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”燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。由于管輸天然氣供氣壓力保證值為2.8～3.6MPa，而M701F4型燃機入口壓力要求為3.9～4.2MPa，因此本工程每臺燃機配置一臺德國MAN公司生產(chǎn)的整體齒輪多軸離心式壓縮機，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、運行工況等原因不可避免會發(fā)生各類故障。因此，為了保證機組的持續(xù)運行，燃氣電廠采用變頻調(diào)速控制的增壓機均配置手動工頻旁路。當變頻器發(fā)生故障倒換運行方式時必須要停運天然氣增壓機及相應(yīng)的燃機，影響機組安全經(jīng)濟運行。若在冬季發(fā)生故障將影響機組安全供熱，帶來不良的社會影響。應(yīng)用工變頻同步無擾切換技術(shù),可以在不影響增壓機及相應(yīng)燃機運行的情況下實現(xiàn)變頻、工頻之間的無擾切換，是提高天然氣增壓機運行可靠性和經(jīng)濟性的重要技術(shù)手段之一，具有很高的應(yīng)用價值。

2 增壓機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)、實時針對電網(wǎng)電壓進行頻率、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刻將電動機切至工頻電源，并網(wǎng)時對電動機基本無沖擊，實現(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)計實現(xiàn)“同步無擾”切換。變頻控制系統(tǒng)自動旁路配置方案如圖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：當變頻器輕故障報警時，運行人員可視故障情況選擇變頻切工頻按鈕?？刂葡到y(tǒng)會自動調(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，此時電機由變頻電源和工頻電源同時供電。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行，電機切換為工頻旁路運行方式。

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)會發(fā)出CB1合閘指令為變頻器上電，變頻器啟動后將自動調(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，電機切換為變頻器拖動運行方式。然后，控制系統(tǒng)按照增壓機入口進氣壓力逐步進行轉(zhuǎn)速調(diào)整，使增壓機在最佳經(jīng)濟運行狀態(tài)下運行。

3 增壓機保護配置

針對增壓機工變頻兩種運行工況下，如圖4保護需要有兩種配置方式：

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

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

3.3 在增壓機工頻旁路開關(guān)CB2處配置電動機保護裝置和電動機差動保護裝置，保護范圍是工頻旁路開關(guān)出線以及增壓機本體。

圖4 增壓機保護配置示意圖

4 增壓機工變頻切換中差動保護誤動原因分析及處理

4.1 差動保護基本原理

差動保護是大型高壓電氣設(shè)備廣泛采用的一種保護方式，2000KW以上的高壓電動機一般采用差動保護，或2000KW（含2000KW）以下、具有六個引出線的重要電動機，當電流速斷保護不能滿足靈敏度的要求時，也裝設(shè)縱差保護作為機間短路的主保護。差動保護基于被保護設(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。差動保護的基本原理為檢測電動機始末端的電流，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，即流入電動機的電流等于流出電動機的電流。當電動機內(nèi)部發(fā)生故障時，二者之間產(chǎn)生差流，啟動保護功能，出口跳閘電動機的斷路器。

為了實現(xiàn)這種保護，在電動機中性點側(cè)與靠近出口端斷路器處裝設(shè)同一型號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，即為縱差保護的保護區(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作的，故稱為差動繼電器。

圖5 差動保護一般接線方式

4.2 微機差動保護原理

4.2.1 差動電流制動電流計算公式

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

4.2.2 差動速斷保護

電動機內(nèi)部發(fā)生嚴重短路故障的時候，為了迅速啟動保護，而設(shè)置此功能。因為在啟動過程中有瞬間的最大的不平衡電流，為了躲開這個電流，使差流速斷在啟動過程中也能正常工作，整定值Icdsd應(yīng)大于啟動瞬間的最大不平衡差電流。其保護動作判據(jù)為，DImax＞Icdsd式中，Icdsd：差動速斷保護動作電流整定值（A）。其保護動作邏輯框圖如下：

4.2.3 分相比率差動保護

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

圖6 三折線比率差動動作曲線

保護動作判據(jù)：

式中，Icdqd：比率差動保護動作電流整定值（A）

Ie：電動機運行額定電流二次值（A）

保護動作邏輯框圖：

4.3 增壓機工變頻切換中差動保護誤動原因分析及處理

當增壓機在工變頻切換過程中，開關(guān)CB1、CB2、CB3均閉合，此時工變頻回路并聯(lián)運行。由于CT2的安裝位置造成其所測電流I2僅為增壓機中性點側(cè)CT3所測電流I3的1/2（如圖4），此差流致使差動保護動作。針對上述非故障原因?qū)е虏顒颖Ｗo誤動作，就需要在增壓機工變頻切換時閉鎖差動保護。一般采取的方法是將CB3開關(guān)輔助觸點接入保護裝置作為閉鎖保護判據(jù)，即CB3開關(guān)閉合，保護裝置開入量0→1，差動保護閉鎖。此階段增壓機保護由變頻器自帶保護功能和電動機保護裝置共同完成。當CB3開關(guān)斷開，增壓機工頻運行，差動保護自動投入。

5 結(jié)語

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

采用工變頻同步無擾切換技術(shù)，在不停止增壓機和相應(yīng)燃機運行的情況下，實現(xiàn)天然氣增壓機系統(tǒng)工變頻自動切換，降低了運行人員的操作量和操作難度；減少因增壓機變頻器故障引起的燃機非計劃停機次數(shù)，提高“二拖一”燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組運行安全性。

[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）電氣傳動設(shè)備有限公司.

[4]WDZ-5200系列保護測控裝置說明書.江蘇東大金智科技有限公司.