行輸出量調(diào)節(jié)，導(dǎo)致輔機(jī)長期運(yùn)行在低效率工作區(qū)，造成能源浪費(fèi)嚴(yán)重。為了改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)為了降低廠用電率，《十一五十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見》[5]提出推廣變頻調(diào)速技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)大中型變工況電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速改造。目前，越來越多的電廠在進(jìn)行高壓電動(dòng)機(jī)采用變頻器調(diào)速的技術(shù)改造[6]。變頻改造后，傳統(tǒng)電機(jī)保護(hù)因不能滿足需要而使得電機(jī)的安全性受到威脅。有針對(duì)性地對(duì)變頻系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的保護(hù)問題進(jìn)行研究和分析，是當(dāng)前高壓變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)用化過程中亟待解決的重要課題。

1 變頻運(yùn)行工況電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)研究

為了使電動(dòng)機(jī)保護(hù)整定計(jì)算有據(jù)可依，下面研究電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行對(duì)保護(hù)產(chǎn)生的影響。

（1）廠用輔機(jī)采用變頻裝置后的電氣接線如圖1所示。變頻運(yùn)行方式下機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流從零開始平滑上升，由工頻啟動(dòng)的6～8倍額定電流降到不超過額定電流[7，8]，啟動(dòng)電流顯著減小，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間有所延長。毫無疑問，這會(huì)對(duì)按照躲過啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)電流整定的保護(hù)產(chǎn)生影響。

（2）在不考慮各種微小擾動(dòng)時(shí)，工頻運(yùn)行方式下輸入電動(dòng)機(jī)的電流頻率保持在50 Hz；而變頻運(yùn)行方式下變頻器輸出電流頻率將根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況不斷調(diào)整和變化[9]。微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)字信號(hào)處理基于傅里葉變換。

在電流中高次諧波成分的干擾下，使用傅氏算法并不能得到準(zhǔn)確的電流值[10]?？紤]到即便在變頻運(yùn)行方式下，變頻器輸入側(cè)電流依然為工頻量，因此電流速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等保護(hù)可在變頻器輸入側(cè)測量電動(dòng)機(jī)保護(hù)需要的電流，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行方式下保護(hù)配置如圖2所示。

（3）對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，目前都是針對(duì)工作頻率為工頻附近設(shè)計(jì)的。

在電流信號(hào)頻率寬范圍變化的情況下，保護(hù)軟件對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分析和處理時(shí)，無論進(jìn)行頻率跟蹤還是保持采樣率不變，都無法保證差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作正確性[6]。為此許多電廠的機(jī)組在變頻運(yùn)行時(shí)，差動(dòng)保護(hù)不得不退出運(yùn)行，造成原本需要配置差動(dòng)保護(hù)的高壓電動(dòng)機(jī)靈敏度不滿足要求。對(duì)于上述電動(dòng)機(jī)，需要采用某種適應(yīng)頻率寬范圍變化的差動(dòng)保護(hù)，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 變頻運(yùn)行方式下電動(dòng)機(jī)保護(hù)整定計(jì)算

2.1 啟動(dòng)超時(shí)保護(hù)

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為電動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間。電動(dòng)機(jī)在變頻啟動(dòng)時(shí)，電流由零突然增大，隨后電流將逐漸減小，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后，啟動(dòng)超時(shí)保護(hù)自動(dòng)退出。

變頻調(diào)速前，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短；變頻調(diào)速后，啟動(dòng)電流緩慢爬升，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間有所延長?？紤]留有裕度，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)調(diào)整為工頻啟動(dòng)方式下最長啟動(dòng)時(shí)間tqd.max的1.3倍。變頻方式下電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間tzd整定如下：

若在 1.3tqd.max時(shí)間內(nèi)，max（Ia，Ib，Ic）＜1.125Iem（Ia，Ib，Ic分別為電動(dòng)機(jī) a，b，c 三相電流；Iem為電動(dòng)機(jī)額定電流），啟動(dòng)超時(shí)保護(hù)不動(dòng)作；若在1.3tqd.max時(shí)間內(nèi)，Imax＞1.125Iem，視為啟動(dòng)失敗，啟動(dòng)超時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

2.2 電流速斷保護(hù)

廠用高壓輔機(jī)變頻改造后，保護(hù)出口的沖擊電流主要是高壓變頻器投入后移相變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁沖擊電流，故電機(jī)的電流速斷保護(hù)可以按照躲過移相變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的方法整定。通常只知道電機(jī)的額定電流Iem，考慮到變頻器本身的一定損耗，可以把電機(jī)的額定電流Iem乘以系數(shù)來作為移相變壓器的額定電流。根據(jù)計(jì)算，通常取1.05Iem來作為移相變壓器的一次額定電流來進(jìn)行整定。

從現(xiàn)場DHVECTOL-HI多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器投運(yùn)啟動(dòng)時(shí)所錄電氣量波形可以看出，變頻器高壓充電時(shí)，移相變壓器勵(lì)磁涌流可以達(dá)到其額定電流的5～6倍。

為此，可按6倍移相變壓器額定電流對(duì)電動(dòng)機(jī)電流速斷保護(hù)進(jìn)行整定。

另外，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電流速斷保護(hù)為了躲開大的啟動(dòng)電流，整定值往往較大，在運(yùn)行時(shí)靈敏度不太理想。為此，可將電流速斷動(dòng)作電流在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程和運(yùn)行過程按不同方式整定：在規(guī)定的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)取高定值，以躲開大的啟動(dòng)電流；啟動(dòng)結(jié)束后取低定值，此時(shí)只需考慮躲開正常運(yùn)行時(shí)的最大負(fù)荷電流，這樣既可以避開電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開始瞬間的暫態(tài)峰值電流，又提高了電流速斷保護(hù)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的靈敏度。

綜上所述，應(yīng)用高壓變頻器后電機(jī)的速斷保護(hù)整定如下。

在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中：

在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后：

式中：Ifh.max為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的最大負(fù)荷電流。

2.3 低電壓保護(hù)

對(duì)于發(fā)電廠的重要輔機(jī)，要確保當(dāng)接在母線上的電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí)能夠持續(xù)運(yùn)行，則低電壓動(dòng)作定值不應(yīng)大于70%Uem(Uem為電動(dòng)機(jī)額定電壓)。對(duì)電壓源型變頻器而言，它有大容量的高壓電容器作為整流濾波環(huán)節(jié)。

由于該電容具有一定的儲(chǔ)能作用，因此變頻器在電壓降低情況下仍然具備一定的帶載能力，而且裝置內(nèi)濾波電容越大、負(fù)荷運(yùn)行頻率越低、輸出功率越小，則可維持的時(shí)間越長。從現(xiàn)場DHVECTOL-HI多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬停試驗(yàn)時(shí)所錄的電氣量波形可以看出變頻器在電壓降低情況下仍然具備一定的帶載能力。因此系統(tǒng)在變頻方式下運(yùn)行時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的設(shè)置應(yīng)該比工頻運(yùn)行時(shí)長，這樣才能保證在系統(tǒng)外部故障導(dǎo)致瞬時(shí)暫態(tài)欠壓時(shí)電動(dòng)機(jī)不會(huì)造成跳閘停機(jī)。

根據(jù)以上分析，對(duì)于變頻狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)的低電壓保護(hù)，在動(dòng)作電流的整定上與工頻運(yùn)行方式下相同，而在動(dòng)作時(shí)間上應(yīng)有適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。

對(duì)于中間煤倉制粉系統(tǒng)的磨煤機(jī)、灰渣泵、灰漿泵、碎煤機(jī)等電動(dòng)機(jī)，低電壓保護(hù)的動(dòng)作電壓為：

動(dòng)作時(shí)限為1.5 s。

對(duì)于具有自動(dòng)投入備用機(jī)械的給水泵、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵的電動(dòng)機(jī)，以及送風(fēng)機(jī)和直吹爐制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)，低電壓保護(hù)的動(dòng)作電壓為：

動(dòng)作時(shí)限為10 s。

2.4 采樣值差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)由于頻率寬范圍變化而無法應(yīng)用這個(gè)原因，采用與頻率無關(guān)的采樣值差動(dòng)保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)。采樣值差動(dòng)保護(hù)就是利用電流采樣的瞬時(shí)值來實(shí)現(xiàn)基于相量的常規(guī)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)[11，12]。

同相量差動(dòng)相比，采樣值差動(dòng)不需要計(jì)算采樣電流的有效值，所以不需要經(jīng)過傅氏計(jì)算，它只是根據(jù)各個(gè)采樣點(diǎn)瞬時(shí)值滿足差動(dòng)判據(jù)的情況來決定動(dòng)作與否，因此可作為變頻電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)。為防止短時(shí)干擾下采樣值差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，不容許僅憑一個(gè)采樣值的判別結(jié)果馬上作出跳閘判別，而是采用重復(fù)多次判斷的方法，具體說就是連續(xù)R次采樣判決中有S次及以上符合動(dòng)作條件則判決輸出動(dòng)作信號(hào)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究，R及S的選取應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：N為周波采樣點(diǎn)數(shù)。

和常規(guī)差動(dòng)保護(hù)一樣，為躲過電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不平衡電流的影響，采樣值差動(dòng)保護(hù)采用非線性的制動(dòng)特性，動(dòng)作曲線如圖3所示（以兩折線為例）。

采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性參數(shù)可參照常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行設(shè)置。本文將斜率定值整定為K=0.6。

最小動(dòng)作電流id0按照0.3倍負(fù)載額定電流選取。 差動(dòng)拐點(diǎn)電流Ig的整定，可?。?.0～1.1）Iem。

3 結(jié)束語

目前，高壓變頻器在電廠中應(yīng)用已逐步推廣。技術(shù)人員在積極采用這一先進(jìn)節(jié)能設(shè)備的同時(shí)，一定要關(guān)注由于變頻器應(yīng)用而帶來的保護(hù)配置和整定計(jì)算問題，確保高壓變頻器在電廠中能夠安全可靠的運(yùn)行，從而發(fā)揮其巨大的節(jié)能和調(diào)節(jié)特性。

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