高壓變頻器在電動機(jī)繼電保護(hù)中的運(yùn)用論文
摘 要：電動機(jī)的傳統(tǒng)保護(hù)方式已經(jīng)不能在適應(yīng)現(xiàn)代電動機(jī)繼電保護(hù)的需求，針對這個(gè)問題，本文主要對高壓變頻器簡介、傳統(tǒng)電動機(jī)保護(hù)配置與變頻器電動機(jī)保護(hù)配置、高壓變頻器在電動機(jī)繼電保護(hù)中運(yùn)用時(shí)產(chǎn)生的問題、變頻差動保護(hù)原理以及變頻器電動機(jī)差動保護(hù)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；電動機(jī)；繼電保護(hù)
1.高壓變頻器簡介
高壓變頻器的基本組成如圖1所示。高壓變頻器的種類很多，其主要包括直接變頻器（循環(huán)變頻器）和間接變頻器（脈沖調(diào)制型、負(fù)載換流型、中點(diǎn)鉗位型、飛跨電容型、H橋級聯(lián)型）。
2.傳統(tǒng)電動機(jī)保護(hù)配置與變頻器電動機(jī)保護(hù)配置
2.1傳統(tǒng)電動機(jī)保護(hù)配置
異步電動機(jī)的故障有定子繞組相間短路故障、繞組的匝間短路故障和單相接地故障；不正常運(yùn)行狀態(tài)主要有過負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)、起動時(shí)間過長、三相供電不平衡或斷相運(yùn)行、電壓異常等。因此，對于高壓電動機(jī)，根據(jù)規(guī)程以差動保護(hù)或電流速斷為主保護(hù)，以過負(fù)荷保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、零序保護(hù)及低電壓保護(hù)等作為后備保護(hù)。
2.2變頻器電動機(jī)保護(hù)配置
為了確保系統(tǒng)的可靠性，工頻旁路一般都是用變頻器來進(jìn)行，這樣也使電動機(jī)能夠正常工作。如圖3所示，在保證變頻器檢修時(shí)，開關(guān)K1、K2與主回路沒有接觸點(diǎn)，此時(shí)閉合開關(guān)K，電動機(jī)運(yùn)行主要是通過旁路來進(jìn)行。當(dāng)按照此情況運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)由高壓母線工頻電壓直接驅(qū)動，開關(guān)出線以及電動機(jī)本體就是進(jìn)線開關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對象。因此，電動機(jī)保護(hù)配置就需要根據(jù)常規(guī)電動機(jī)保護(hù)的要求進(jìn)行，對于有差動保護(hù)要求的，需要增加電動機(jī)差動保護(hù)裝置。當(dāng)斷開開關(guān)K3時(shí)，由變頻器拖動電動機(jī)時(shí)，開關(guān)出線以及變頻器就是進(jìn)線開關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對象。目前，由整流變壓器等部分構(gòu)成的變頻器是發(fā)電廠比較常用的，也就是說，開關(guān)出線以及整流變壓器是進(jìn)線開關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對象。此時(shí)電動機(jī)的負(fù)荷與母線隔離后高壓變頻器的負(fù)荷相同，因此，高壓變頻系統(tǒng)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)的保護(hù)。當(dāng)然也有些電動機(jī)無法實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)，因?yàn)殚_關(guān)處電流與電動國際中性側(cè)電流頻率不同，此時(shí)步伐實(shí)現(xiàn)保護(hù)，只能選擇退出。
目前變頻器電動機(jī)保護(hù)配置方式主要存在兩個(gè)問題：(1)對于2000kW以上的電動機(jī)，需要配置差動保護(hù)。因此，在變頻器拖動電動機(jī)情況下，電動機(jī)差動保護(hù)退出，保護(hù)的可靠性受到影響。(2)任意時(shí)刻，變壓器保護(hù)裝置、電動機(jī)保護(hù)裝置只有一臺投入使用，降低了裝置的使用效率。
3.高壓變頻器在電動機(jī)繼電保護(hù)中運(yùn)用時(shí)產(chǎn)生的問題
一般而言，高壓異步電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。對6.3MVA及以上的變壓器應(yīng)裝設(shè)本保護(hù)，用于保護(hù)繞組內(nèi)及引出線上的相間短路故障；保護(hù)裝置宜采用三相三繼電器式接線，瞬時(shí)動作于變壓器各側(cè)斷路器跳閘，當(dāng)變壓器高壓側(cè)無斷路器時(shí)，則應(yīng)動作于發(fā)電機(jī)變壓器組總出口繼電器，使各側(cè)斷路器及滅磁開關(guān)跳閘。對2MVA及以上采用電流速斷保護(hù)靈敏性不符合要求的變壓器也應(yīng)裝設(shè)本保護(hù)。
目前而言，工變頻互動方式是現(xiàn)場電動機(jī)加裝變頻器所采用的主要改造方式，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
變頻器可以通過可編程邏輯控制器自動完成或者手動完成變頻與工頻之間的切換，但是條件是當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者工況要求進(jìn)入工頻供電；在工頻運(yùn)行時(shí)，如果變頻運(yùn)行需要重新投入進(jìn)行，那么工頻與變頻狀態(tài)的切換就可以通過自動或者手動完成。
當(dāng)電動機(jī)處于工頻運(yùn)行工況時(shí)，那么對于現(xiàn)場使用要求，常規(guī)電動機(jī)保護(hù)對此要求是能夠滿足的；當(dāng)電動機(jī)處于變頻運(yùn)行工況時(shí)，由于變頻器裝置的加入，在頻率、相位上，變頻器的輸入和輸出電流之間的關(guān)系不大，如果其保護(hù)配置還是按照原來的方法進(jìn)行，那么要想實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能就受到了阻礙。因此，在具有高壓變頻器的電動機(jī)中，只需對電動機(jī)進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)就行，不應(yīng)將變頻器納入差動保護(hù)的范圍。差動保護(hù)范圍為：始端電流互感器應(yīng)置于變頻器的輸出端，而非電源開關(guān)側(cè)，末端電流互感器置于電動機(jī)的中性點(diǎn)側(cè)。
電動機(jī)在變頻運(yùn)行工況時(shí)，變頻器輸出頻率范圍一般可以達(dá)到0.5~120Hz，現(xiàn)場實(shí)際調(diào)頻運(yùn)行范圍一般在15~50Hz。而目前常用的.微機(jī)保護(hù)裝置均是根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，即采用固定頻率50Hz進(jìn)行數(shù)字采樣計(jì)算，如何讓微機(jī)保護(hù)裝置能夠適用于大范圍頻率運(yùn)行是變頻電動機(jī)保護(hù)必須解決的問題。同時(shí)，考慮到在變頻器電源輸出側(cè)不方便裝VT，如何實(shí)時(shí)測量電動機(jī)運(yùn)行頻率也是需要解決的難題。
4變頻差動保護(hù)原理
裝置的寬頻率運(yùn)行采用實(shí)時(shí)頻率測量、實(shí)時(shí)頻率跟蹤、實(shí)時(shí)電流互感器補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)變頻工況的差動保護(hù)。裝置采用了電壓和電流相結(jié)合的測頻模式，當(dāng)電壓不能接在裝置外回路時(shí)，此時(shí)采用電流測頻。同時(shí)軟件過零點(diǎn)測頻算法和實(shí)時(shí)頻率跟蹤相結(jié)合是裝置的頻率測量的采用的主要方法，并且在此基礎(chǔ)上，采用了幅值自動補(bǔ)充功能，主要是考慮到了不同頻率下幅頻特性的不一致，從而在不同范圍內(nèi)使裝置具有可靠的采樣精度得以保證，裝置的正確可靠動作也得到了進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)。
5．變頻器電動機(jī)差動保護(hù)
高壓變頻器在電動機(jī)中的運(yùn)用，在此情況下，如圖3所示，由于電動機(jī)機(jī)端CT1與CT3兩處的電流頻率不同，而導(dǎo)致傳統(tǒng)的電動機(jī)差動保護(hù)無法使用。目前磁平衡差動保護(hù)的應(yīng)用主要存在以下問題：（1）目前發(fā)電廠使用的電動機(jī)基本上都無法提供磁平衡差動所需要的中性側(cè)電纜引出。(2)磁平衡差動的電流是在變頻器下方，非工頻電流。對于微機(jī)保護(hù)，按照工頻50Hz整定的定值不適用于非工頻情況。由于差動保護(hù)的兩側(cè)電流必須為同一頻率下電流�？煽紤]在變頻器下方、電動機(jī)上方加裝一組CT，即CT2，此組CT可安裝于變頻器柜中，由CT2和CT3兩組電流構(gòu)成差動保護(hù)。常規(guī)差動保護(hù)為相量差動，其原理是用傅里葉算法，根據(jù)一個(gè)周波的采樣點(diǎn)計(jì)算出流入和流出電流的實(shí)虛部，再計(jì)算出差動和制動電流的幅值、相位后用相量比較的方式構(gòu)成判據(jù)。由于電流非50 Hz工頻，因此在進(jìn)行傅里葉計(jì)算時(shí)需要通過頻率跟蹤保證計(jì)算結(jié)果的正確。由于變頻器下方無電壓引入，因此通過常規(guī)的電壓跟蹤頻率方式無法實(shí)現(xiàn)。有廠家提出利用電流跟蹤頻率，但由于電流跟蹤頻率存在較大的誤差，容易引起保護(hù)的誤動、拒動，在實(shí)際中并不采用。
對于差動保護(hù)中采用的采樣值差動，微機(jī)保護(hù)中所有通道采樣均為電流在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值:當(dāng)被保護(hù)設(shè)備沒有橫向內(nèi)部故障時(shí)，各采樣電流值之和為零；當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，各采樣電流值之和不為零。采樣值差動保護(hù)就是利用采樣值電流之和按一定的動作判據(jù)構(gòu)成。
與常規(guī)相量差動保護(hù)相比，采樣值差動具有動作速度快、計(jì)算量少等特點(diǎn)，是微機(jī)差動保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)突破，己應(yīng)用于母差、變壓器等保護(hù)中。采樣值差動不涉及傅氏計(jì)算，變頻器所帶來的諧波也不會影響其計(jì)算精度，因此，對工作于25~50Hz的高壓變頻電動機(jī)，其差動保護(hù)可以利用該算法實(shí)現(xiàn)。
總而言之，就目前高壓變頻器在電動機(jī)繼電保護(hù)中的運(yùn)用而言，實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)主要采用值差動保算法來進(jìn)行，可以最終使用一臺裝置來實(shí)現(xiàn)變壓器與電動機(jī)保護(hù)裝置的功能，這樣不僅使高壓變頻器在電動機(jī)繼電保護(hù)中實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，而且也使成本節(jié)省了很多。
參考文獻(xiàn)：
1. Science and Technology Information, 2011, (16)
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