賀鵬程

（中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

引言

變頻技術(shù)是當前企業(yè)發(fā)展節(jié)能降耗的主要技術(shù)體系，尤其是在當前的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，變頻技術(shù)的使用，可以為生產(chǎn)體系的節(jié)能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。當前，部分生產(chǎn)企業(yè)采取高壓電動機變頻調(diào)速技術(shù)來實現(xiàn)電動機系統(tǒng)的性能調(diào)控。但是結(jié)合實際情況來看，在增加了變頻器之后，原有的高壓電動機常規(guī)保護裝置，整體性能下降且無法提供全過程保護服務(wù)，因此越來越多的企業(yè)落實變頻調(diào)速技術(shù)的創(chuàng)新，致力于增強電動機繼電保護質(zhì)量，確?？梢詾槠髽I(yè)生產(chǎn)線的高質(zhì)量創(chuàng)新奠定良好基礎(chǔ)。

1 變頻器的基本原理

在當前的企業(yè)生產(chǎn)過程中，發(fā)電企業(yè)、化工企業(yè)都涉及到了大量的機電設(shè)備，這其中水泵、引風機、送風機本身的耗能較大，而以節(jié)能環(huán)保為基礎(chǔ)構(gòu)建的變頻調(diào)速體系，能夠結(jié)合系統(tǒng)的實際運行需求進行流量調(diào)節(jié)，科學地進行閥門調(diào)控，可以在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)需求不高的時候降低能耗。比如在當前火電廠的電動機運轉(zhuǎn)過程中，以現(xiàn)代控制通信技術(shù)以及電力電子技術(shù)，將原有的工頻50 Hz的電源調(diào)整成直流電源，再將其進行斬波、還原，還原之后的交流電源頻率可以結(jié)合流體流量進行自動調(diào)節(jié)[1]，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)控。這樣能夠提高整體系統(tǒng)運行效率，同時也可以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2 高壓變頻器和繼電保護的矛盾問題

2.1 繼電保護配置

從具體的保護裝置結(jié)構(gòu)角度來講，當前大部分的電動機選擇的是三相三繼電器式接線，在變壓器任意一側(cè)出現(xiàn)故障時，都可以進行瞬間動作，若變壓器高壓側(cè)無斷路器，那么瞬間動作則直接服務(wù)于變電機的變壓器組總出口繼電器，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時快速地進行反應(yīng)，實現(xiàn)開關(guān)的啟停。

目前，電動機的保護裝置為V形綜合保護系統(tǒng)，開關(guān)柜和電動機中性點側(cè)電流互感器，將直接提供差動保護電流。

2.2 變頻器應(yīng)用后的問題分析

當前絕大部分的電動機變頻改造，主要原理是實現(xiàn)工頻和變頻的靈活切換，其具體架構(gòu)見圖1。

在實際應(yīng)用過程中，若變頻器出現(xiàn)了故障，那么整體系統(tǒng)會轉(zhuǎn)換成工頻供電的狀態(tài)，前期系統(tǒng)中的程序會執(zhí)行自動調(diào)控。而在工頻運行的過程中，需要重新投入變頻運行，這期間也可以通過手動或者自動的方式進行切換。

這兩種不同的狀態(tài)會導(dǎo)致機電保護本身的性能存在一定的變化，例如工頻運行狀態(tài)下的電動機繼電保護裝置可以正常執(zhí)行原有的保護行為，但是一旦系統(tǒng)切換成了變頻運行狀態(tài)，那么變頻器的輸入和輸出電流并不會存在直管聯(lián)系。若按照原有的繼電保護方法，必然無法滿足實際的保護需求。

因此從理論角度上來講，使用了變頻器的高壓電動機，不應(yīng)該將變頻器納入到差動保護的范圍，單獨地進行電動機保護，可以實現(xiàn)原有的機電保護功能。

3 電動機繼電保護優(yōu)化方案

3.1 案例分析

某電廠的風煙系統(tǒng)中配備了兩臺引風機，在正常運行時，這兩臺設(shè)備都維持在運行工況中。出風扇的控制是由引風機的靜葉開度來完成的。在實際應(yīng)用過程中，電動機轉(zhuǎn)速恒定，單純的依靠靜葉來完成風量調(diào)節(jié)效果不夠理想，僅能控制在60%~65%左右，導(dǎo)致引風機的電動機額外產(chǎn)生了大量的電能損失。而為了進一步增加用電效率，打造經(jīng)濟化的機組運行體系，采用變頻調(diào)速器實現(xiàn)系統(tǒng)控制，進一步消除了風門以及葉片的截流損耗。

3.2 機電保護方案的改造

采用了變頻調(diào)速器之后，整體的發(fā)電機運行工況為變頻工況，在這樣的環(huán)境下，需要改造原有的機電保護方案，才能夠?qū)崿F(xiàn)差動保護。

首先在引風機的斷路器出線側(cè)、變頻器出線側(cè)、電動機中性點，設(shè)置了三個電流互感器，分別為CT1，CT2，CT3，具體的結(jié)構(gòu)見圖2。這其中CT1和CT2能夠打造電動機工頻狀態(tài)下的差動保護體系，CT2和CT3可以打造變頻狀態(tài)下的差動保護體系。

另外在電動機維持變頻工況時，可以直接通過QF2進行狀態(tài)檢測，促使系統(tǒng)自動退出前期的工頻差動保護，這樣能夠防止在變頻模式下出現(xiàn)誤動情況，從而滿足發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)需求。另外變頻器到電動機的電纜保護主要以變頻器自帶的保護系統(tǒng)來完成，開關(guān)柜到變頻器電纜以及變頻器輸入變壓器的保護，由開關(guān)柜本身的保護裝置完成。

3.3 差動保護的具體原理

以變頻調(diào)控為基礎(chǔ)實現(xiàn)的差動保護，主要是通過實時頻率檢測、頻率跟蹤、電流互感器補償?shù)确绞絹磉M行頻率控制。這其中頻率檢測以及頻率跟蹤還需要依賴現(xiàn)代化技術(shù)體系來實現(xiàn)，例如本工程中的電動機頻率差動保護便是以傅氏濾波測評算法來完成的。該種算法的整體濾波能力較強，同時可以依照不同階段的系統(tǒng)運行狀態(tài)進行幅值測量，實用性較高且精準性穩(wěn)定。

系統(tǒng)的測頻模式以電壓以及電流相結(jié)合的方式來設(shè)置，若裝置外回路不能接收到正常電壓時，則會啟用電流測頻技術(shù)進行作業(yè)。同時，裝置本身的頻率檢測，利用軟件過零點測算方法以及實時頻率跟蹤相結(jié)合的方式。這種方式可以考慮不同頻率下的實際特征，建立在差異性統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)精準采樣，也可以實現(xiàn)保護裝置的正確可靠動作，全面提升保護的精準性。

3.4 差動保護測試分析

由于電動機的運轉(zhuǎn)對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性有直接的決定作用，因此在進行變頻機電保護設(shè)置的過程中，也需要檢測其具體的應(yīng)用效果，這樣才可以為系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)奠定良好基礎(chǔ)。本工程的引風機變頻工況插動保護系統(tǒng)采取當前的信息技術(shù)作為依據(jù)，構(gòu)建了嵌入式仿真模擬平臺ARM＋DSP結(jié)構(gòu)，并且采取工業(yè)生產(chǎn)期間較為常見的多任務(wù)操作系統(tǒng)能夠打造高精度的模擬體系[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)每周期24點的高速采樣，并且進行同步數(shù)據(jù)計算。

對該系統(tǒng)進行檢測，使用的是PW40A型繼電保護測試儀，能夠結(jié)合變頻工況下的具體特性進行針對性測試。在測試方案中設(shè)定了5個不同的頻率，作為變量，分析電流的實際數(shù)值以及電壓采樣的數(shù)值，最終檢測差動速斷出口的具體時間。經(jīng)過檢測之后確定電流采樣的數(shù)值范圍控制在4.95~4.99 A內(nèi)，滿足基準電流5 A的標準；電壓采樣的范圍控制在52.8~57.65 V范圍內(nèi)，同樣滿足基準電壓57 V的標準。接下來從實測差動速斷出口時間角度來講，頻率為15 Hz時，時間最大為103 ms，隨著頻率的不斷加大，時間逐漸降低，65 Hz時時間降到27 ms。

由此可以證明，變頻器的常規(guī)運行頻率為15~65 Hz采用的繼電保護裝置，可以結(jié)合系統(tǒng)的運行需求進行正確的交流采樣動作，迅速且精準度較高，能夠滿足具體的機電保護需求。

4 結(jié)語

在電動機中使用高壓變頻器不僅可以打造節(jié)能型生產(chǎn)體系，也可以有效提升整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。而以變頻工況作為主要的改造方向，打造科學的繼電保護體系，能夠進一步提升發(fā)電機的運行穩(wěn)定性和安全性。需要注意的是，選擇的技術(shù)體系必須要滿足實際應(yīng)用需求，進一步采取大容量變頻器進行調(diào)速，機電保護體系的設(shè)置也要符合系統(tǒng)的實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這樣才可以有效增強電動機系統(tǒng)保護力度，為生產(chǎn)體系建設(shè)奠定穩(wěn)定基礎(chǔ)。