鄭志勇

（天津陳塘熱電有限公司 天津 300193）

1 引言

天津陳塘莊熱電廠煤改氣搬遷工程建設(shè)兩套900MW級“二拖一”燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組。由于管輸天然氣供氣壓力保證值為2.8～3.6MPa，而M701F4型燃機(jī)入口壓力要求為3.9～4.2MPa，因此本工程每臺(tái)燃機(jī)配置一臺(tái)德國MAN公司生產(chǎn)的整體齒輪多軸離心式壓縮機(jī)，采用“一對一”單元制配置、無級調(diào)速變頻控制方案，調(diào)整范圍為70%～100%，且變頻裝置設(shè)置自動(dòng)工頻旁路。

高壓變頻器是由電力電子器件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因環(huán)境、元器件老化、運(yùn)行工況等原因不可避免會(huì)發(fā)生各類故障。因此，為了保證機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，燃?xì)怆姀S采用變頻調(diào)速控制的增壓機(jī)均配置手動(dòng)工頻旁路。當(dāng)變頻器發(fā)生故障倒換運(yùn)行方式時(shí)必須要停運(yùn)天然氣增壓機(jī)及相應(yīng)的燃機(jī)，影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。若在冬季發(fā)生故障將影響機(jī)組安全供熱，帶來不良的社會(huì)影響。應(yīng)用工變頻同步無擾切換技術(shù),可以在不影響增壓機(jī)及相應(yīng)燃機(jī)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)變頻、工頻之間的無擾切換，是提高天然氣增壓機(jī)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)手段之一，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

2 增壓機(jī)工變頻同步無擾切換技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

工變頻同步切換技術(shù)是基于變頻器本身的傳感器系統(tǒng)，集成在變頻器控制系統(tǒng)內(nèi)，應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)、實(shí)時(shí)針對電網(wǎng)電壓進(jìn)行頻率、相位的精確跟隨，精度高、響應(yīng)快，使變頻器輸出同電網(wǎng)的工頻電源同頻、同相，并且允許在同期后任何時(shí)刻將電動(dòng)機(jī)切至工頻電源，并網(wǎng)時(shí)對電動(dòng)機(jī)基本無沖擊，實(shí)現(xiàn)“同步無擾”切換。

圖1 鎖相成功前頻、工電壓波形（黃色為電網(wǎng)波形）

圖2 鎖相成功前頻、工電壓波形（黃色為電網(wǎng)波形）

鎖相前、后變頻與工頻電壓波形如圖1、圖2所示。比較得知，變頻器鎖相成功前后，工頻電網(wǎng)電壓與變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相位基本保持一致，減少了切換時(shí)產(chǎn)生的“短路電流”，保證了同步切換的可靠性。

圖3 變頻控制系統(tǒng)自動(dòng)旁路配置方案

2.2 切換過程

變頻器配置同期并網(wǎng)功能，應(yīng)用同步切換鎖相環(huán)技術(shù)，變頻控制器在檢測工頻電壓的幅值、頻率和相位后，控制高壓變頻器輸出同頻、同相、幅值可控的電壓，通過控制器的特殊邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“同步無擾”切換。變頻控制系統(tǒng)自動(dòng)旁路配置方案如圖3所示。

切換過程如下：

2.2.1 變頻電源切換到工頻電源過程：當(dāng)變頻器輕故障報(bào)警時(shí)，運(yùn)行人員可視故障情況選擇變頻切工頻按鈕?？刂葡到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出電壓和頻率至50Hz。然后利用鎖相環(huán)鎖定工頻電源的相位和頻率，控制高壓變頻器使電機(jī)在稍微高于額定工頻電壓和頻率的狀態(tài)下將工頻電源開關(guān)CB2閉合，此時(shí)電機(jī)由變頻電源和工頻電源同時(shí)供電。3S后控制器發(fā)出指令跳開CB3和CB1開關(guān)，將高壓變頻器退出運(yùn)行，電機(jī)切換為工頻旁路運(yùn)行方式。

2.2.2 工頻電源切換到高壓變頻電源的過程：選擇工頻切變頻按鈕?？刂葡到y(tǒng)會(huì)發(fā)出CB1合閘指令為變頻器上電，變頻器啟動(dòng)后將自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出電壓和頻率至50Hz。然后用鎖相環(huán)鎖定工頻電源的相位和頻率，控制高壓變頻器使電機(jī)在稍微高于工頻額定電壓和頻率的狀態(tài)下將變頻輸出開關(guān)CB3閉合。3S后控制器發(fā)出指令跳開工頻旁路開關(guān)CB2，電機(jī)切換為變頻器拖動(dòng)運(yùn)行方式。然后，控制系統(tǒng)按照增壓機(jī)入口進(jìn)氣壓力逐步進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，使增壓機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行。

3 增壓機(jī)保護(hù)配置

針對增壓機(jī)工變頻兩種運(yùn)行工況下，如圖4保護(hù)需要有兩種配置方式：

3.1 在6KV電源側(cè)開關(guān)CB0處配置線路保護(hù)裝置，保護(hù)范圍是6KV電源出線。

3.2 在增壓機(jī)變頻回路開關(guān)CB1處配置變壓器保護(hù)裝置，保護(hù)范圍是位于變頻器輸入端的移相變。增壓機(jī)保護(hù)由變頻器本身自帶的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)。

3.3 在增壓機(jī)工頻旁路開關(guān)CB2處配置電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置，保護(hù)范圍是工頻旁路開關(guān)出線以及增壓機(jī)本體。

圖4 增壓機(jī)保護(hù)配置示意圖

4 增壓機(jī)工變頻切換中差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析及處理

4.1 差動(dòng)保護(hù)基本原理

差動(dòng)保護(hù)是大型高壓電氣設(shè)備廣泛采用的一種保護(hù)方式，2000KW以上的高壓電動(dòng)機(jī)一般采用差動(dòng)保護(hù)，或2000KW（含2000KW）以下、具有六個(gè)引出線的重要電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電流速斷保護(hù)不能滿足靈敏度的要求時(shí)，也裝設(shè)縱差保護(hù)作為機(jī)間短路的主保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)基于被保護(hù)設(shè)備的短路故障而設(shè)，快速反應(yīng)于設(shè)備內(nèi)部短路故障。差動(dòng)保護(hù)的基本原理為檢測電動(dòng)機(jī)始末端的電流，比較始端電流和末端電流的相位和幅值的原理而構(gòu)成的，正常情況下二者的差流為0，即流入電動(dòng)機(jī)的電流等于流出電動(dòng)機(jī)的電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，二者之間產(chǎn)生差流，啟動(dòng)保護(hù)功能，出口跳閘電動(dòng)機(jī)的斷路器。

為了實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)，在電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)側(cè)與靠近出口端斷路器處裝設(shè)同一型號(hào)和同一變比的兩組電流互感器TA1和TA2（如圖5）。兩組電流互感器之間，即為縱差保護(hù)的保護(hù)區(qū)。電流互感器二次側(cè)按循環(huán)電流法接線。設(shè)兩端電流互感器一、二次側(cè)按同極性相串的原則相連，即兩個(gè)電流互感器的二次側(cè)異極性相連，并在兩連線之間并聯(lián)接入電流繼電器，在繼電器線圈中流過的電流是兩側(cè)電流互感器二次電流I1與I2之差。繼電器KD是反應(yīng)兩側(cè)電流互感器二次電流之差而動(dòng)作的，故稱為差動(dòng)繼電器。

圖5 差動(dòng)保護(hù)一般接線方式

4.2 微機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理

4.2.1 差動(dòng)電流制動(dòng)電流計(jì)算公式

按照同名端同在一側(cè)的原則，進(jìn)行差動(dòng)電流的計(jì)算，即為兩側(cè)電流的矢量和；制動(dòng)電流按照兩側(cè)電流絕對值和的一半計(jì)算。

4.2.2 差動(dòng)速斷保護(hù)

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重短路故障的時(shí)候，為了迅速啟動(dòng)保護(hù)，而設(shè)置此功能。因?yàn)樵趩?dòng)過程中有瞬間的最大的不平衡電流，為了躲開這個(gè)電流，使差流速斷在啟動(dòng)過程中也能正常工作，整定值Icdsd應(yīng)大于啟動(dòng)瞬間的最大不平衡差電流。其保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為，DImax＞Icdsd式中，Icdsd：差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作電流整定值（A）。其保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖如下：

4.2.3 分相比率差動(dòng)保護(hù)

比率差動(dòng)即比率制動(dòng)，又稱穿越電流制動(dòng)，這種制動(dòng)作用與穿越電流的大小成正比，因此保護(hù)的起動(dòng)電流隨著制動(dòng)電流的增加而自動(dòng)增加。起動(dòng)電流/制動(dòng)電流稱為制動(dòng)系數(shù)，從這點(diǎn)上可稱為比率制動(dòng)。比率差動(dòng)保護(hù)必須在電動(dòng)機(jī)不在停機(jī)態(tài)時(shí)，方才有效。以下為三折線比率差動(dòng)原理，其動(dòng)作曲線如圖6所示，第3折線斜率固定為1。

圖6 三折線比率差動(dòng)動(dòng)作曲線

保護(hù)動(dòng)作判據(jù)：

式中，Icdqd：比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流整定值（A）

Ie：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行額定電流二次值（A）

保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖：

4.3 增壓機(jī)工變頻切換中差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析及處理

當(dāng)增壓機(jī)在工變頻切換過程中，開關(guān)CB1、CB2、CB3均閉合，此時(shí)工變頻回路并聯(lián)運(yùn)行。由于CT2的安裝位置造成其所測電流I2僅為增壓機(jī)中性點(diǎn)側(cè)CT3所測電流I3的1/2（如圖4），此差流致使差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。針對上述非故障原因?qū)е虏顒?dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，就需要在增壓機(jī)工變頻切換時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)。一般采取的方法是將CB3開關(guān)輔助觸點(diǎn)接入保護(hù)裝置作為閉鎖保護(hù)判據(jù)，即CB3開關(guān)閉合，保護(hù)裝置開入量0→1，差動(dòng)保護(hù)閉鎖。此階段增壓機(jī)保護(hù)由變頻器自帶保護(hù)功能和電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置共同完成。當(dāng)CB3開關(guān)斷開，增壓機(jī)工頻運(yùn)行，差動(dòng)保護(hù)自動(dòng)投入。

5 結(jié)語

本文通過研究增壓機(jī)工變頻同步無擾切換技術(shù)原理，結(jié)合兩種工況下保護(hù)配置方式和差動(dòng)保護(hù)原理，分析確定增壓機(jī)工變頻切換中差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作原因及處理方法。

采用工變頻同步無擾切換技術(shù)，在不停止增壓機(jī)和相應(yīng)燃機(jī)運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)天然氣增壓機(jī)系統(tǒng)工變頻自動(dòng)切換，降低了運(yùn)行人員的操作量和操作難度；減少因增壓機(jī)變頻器故障引起的燃機(jī)非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，提高“二拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組運(yùn)行安全性。

[1]張立,主編.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]賀家李,李永麗.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（第四版）.中國電力出版社.

[3]完美無諧波空冷型GEN3系列高壓變頻器說明書.西門子（上海）電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司.

[4]WDZ-5200系列保護(hù)測控裝置說明書.江蘇東大金智科技有限公司.