高压电动机变频器中继电保护的应用 杜振海（四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，四川 内江摘要：火电厂的重要高压辅机逐渐大量采用高压变频器 ６４１００５） 频启动造成的影响也明显的减少。这样有利于延长电机的使 用寿命，消除了相关磨损问题，有利于提升供电的可靠性。 调速后，传统的电机保护模式开始无法满足保护要求。本文具 体分析了应用高压变频器后对高压电动机保护的影响原因，并 结合白马循环流化床电厂进行了案例分析，在原因分析基础上 提出具体的解决方案。根据保护方案检验研究结果表明，此种 变频器的节能原理： Ｔ１＝Ｋ１ ｎ Ｐ＝Ｋ＊ＴＩ＊ｎ＝Ｋ２＊ｎ 方案可以为高压电动机保护提供可靠支持，有ｆｔ．１于电厂的节能 降耗，且为电厂电机的可靠运行提供了可靠保障。 关键词：火电厂，变频器；继电保护 其中Ｔ１：风机水泵类的负载；Ｐ：负载功率；Ｋ１、ＫＩ：常数；ｎ： 电动机功率 由上式可知，对于风机、水泵负载类的转矩负载，电机的输 目前，在国内发电环境竞争日益激烈的情况下，发电企业 出功率与转速的立方存在正相关关系。火电厂一般选择异步电机，其转速可表示如下 需要降低厂用电率，提高机组经济型。随着科学的发展，技术 的进步，高压变频技术日趋成熟，发电企业为了节能降耗，减少 发电成本，高压电动机的变频调速开始大量的应用。应用此种 ｎ：６０ ｆ１一ｓ１ ｆ／ｐ 式中：Ｉ１表示其转速；ｓ表示对应的转差率；Ｐ表示定子极 对数。 变频器之后，传统的电机保护装置无法满足差动及后备保护相 关的要求，在高压变频器的实际运行过程中，多次发生因保护配 置问题，引起故障扩大的事故。因此，在目前越来越多的高压 分析上式可以看出，异步电机的转速调节可通过调节三个 因子来实现，而转差率和定子极对数是固定的，无法调节，而电 电动机变频调速技术在各电厂运用，研究高压电动机变频后的 继电保护配置和策略很有必要。 源频率可以方便的调节。变频器，即是将固定不变的５０Ｈｚ的工 频交流电变换为电压和频率均可调节的交流电的装置，调节方 １变频器节能的基本原理 火电厂有很多大型耗能设备，如给水泵，锅炉引风机、一次 风机、二次风机等高压辅机，负荷较大。为了满足运行要求，这 些风机和水泵对应的系统通常需要不断的进行流量调节。电 式有两种，一种是交交变频器：没有直流环节，通过可控整流方 式直接变频流方式直接变频；另一种是交直交变频器：有直流 环节，通过可控开关交直交变频器：有直流环节，通过可控开关 逆变来实现变频逆变来实现变频，现在常用的是第二种变频 方式。 机工频模式下，输出功率和机组负荷变化无法同步实现，需要 调节系统管路中的人Ｅｌ挡板的开度，这样很容易产生能量损失 变频器输出的交流电源频率根据流体流量调节的需要来 实现一定调节的目的，调节电动机转速，使其负荷满足一定要 问题。历史计划数据统计，在四川区域电网中，火电机组年负 求，并据此来达到流量高效调节的目的，这样也有利于节约能 荷率情况为：低负荷（５０％￣６０％）和中高负荷（８０～９０％）占有了 耗，且提升系统效率，有积极的意义。目前，高压变频器可采用 较多的时间。７０％以下负荷占全年的４０％，８０％以下负荷占全 “单元串联多电平结构”，可选用输入功率因数高的高压变频 年的４５％，９０％以下负荷占全年的８７％，９０％负荷以上占全年的 器，选用的变频器能达到输出阶梯正弦ＰＷＭ波形，可以不进行 １３％，机组全年低负荷运行时间较长，工频运行的辅机低负荷时 滤波操作，而直接连接电机。选择的变频器对电缆、电机绝缘 节流损失较大，耗能较严重，经济性较差。电机变频运行时，可 不会造成损害，且谐波也较少，相应叶片的机械振动也明显的 以将人口调节挡板或入口调节阀开度全开，通过改变电动机的 降低，选用的高压变频器可以较好的满足电网工况要求，且瞬 运行频率，调节电动机速度来调节电动机输出功率，从而调节流 时失电短时间内可满载运行不跳闸。因此，高压变频器可广泛 体流量，减小电机运行消耗的损失，实现电动机效率的最优化。 应用于发电企业。 另外，变频改造后同时消除启动电机时，对电机、电缆、开关等 国内通常使用的变频器为高一高电压源型变频系统，且可 的冲击电流，使设备健康水平大大提高，减少维护费用和违约 以方便的进行变频输出。变频器可以具体划分为两部分，分别 电量造成的经济损失。其间接经济效益可达到每年节约数十 为主电路和控制电路，前者可以实现一定的调压调频目的。主 的电流小且平稳，实现了“软启动”。这样电机可以很好的控制 万元左右。此外，改造后可以实现一定软启动目的，设备运行 电路中的设备主要有手动／自动旁路柜、功率单元等。控制电路 的功能主要为向主电路提供保护控制信号，其中主要的组成部 在低负荷运行模式下，电机频率，转矩亦远小于改造前。用工 分为工控机及ＰＬＣ系统。 １７０ Ｉ北 ２０１８ｆｆ－０１ Ｊ￣ 在故障维修过程中要用到自动／手动旁路柜，其可以实现一 在变频器设置过程中，一般将其串联到电路中，且正常模 定的切换功能，将手动切换到工频模式，这样可以降低机组负 式下采用变频回路，前两个高压开关闭合，第三个断开，而工频 荷影响。 模式下，则采用工频启动方式。而相应的变频器采用一定的占 移相整流变压器主要用于进行电源转换，其中的各副边绕 空比变频功率单元串联模式进行高压输出。变频器不会导致 组一般选择三角接法，且不同绕组保持了一定相位差，这样可 明显的谐波污染，且输入功率因数高，不会产生谐波相关的附 确保各变压器副边各绕组的谐波电流抵消，不会对高压侧产生 加发热问题，且可以有效的消除噪音，在运行过程中不必加输 影响，有利于改善电流波形。而变压器全部副边低压绕组保持 出滤波器，且不必更换电机，可方便的进行变频控制。 定的性，且可以单独为相关功率单元供电，而对应的各 保护配置：当电动机处于工频运行工况时，常规高压电动机 一单元主回路保持性。 保护能够满足电动机运行时的保护配置使用要求；当电动机处 ２使用高压变频器后电动机保护的新问题 ２．１电动机保护配置的要求 于工频模式下，变频器安装在电动机和保护装置，这样变频器 的输入输出电流在频率、相位方面都不存在相关性。这样若选 根据 火力发电厂厂用电技术设计规定ＤＬ—Ｔ ５１５３—２００２））， 择了常规高压电动机的保护配置，则保护功能可能会无法实 ２ＭＷ及以上的高压异步电动机应进行一定纵联差动保护，避免 现。因此在此情况下不可以将变频器纳入差动保护中，而是对 出现相关短路故障；对２ＭＶＡ用电流速断保护的变压器同样应 电动机进行单独的保护。差动保护范围区间一般设置为：差动 该进行此种保护，而保护设备一般选择三相继电器式进行连 保护始端电流互感器不可安装在电源开关侧，互感器设置在电 接，且满足跳闸保护要求。 机的中性点侧。 目前，火力发电厂高压电动机在设计中一般都依据如上要 工频运行模式下，变频器输出频率最高可达到一百赫兹。 求进行继电保护。也有的电机主要进行微机型综合保护装置， 而对应的调频运行范围大约在１５￣５０Ｈｚ频率范围内。而目应 且将此类装置安装在其开关柜中，差动保护电流的一端和中性 用频率较高的微机保护装置主要选择了固定频率５０Ｈｚ来采样， 点侧电流互感器保持连接。 在此情况下需要考虑到如何使微机保护装置可以很好的进行 电机绕组的相间保短路保护选择了比率制动式纵联差动 大范围频率下的变频保护。此外还需要同时考虑到变频器电 保护模式。 源输出侧互感器的安装问题，电机的运行速度测量也是需要考 对应的差动动作方程如下： ＞Ｉ。 。 （ ≤Ｊ 虑的。 ｛ｌｏｐ≥，叩。＋ｓ 一 。） ＜ ≤４１ｏ） ３变频器差动保护的解决方案 ３．１四川白马循环流化床示范电站凝结水泵变频改造 、 ≥ｌｏｐ ｏ＋Ｓ（４１，一， ）＋ｏ．６ 一 ）（Ｉｔ．＞ ） 式中： 为差动电流， 。表示相应差动最小动作电流整 定值，ｓ则表示比率制系数。 四川白马循环流化床示范电站２号机组凝结水系统配备 Ａ、Ｂ两台凝结水泵，正常运行时两台凝结水泵处于一用一备的 运行工况，凝结水流量的调节通过改变凝结水出口调节阀的开 度来实现。凝结水泵变频做成一拖一手动旁路系统，正常运行 时Ａ凝结水泵变频运行，Ｂ凝结水泵作为工频备用泵。变频器 差动电流：Ｊ ＝ｊ， ＋ １ 制动电流： ＝ｌ， －。 ｌ／２ 式中 、， 分别为电动机机端、中性点二次侧电流。 ２．２应用变频器后电动机保护的问题 方式，与此相关的控制设计方案如下。 一故障时自动断开Ａ凝结水泵开关，合闸Ｂ凝结水泵开关，启动Ｂ 凝结水泵；如果变频器因故障较长时间不能工作，Ａ凝结水泵手 电机加装变频器的方法有多种，目前常用的为工变频互切 动投入旁路运行或备用。高压变频器受ＤＣＳ控制时可以通过 两种模式进行调节，分别为手动和自动，而在手动模式下，管理 拖一手动模式是手动旁路的典型方案。此方案中要用 人员可以对画面转速控制块进行改变而实现转速调节目的。到Ｑｓ１、ＱＳ２￣Ｉ：ＩＱＳ３等机构高压隔离开关和电动机Ｍ。ＱＳ１是 而自动模式下则依据ＤＣＳ内部设定的除氧器水位定值装置进 变频器进线隔离开关，ＱＳ２是变频器的出线隔离开关，ＱＳ３是变 行变频调节。由于２号机组水泵的凝结水裕度较大，而在运行过程中，相 频器的旁路隔离开关，ＱＦ是电源开关，为防止工频、变频运行方 依靠凝结水泵出口调节阀的开 式产生冲突，因此，必须要求后两个高压隔离开关具有一定的 关水泵的电动机转速保持不变，即使在机组负荷为６００ＭＷ时凝结水泵出口调节 机械互锁逻辑功能，不能同时闭合。变频操作过程中，高压变 度来调节流量，频开关３断开，前两者闭合，工频模式下，前两者断开，而第三个 阀开度一般也维持在７０％左右，而受到地区用电负荷相关因素 闭合。 的影响，机组负荷丰水期一般运行在７０％左右，这显著的增加 影响机组的经济 功能：在检修变频器过程中，应该设置一定的断电点，确保 了凝结水泵电机的损失，且导致明显的损耗，检修人员的人身安全，也可以手动进行投切操作。 性。而在变频模式下，将完全消除调节阀的截流损耗，为此四川 ２０１８年０１月，ｔｅ．ｓ￣ｒａ ｆ １７１ １ ０ｋＶ母癌 圭赫 图１某电厂凝结水泵差动保护配置 ｒ｛马循环流化床示范电站对２ 机组凝结水采进行了变频 改造。 ．， 动保护定值可经过 点进行 换，伏 申¨ ｎ０ｆ 护 功能。 ３．２保护配置方案 ｌＪＵ川自 环流化 示范电站凝结水泵变频ｆ 护分为电 ３．４变频差动保护测试 凝结水泉高频模式卜采川珠海拓普 能电 脞份仃５艮公 ｒ动机综台保护＿平Ｉ】电动饥差动保护。凝结水袋 变频运行１１况 【 ，凝结水泵高 玎父柜全变频器的高 电缆、变频器装 的变压器部分的保护由电动饥综合保护承担；变频器争电动机 的 』 电缆保护由变频器ｒ ｝的保护承担；电动机荸动 护由 高 开关柜的电动机差动保护装置承 。Ｉ 频运行Ｉ 下，凝 结水采ＩＵ动机的综合保护７支笨动保护均 ＪＩ：火 的综合 ｄ生产的＿ｒＯＰ９７２０Ｍ－３１Ｈ（＋）型的笮动保｛Ｊ＝、ｔ装 。装咒选择Ｊ， ３２位仿真平台进行实时多任务仿真操作，可以进行人 模高特 度的数 处理，且 用高分辨率模数转换器进行转换操作。每 周期２４点高速采样、且可疗便的进７７７ 行汁算。 动保护装置 选择Ｊ＇ｌ ｗ４６６ Ａ型测试仪器检测Ｊ’差动保护设街的性能，设置 ｒ变频运行模式。根据测试结果表ＩｆＪ】，征变频器通常运行频丰 间内，此种保护装置吖以方便的进行交流采样．保护精度 较高。 保护装置干【】差动保护装置承担。本文对荠动保护的眦 方案 进行Ｊ 具体沦述。 这种方案上婴川于保证凝结水泵征变频模式下保护功能 ４结 Ｆ１前炎～ｆ高 大功率的变频 卡｝｛关的６Ｊｆ究已 仃很多，输 …精度较高， ｉ『大ｊ电Ｊ‘、钢铁』 的高Ｊ 电机ｆ 遍他川， 完 实现，ＩＪｑ ＪｉＩ白马循环流化床永范电站凝结水泵保护选择的 悚护装置如 ｌ，同时任此电饥１０ｋ、惭路器…线ｆｌ４ｌＪ ｆＩ电机的巾 性点安装了几个 感器，并｝脂此来吱 芦动保护的日的。 巾 ｆｊ１极采 高 变频设备的条什 还应该考虑刮，Ｎｈ 变频器的 用埘用电提 的要求，确保满足保－ｈ’· 配要求。 符合友食 互感器（： Ｆ２ （：Ｔ３构成电机变频下的莘动保护。电机 变频 模式］ ，ｉ－要利用ＱＦ２的化 按点灰 的·定 动保护ｌｌ的。 这样町以避免 Ｉ：频运行模式卜 操作ＩｈＪ题 并 变频莘动 保护条什下，亢分的发挥变频装置ｎ勺性能。夺艾对火电Ｊ‘采川 人容 变频器凋述后对电动机 护带的影响情况进行ｒ分折， 护作为 护．从ｆ 满足 火力发电Ｊ‘ Ｊ｝１电技术役汁姚定Ｉ）Ｉ 一 儿讨沦了相应变频器的电机保护方案，Ｉ－１ｔｔ．ｒ进行ｒ 护校验。 结果表明这种保护模式可以为电ｆＪＬ进行快速、ｆ１ｊ‘ 的 护，仃 利十发电厂设备的稳定运行，仃较－ 的应ｆ｝】价值。 １１ ５ Ｉ ５３—２００２））１＇ｔ￣要求。 ３．３变频工况下差动保护原理 为满足凝结水泵变频Ｉ 况ＦＩ＇ｔ＇Ｊ 动 护 父要求， 该进 参考文献： ｌ １１黄成，黄禹．奄 器的婕『手】和节能政造ＩＭ１．北京：化学工 业出版社，２０１１． 仃·定的频率测葑、实时频率跟踪丰¨关的操作，Ｈ一避饱出现脉 冲群干扰：在此控制过程中，相 的控制装 需要承受圈标 定的ｌ秆１０．１兆赫兹脉 Ｉｌ群干扰。静电放电ｆ扰：装 能承受 （；ＢＴＩ １４５９８．１０觇定的Ｉｖ级静电放电干扰试验。辐射电磁场ｆ Ｉ２１倚鹅．高压大功率变顿器技术啄理与幢 ＩＭ１ 北京：人 民邮电出牧社 ２００８． 扰。快速瞬变干扰：可以承受（；Ｂｆｌ、ｌ４５９８．１０标准规定的 级 快速瞬变１ 扰。 测试过程中对设备进行ｒ电 ＿羊Ｉ１电流结合 的频牢沏Ｊ佚模式。而住装置Ｊ＇ｌ、Ｉ－Ｉ路厄法拉电 陌况 需要进 行电流测频。Ｉ￣ｌｌＮ频时选择ｒ软ｆ＇ｔ：过零点测频算法。为Ｔ满 足各种频率下幅频特性测量要求，而选择了幅值门动补偿办 案，这样可以确保在不Ｉ＿＝ｉｌ范ｌ：ｈｉ内设备ｎ勺采样精度满足要求．并 作者简介：杜振海（１９７４一），男，四川内江人．工程师，四川白马 循环流化床示范电站有限责任公司检修部电气专责工程师。 １７２ 托善耆挥２０１８年０１月
