陳朝暉，李中玉

（1.臺(tái)州發(fā)電廠，浙江 臺(tái)州 318016；2.浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131）

近年來(lái)，發(fā)電企業(yè)通過(guò)對(duì)6 kV及以上電壓等級(jí)大功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，取得了很好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。但變頻裝置的應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置及保護(hù)配置帶來(lái)很大的影響，目前所配置的微機(jī)型電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)和綜合保護(hù)，保護(hù)范圍、工作原理以及設(shè)計(jì)選用的TA（電流互感器）等，都已經(jīng)不符合高壓變頻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)際要求，嚴(yán)重威脅著電氣一次設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。因此系統(tǒng)地研究變頻電動(dòng)機(jī)的保護(hù)、配置和實(shí)現(xiàn)方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通過(guò)分析高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及各組成設(shè)備的工作特性，結(jié)合工程實(shí)例，提出配置各自獨(dú)立、保護(hù)范圍相互交叉的新型保護(hù)配置方案。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)配置及存在問(wèn)題

1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻器是利用電力半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。目前應(yīng)用在發(fā)電廠中的高壓電機(jī)變頻器一般都采用高-高結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由移相變壓器、變頻器、電機(jī)三部分設(shè)備組成。為確保變頻器元件故障不影響機(jī)組發(fā)電，大多設(shè)置旁路運(yùn)行模式，加裝變頻器后的高壓變頻系統(tǒng)的電氣接線如圖1所示。

圖1 高壓變頻系統(tǒng)接線原理

1.2 保護(hù)的配置

發(fā)電廠大容量電動(dòng)機(jī)保護(hù)由傳統(tǒng)的微機(jī)型綜合保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成，裝設(shè)在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。綜合保護(hù)提供速斷保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、零序保護(hù)、長(zhǎng)啟動(dòng)保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、低電壓保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)靈活配置反應(yīng)各種故障及異常的保護(hù)。

傳統(tǒng)的微機(jī)差動(dòng)保護(hù)和綜合保護(hù)裝置都是基于工頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，在加裝了變頻設(shè)備后，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)已不能同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)工頻、變頻兩種運(yùn)行工況要求。且原裝設(shè)的TA能否滿足低頻運(yùn)行時(shí)電流正確傳輸，也需分析計(jì)算。

1.3 變頻工況下存在的問(wèn)題

（1）高壓電動(dòng)機(jī)在變頻工況下無(wú)主保護(hù)。電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)基于電動(dòng)機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)電流構(gòu)成的相量，計(jì)算差動(dòng)電流和制動(dòng)電流。當(dāng)變頻運(yùn)行時(shí)，2組TA分處于變頻器的兩側(cè)，運(yùn)行頻率不同。不同頻率的電流無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣量差動(dòng)保護(hù)，會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，變頻運(yùn)行時(shí)需退出差動(dòng)保護(hù)。

（2）高壓電動(dòng)機(jī)在變頻工況下無(wú)可靠的后備保護(hù)。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的等效阻抗發(fā)生很大的變化，由于變頻器的交-直-交環(huán)節(jié)中直流隔離作用，使綜合保護(hù)的范圍縮小到變頻器前的交流部分，變頻器輸出電纜及電動(dòng)機(jī)基本處于無(wú)保護(hù)狀態(tài)，只能依賴變頻器內(nèi)的保護(hù)。而高壓變頻器配置的保護(hù)是針對(duì)變頻器功率元器件，而不是電動(dòng)機(jī)，無(wú)法保證在任何情況下都能反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的各種故障，況且其定值及其特性在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法校核檢驗(yàn)。

（3）常規(guī)配置的TA存在低頻飽和現(xiàn)象。傳統(tǒng)的電磁式TA是利用電磁感應(yīng)原理通過(guò)鐵心耦合實(shí)現(xiàn)一、二次電流變換，由于鐵心具有磁飽和特性，不適合在寬頻工況下運(yùn)行，特別是在低頻工況下非常容易飽和，從而影響保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性。

2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)整體方案分析

2.1 移相變壓器保護(hù)配置

在電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速工作整個(gè)過(guò)程中，移相變壓器始終工作在50 Hz，故移相變壓器可看成常規(guī)變壓器設(shè)備。按《繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》要求，根據(jù)變壓器額定電壓和額定容量，配置常規(guī)的基于50 Hz的變壓器微機(jī)綜合保護(hù)即可。

2.2 變頻單元保護(hù)配置

變頻器是一個(gè)復(fù)雜的大功率電力電子裝置，其運(yùn)行可靠性受電磁干擾、元器件質(zhì)量、環(huán)境溫度、空氣潔凈度等影響很大，因此變頻器必須配置完善的保護(hù)功能，變頻器保護(hù)一般集成在變頻器內(nèi)控制電路中，應(yīng)配置以下幾種保護(hù)功能：

（1）過(guò)流保護(hù)：變頻器內(nèi)部控制回路、驅(qū)動(dòng)回路受干擾或其他原因誤動(dòng)作，就會(huì)造成逆變器上、下橋臂直通短路事故。短路電流導(dǎo)致逆變器的開(kāi)關(guān)元件燒毀，需在極短的時(shí)間內(nèi)封鎖PWM（脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，停止逆變器工作，同時(shí)將電源輸入的高壓開(kāi)關(guān)跳開(kāi)。

（2）過(guò)載保護(hù)：電動(dòng)機(jī)過(guò)載會(huì)使逆變器輸出電流達(dá)1.5倍額定電流以上，造成IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的損壞。過(guò)載保護(hù)應(yīng)具有反時(shí)限特性，并應(yīng)配置合適的過(guò)載保護(hù)。

（3）過(guò)電壓保護(hù)：變頻器輸入電壓長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高或電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，造成再生功率直流電路電壓降升高。當(dāng)電壓超過(guò)IGBT的安全工作電壓時(shí)，會(huì)損壞IGBT，需立即關(guān)閉逆變器。

（4）欠壓保護(hù)：當(dāng)輸入電源發(fā)生低電壓、缺相、斷相，或者變頻器內(nèi)部電容損壞時(shí)，IGBT會(huì)使其驅(qū)動(dòng)功率不足而造成元件損壞，需立即關(guān)閉逆變器。

2.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置及算法

保護(hù)配置仍要遵循《繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，取消原常規(guī)的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)和構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的常規(guī)TA后，在變頻器輸出端增加能適應(yīng)頻率寬范圍調(diào)整的差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)在變頻器輸出端和電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)處分別裝設(shè)能適應(yīng)頻率寬范圍調(diào)整的TA，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)和后備保護(hù)。保留原綜合保護(hù)，作為變頻器退出而旁路運(yùn)行時(shí)的保護(hù)，也可作為變頻運(yùn)行時(shí)移相變壓器的保護(hù)。又因變頻調(diào)速改善了電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，避免了一些異常運(yùn)行方式，可考慮不再配置長(zhǎng)延時(shí)、堵轉(zhuǎn)、過(guò)負(fù)荷、低電壓的保護(hù)。

變頻系統(tǒng)下電動(dòng)機(jī)保護(hù)的主要技術(shù)難點(diǎn)是采樣電流頻率的不確定性和存在大量諧波分量。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)算法中，三采樣值算法與頻率無(wú)關(guān)，但該算法受諧波分量影響大，計(jì)算結(jié)果離散值大且無(wú)法檢測(cè)信號(hào)的相位信息，故三采樣值算法不適用于變頻電機(jī)保護(hù)。目前有一種HHT（希爾伯特-黃變換）理論，可以獲得非平穩(wěn)信號(hào)的各個(gè)頻率分量的幅值和相位信息，選取其中幅值最大的頻率成分作為信號(hào)的主頻率，考慮變頻電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，可以認(rèn)為主頻率成分占據(jù)信號(hào)的主要成分，其他頻率分量可以視為諧波分量。取變頻器輸出端和電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)三相電流HHT變換的主成分頻率分量進(jìn)行相量計(jì)算，形成基于HHT變換的差動(dòng)保護(hù)和后備保護(hù)。

2.4 對(duì)TA的要求

為滿足變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采樣正確性，必須解決TA低頻鐵心飽和問(wèn)題，另外現(xiàn)場(chǎng)的高壓開(kāi)關(guān)柜、電動(dòng)機(jī)中心點(diǎn)TA箱一般都存在空間小、結(jié)構(gòu)緊湊特點(diǎn)，且變頻系統(tǒng)一般采用每相2 mm×120 mm及以上動(dòng)力電纜，這就對(duì)穿心式TA提出體積小、穿線孔直徑大及絕緣強(qiáng)度高的要求，常規(guī)TA較難滿足要求。電子式TA使用低功率鐵心線圈，其額定功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)TA，可作為首選。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)應(yīng)用實(shí)例

3.1 脫硫增壓風(fēng)機(jī)TA及保護(hù)原配置情況

臺(tái)州發(fā)電廠8號(hào)爐脫硫增壓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)額定容量為3 300 kW；額定電壓6 kV；變頻器為羅克韋爾公司的PowerFlex 7000裝置，移相變壓器為ZTSFG-4600/6干式變壓器。

脫硫增壓風(fēng)機(jī)TA及保護(hù)配置如圖2所示。在脫硫增壓風(fēng)機(jī)6 kV開(kāi)關(guān)柜中裝設(shè)有3組TA（1LH，2LH，3LH），電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)TA箱中裝設(shè)1組TA（4LH），并在開(kāi)關(guān)柜中裝設(shè)了常規(guī)的CSC系列的差動(dòng)保護(hù)裝置和綜合保護(hù)裝置。工頻運(yùn)行時(shí)，差動(dòng)保護(hù)和綜合保護(hù)裝置均投入；變頻運(yùn)行工況下，差動(dòng)保護(hù)退出運(yùn)行，僅保留綜合保護(hù)運(yùn)行。

3.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)改造方案

北京四方繼保股份有限公司和臺(tái)州發(fā)電廠聯(lián)合開(kāi)展了“變頻電動(dòng)機(jī)的保護(hù)研究和改造”科技項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)研制了基于就地采樣的CSC236D數(shù)字式變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，JLSGB-6型變頻電動(dòng)機(jī)電子式TA及配套的就地采集單元設(shè)備，并成功地應(yīng)用到臺(tái)州發(fā)電廠8號(hào)爐脫硫增壓風(fēng)機(jī)上。

脫硫增壓風(fēng)機(jī)變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)改造整體方案如圖3所示。在6 kV開(kāi)關(guān)柜和電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)TA箱分別加裝1組JLSGB-6型電子式TA（6LH和7LH），在變頻輸出至電動(dòng)機(jī)的電纜安裝處變頻旁路刀閘柜內(nèi)也加裝1組JLSGB-6型TA（5LH），3組TA通過(guò)就地采樣裝置完成采樣后，經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)阶冾l保護(hù)裝置。

圖2 脫硫增壓風(fēng)機(jī)改造前TA及保護(hù)配置

圖3 脫硫增壓風(fēng)機(jī)改造后TA及保護(hù)配置

加裝1臺(tái)CSC-236D數(shù)字式變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置。裝置能提供頻率在5～65 Hz寬范圍變動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)，還能根據(jù)旁路柜的變頻器進(jìn)線閘刀和出線閘刀的狀態(tài)變化自動(dòng)切換至工頻差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到變頻運(yùn)行時(shí)，由5LH和6LH電流互感器構(gòu)成變頻差動(dòng)保護(hù)；當(dāng)檢測(cè)到工頻運(yùn)行時(shí)，由6LH和7LH電流互感器構(gòu)成工頻差動(dòng)保護(hù)。

保留6 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)原配置的綜合保護(hù)，考慮在工頻和變頻工況下綜合保護(hù)的對(duì)象不同，應(yīng)設(shè)置2套定值，一套保護(hù)定值適用工頻運(yùn)行時(shí)，作為6 kV電源電纜和電動(dòng)機(jī)的后備保護(hù)；另一套適用變頻運(yùn)行時(shí)，作為6 kV電源電纜和移相變壓器的保護(hù)；CSC-236D裝置提供變頻過(guò)流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)和采樣值熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)，作為變頻器輸出電纜和電動(dòng)機(jī)的后備保護(hù)，電流采樣取自5LH。變頻器功率單元由集成在變頻器控制電路的保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

利用測(cè)試儀向保護(hù)裝置施加數(shù)字模擬量，從裝置液晶界面查看模擬量的幅值、相序、通道正確；對(duì)裝置所提供的各個(gè)保護(hù)功能校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果保護(hù)功能良好，精度滿足要求。

在全開(kāi)脫硫煙氣進(jìn)、出口擋板和脫硫煙氣旁路擋板，增壓風(fēng)機(jī)前導(dǎo)葉開(kāi)至70%的模式下，監(jiān)測(cè)脫硫增壓風(fēng)機(jī)工頻、變頻啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)可靠不誤動(dòng)；電動(dòng)機(jī)帶載后，在工頻、不同頻率工況下檢查保護(hù)裝置的動(dòng)作行為和各側(cè)電流的采樣值，均正確。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)的高壓變頻調(diào)速已經(jīng)非常普及，而與之相應(yīng)的繼電保護(hù)新技術(shù)研究卻才剛剛開(kāi)始。本文介紹的保護(hù)配置還需完善，新型保護(hù)裝置及其TA還有待運(yùn)行時(shí)間的考驗(yàn)，相信經(jīng)繼電保護(hù)科技人員的努力，完善的保護(hù)配置方案及先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定的新型保護(hù)裝置將會(huì)很快推廣應(yīng)用，為高壓變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理和應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996.