高壓電動機變頻器的改造設(shè)計

? 摘要：隨著國家能源政策的推行，發(fā)電廠用電越來越多地使用高壓變頻器拖動電動機。文中重點介紹了某科技股份有限公司開發(fā)出的全新變頻器電動機差動保護裝置，采用采樣值差動原理實現(xiàn)變頻器電動機的差動保護；采用變壓器、電動機保護功能集成于一臺裝置中，通過旁路開關(guān)切換的硬壓板進行投退，實現(xiàn)后備保護的功能。
根據(jù)國家能源政策的要求，節(jié)能減排工作已全面展開，而在大型火力發(fā)電廠，廠用電率的降低勢在必行。對于占廠用電絕大部分的高壓電動機來說，節(jié)能領(lǐng)域的重要技術(shù)措施就是高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用。隨著電力的發(fā)展，變頻器在電廠得到了廣泛應(yīng)用。目前的新建電廠，重要輔機如風(fēng)機、水泵等，一般均要求考慮配置變頻器拖動；越來越多的已建電廠正在進行或已完成高壓電動機采用變頻器的改造。高壓電動機采用采用變頻器拖動后，電動機保護如何配置才能保證機組安全可靠的運行，成為電廠、設(shè)計院、保護廠家關(guān)注的問題。
1 傳統(tǒng)電動機保護配置
異步電動機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；不正常運行狀態(tài)主要有過負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)、起動時間過長、三相供電不平衡或斷相運行、電壓異常等。因此，對于高壓電動機，根據(jù)規(guī)程以差動保護或電流速斷為主保護，以過負(fù)荷保護、過流保護、負(fù)序保護、零序保護及低電壓保護等作為后備保護。
2 目前變頻器電動機保護配置
發(fā)電廠為保證系統(tǒng)的可靠性，高壓電動機一般采用變頻器帶工頻旁路，以便即使在變頻器檢修時也可通過工頻旁路，保證電動機的正常運行。圖1為現(xiàn)場高壓電動機變頻器改造的示意圖，其中K1、K2開關(guān)保證變頻器檢修時，與主回路無接觸點，此時K3開關(guān)閉合，電動機通過旁路運行。

當(dāng)電動機通過旁路運行，此時由廠用電中高壓母線工頻電壓直接驅(qū)動電動機，進線開關(guān)QF處保護裝置的保護對象是開關(guān)出線以及電動機本體。因此，此時應(yīng)該按照常規(guī)電動機保護的要求配置電動機保護，有差動保護要求的，需要配置電動機差動保護。
當(dāng)旁路開關(guān)K3斷開，電動機由變頻器拖動時，進線開關(guān)QF處保護裝置的保護對象是開關(guān)出線以及變頻器。由于目前發(fā)電廠使用的變頻器一般由整流變壓器、控制柜等部分構(gòu)成，即進線開關(guān)QF處保護裝置的保護對象是開關(guān)出線以及整流變壓器。此時電動機成為與廠用電母線隔離后高壓變頻器的負(fù)荷，因而電動機的保護應(yīng)由高壓變頻系統(tǒng)的控制器實現(xiàn)。對于6～10 kV整流變壓器，一般對其配置常規(guī)變壓器后備保護，在整定時和常規(guī)變壓器略有差異。此時電動機常規(guī)差動保護由于開關(guān)處電流和電動機中性側(cè)電流頻率不一致，無法進行差動保護，只能退出。
目前一般變頻器電動機保護配置有：電動機保護測控裝置、電動機差動保護裝置、變壓器保護測控裝置。電動機保護裝置和變壓器保護裝置通過旁路開關(guān)進行功能的投退：即旁路開關(guān)斷開，此時為變頻器拖動電動機方式，變壓器保護裝置投入，電動機保護裝置和電動機差動保護裝置退出；當(dāng)旁路開關(guān)閉合，此時為工頻電網(wǎng)直接拖動電動機，電動機保護裝置和電動機差動保護裝置投入，變壓器保護裝置退出。
目前此種保護配置方式主要存在兩個問題：
（1）對于2 000 kW以上的電動機，需要配置差動保護。因此，在變頻器拖動電動機情況下，電動機差動保護退出，保護的可靠性受到影響。
（2）任意時刻，變壓器保護裝置、電動機保護裝置只有一臺投入使用，降低了裝置的使用效率。
3 變頻器電動機差動保護
在使用變頻器拖動電動機的情況下，傳統(tǒng)電動機差動保護無法使用的原因為：電動機機端CT為圖1中開關(guān)柜處的CT1和電動機中性側(cè)CT即CT3這兩處CT的電流頻率不相同。文獻提出采用磁平衡差動保護來實現(xiàn)，但實際中存在幾個問題：
（1）目前發(fā)電廠使用的電動機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。對于微機保護，按照工頻50 Hz整定的定值不適用于非工頻情況。
由于差動保護的兩側(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。
常規(guī)差動保護為相量差動，其原理是用傅里葉算法，根據(jù)一個周波的采樣點計算出流入和流出電流的實虛部，再計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，因此在進行傅里葉計算時需要通過頻率跟蹤保證計算結(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，容易引起保護的誤動、拒動，在實際中并不采用。
對于差動保護中采用的采樣值差動，為微機保護中所有通道采樣為電流在同一時刻的瞬時值：當(dāng)被保護設(shè)備沒有橫向內(nèi)部故障時，各采樣電流值之和為零；當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時，各采樣電流值之和不為零。采樣值差動保護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)相量差動保護相比，采樣值差動具有動作速度快、計算量少等特點，是微機差動保護領(lǐng)域的一個突破，己應(yīng)用于母差、變壓器等保護中。采樣值差動不涉及傅氏計算，變頻器所帶來的諧波也不會影響其計算jing度，因此，對工作于25～50 Hz的高壓變頻電動機，其差動保護可以利用該算法實現(xiàn)。
江蘇金智科技股份有限公司基于采樣值差動原理開發(fā)的變頻器電動機差動保護，已經(jīng)在現(xiàn)場成功投運，運行一段時間以來，未出現(xiàn)保護誤動、拒動的情況，說明采樣值差動可以應(yīng)用于變頻器電動機的差動保護。該差動保護裝置電流輸入有3組CT，分別為開關(guān)側(cè)CT1、變頻器下方電動機上方增加的CT2、中性側(cè)CT3，同時引入工頻旁路開關(guān)接點。當(dāng)旁路開關(guān)接點閉合時，此時為常規(guī)相量差動，采用傅里葉算法，差動電流為CT1和CT3電流；當(dāng)旁路開關(guān)接點斷開時，此時為采樣值差動，采用采樣值差動算法，差動電流為CT2和CT3電流。
4 變頻器電動機后備保護
目前一般變頻器電動機配置一臺電動機保護測控裝置和一臺變壓器保護測控裝置，兩臺裝置之間通過旁路開關(guān)進行投退。由于任意時刻，兩臺裝置只有一臺投入使用，降低了裝置的使用效率。
變壓器保護主要功能包括過流保護、負(fù)序保護、接地保護、過負(fù)荷保護等；電動機保護功能，主要包括過負(fù)荷保護、過流保護、負(fù)序保護、零序保護及低電壓保護等。
江蘇金智科技股份有限公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一臺全新的變頻器電動機后備保護裝置，裝置中包含有變壓器保護、電動機保護功能，其中的變壓器保護、電動機保護功能的投退通過旁路開關(guān)接點所形成的硬壓板進行控制，這樣把原先兩臺裝置的功能集成到一臺裝置中，提高現(xiàn)場裝置的使用率。此后備保護裝置在多個現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用，受到了用戶的一致認(rèn)可。
5 結(jié)束語
對于目前發(fā)電廠用高壓變頻器帶電動機的保護，傳統(tǒng)地采用傅里葉算法的相量差動不太適用，可以采用采樣值差動保算法實現(xiàn)差動保護；可以將現(xiàn)有的兩臺變壓器和電動機保護裝置的功能集成在一臺裝置中，實現(xiàn)后備保護，這樣既滿足電動機保護的要求，又節(jié)省了成本。