遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司 段志杰 于 霽

繼電保護(hù)對(duì)策在大容量高壓電動(dòng)機(jī)變頻器的探討

遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司 段志杰 于 霽

當(dāng)前變頻技術(shù)被廣泛使用在火力發(fā)電廠中，將變頻機(jī)使用在電動(dòng)機(jī)中，不僅可以調(diào)節(jié)流量，更可以起到節(jié)能省電的效果。但是，電動(dòng)機(jī)在使用變頻機(jī)過(guò)程中，由于變頻機(jī)改變了電動(dòng)機(jī)的原有電源，使電動(dòng)機(jī)原有的綜合保護(hù)方案無(wú)法啟動(dòng)，變頻機(jī)自帶的速斷保護(hù)也無(wú)法保護(hù)整個(gè)線路。為了解決以上問(wèn)題，本文主要從改變電動(dòng)機(jī)的整體回路設(shè)計(jì)和研發(fā)自適應(yīng)工頻變頻保護(hù)裝置入手，提出解決對(duì)策，為業(yè)內(nèi)提供參考機(jī)價(jià)值。

繼電保護(hù)；變頻器；大容量高壓發(fā)動(dòng)機(jī)；速斷保護(hù)；差動(dòng)保護(hù)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，我國(guó)對(duì)各種電力資源的需求隨之增加，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也為了供應(yīng)社會(huì)足夠的電力資源，我國(guó)火電工程事業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大并發(fā)展。我國(guó)火電工程事業(yè)除了規(guī)模上的擴(kuò)大和發(fā)展，在各種先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的支持下，相關(guān)電力電子技術(shù)得到一定的更新發(fā)展，變頻器的出現(xiàn)讓廠用耗電資源得到節(jié)約，對(duì)整個(gè)社會(huì)節(jié)約電力資源發(fā)揮著重要意義。變頻器使用在電動(dòng)機(jī)中雖然具有節(jié)能省電的優(yōu)點(diǎn)，但也不乏缺點(diǎn)，大容量高壓發(fā)動(dòng)機(jī)在使用變頻器中，導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備無(wú)法正常啟用，這一問(wèn)題是當(dāng)前變頻器存在的主要問(wèn)題，同時(shí)也是本文研究的主要問(wèn)題。筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，下文在簡(jiǎn)要介紹變頻器節(jié)能省電主基本原理的基礎(chǔ)上，分析大容量高壓電動(dòng)機(jī)在使用變頻器后存在的繼電保護(hù)問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題，探討大容量高壓電動(dòng)機(jī)變頻器的繼電保護(hù)對(duì)策。

1.變頻器節(jié)能省電基本原理

當(dāng)前電廠在應(yīng)用變頻技術(shù)中主要采用煙風(fēng)系統(tǒng)和給水系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的主要原理為，通過(guò)提高流量以提高效率，從而達(dá)到節(jié)能效果。變頻器的基礎(chǔ)節(jié)能省點(diǎn)原理即為此。在一般的火力發(fā)電廠中，發(fā)電過(guò)程需要借助鍋爐引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械，這些機(jī)械所在系統(tǒng)運(yùn)行頻繁，且運(yùn)行幅度大，因而需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)以提高效率和節(jié)能。在傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方法中，主要從調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道中的風(fēng)門或閥開(kāi)度入手，但當(dāng)部分風(fēng)門未開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)所消耗的功率就有部分轉(zhuǎn)化為無(wú)用功，當(dāng)所有風(fēng)門或調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的功率就可以調(diào)節(jié)流量，從而達(dá)到效果最大化。將變頻技術(shù)使用在大容量高壓電動(dòng)機(jī)中，變頻技術(shù)主要通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的外加電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能省電。變頻技術(shù)在使用中，其將工頻電源調(diào)整為直流電源，斬波后轉(zhuǎn)為交流電源交流電源可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的流體流量，最終實(shí)現(xiàn)了提高效率和節(jié)能省電。

2.大容量高壓電動(dòng)機(jī)使用變頻器存在的繼電保護(hù)問(wèn)題

大容量高壓電動(dòng)機(jī)使用變頻器后雖然能提高效率節(jié)能省電，但使用中也會(huì)存在一些繼電保護(hù)問(wèn)題。如將變頻器投入使用，變頻器將電動(dòng)機(jī)原本的工頻電源調(diào)整為直流電源，斬波后轉(zhuǎn)為交流電源，這些電源的變化導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)原本的電流、電壓發(fā)生改變，而電動(dòng)機(jī)中原本設(shè)置的比率差動(dòng)保護(hù)由于不適應(yīng)經(jīng)過(guò)變頻器改變后的電動(dòng)機(jī)工頻電源，因此就容易產(chǎn)生繼電保護(hù)問(wèn)題。

當(dāng)前常用的繼電保護(hù)方案為開(kāi)關(guān)柜綜合保護(hù)裝置和變頻器自帶的保護(hù)方案兩種，前者主要使用在電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，后者主要使用在電動(dòng)機(jī)調(diào)頻運(yùn)行時(shí)。當(dāng)前大多數(shù)變頻器自帶的保護(hù)方案運(yùn)行原理為：變頻器自帶保護(hù)利用其變頻器柜內(nèi)的三相及零序電流互感器采集電動(dòng)機(jī)的電流，當(dāng)感應(yīng)出電動(dòng)機(jī)的輸出故障后，變頻器自帶的保護(hù)方案就會(huì)立即關(guān)閉電子電壓器件的導(dǎo)通角，進(jìn)而阻斷電動(dòng)機(jī)的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。但即使變頻器自帶的保護(hù)方案能夠保護(hù)電動(dòng)機(jī)，但仍然存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）變頻器的開(kāi)關(guān)柜綜合保護(hù)裝置投退問(wèn)題

當(dāng)變頻器變頻運(yùn)作時(shí)，電動(dòng)機(jī)原有的差動(dòng)保護(hù)需要退出，但為了保護(hù)整個(gè)電動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，又不可退出整體綜合保護(hù)，變頻器自帶的保護(hù)方案保護(hù)范圍并不包括開(kāi)關(guān)柜乃至整個(gè)變頻柜電纜，開(kāi)關(guān)柜和變頻柜電纜的保護(hù)就需要依靠整體綜合保護(hù)。但當(dāng)前大多數(shù)整體綜合保護(hù)裝置容易發(fā)生跳閘，難以適應(yīng)部分功能的投退要求。當(dāng)前為了解決這一問(wèn)題，多數(shù)選擇裝設(shè)獨(dú)立差動(dòng)保護(hù)，但裝設(shè)獨(dú)立差動(dòng)保護(hù)意味著增加了保護(hù)硬件，可靠性令人擔(dān)憂。

（2）變頻器自帶保護(hù)方案對(duì)電動(dòng)機(jī)存在缺陷問(wèn)題

變頻器本身自帶的保護(hù)方案在運(yùn)行中主要起到速斷電流的作用，而當(dāng)下國(guó)家對(duì)電力企業(yè)發(fā)電機(jī)應(yīng)配備的保護(hù)要求為縱聯(lián)差動(dòng)、電流速斷等，變頻器自帶保護(hù)方案只對(duì)電流速斷起作用，沒(méi)有起到縱聯(lián)差動(dòng)的作用。此外，變頻器自帶電流速斷作用只對(duì)電動(dòng)機(jī)和變頻器電纜產(chǎn)生的故障發(fā)生靈敏性，對(duì)定子線圈匝間短路等電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障不產(chǎn)生靈敏性，因而無(wú)法阻斷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生的故障。

（3）無(wú)法保護(hù)輸入側(cè)隔離變壓器

部分變頻器由于受保護(hù)范圍影響，對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入側(cè)隔離變壓器無(wú)法啟動(dòng)保護(hù)功能。按業(yè)內(nèi)要求，大容量高壓電動(dòng)機(jī)需要裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)，但由于變頻器只起到電流速斷的作用，因而無(wú)法滿足業(yè)內(nèi)要求。

3.大容量高壓電動(dòng)機(jī)變頻器的繼電保護(hù)對(duì)策

出現(xiàn)以上幾個(gè)繼電保護(hù)問(wèn)題的最終原因在于大容量高壓電動(dòng)機(jī)使用變頻器后導(dǎo)致前后電源不同，差動(dòng)保護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了解決以上問(wèn)題，以下將從電動(dòng)機(jī)的整體回路設(shè)計(jì)和研發(fā)自適應(yīng)工頻變頻保護(hù)裝置探討繼電保護(hù)對(duì)策。

3.1 電動(dòng)機(jī)工頻、變頻分設(shè)差動(dòng)保護(hù)

大容量高壓電動(dòng)機(jī)在使用變頻器中，可以在工頻和變頻方設(shè)置差動(dòng)保護(hù)。如圖1為工頻、變頻方設(shè)置差動(dòng)保護(hù)示意圖。

圖1 工頻、變頻方設(shè)置差動(dòng)保護(hù)示意圖

在圖1中，除了要在變頻器和電動(dòng)機(jī)連接外設(shè)置一個(gè)差動(dòng)保護(hù)87b，更要在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)設(shè)置獨(dú)立的差動(dòng)保護(hù)87a。當(dāng)電動(dòng)機(jī)做變頻運(yùn)行時(shí)，可將87a作為主體保護(hù)，變頻器和電動(dòng)機(jī)連接電纜的保護(hù)可由變頻器自帶速斷保護(hù)承擔(dān)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)做工頻運(yùn)行時(shí)，可將87b作為主體保護(hù)。這一保護(hù)方案設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，可以保護(hù)整體連接線路，但缺點(diǎn)在于，增多了一個(gè)保護(hù)裝置，此外，線路中的隔離變壓器沒(méi)有得到良好的保護(hù)。

3.2 電動(dòng)機(jī)加設(shè)磁平衡保護(hù)

這一保護(hù)方案和以上提到的第一個(gè)保護(hù)方案類似，均需要對(duì)電動(dòng)機(jī)工頻、變頻分設(shè)差動(dòng)保護(hù)，在此基礎(chǔ)上，將電動(dòng)機(jī)原有的保護(hù)原理縱差變?yōu)榇牌胶夥绞?，利用電流繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 研發(fā)工頻變頻自適應(yīng)保護(hù)裝置

以上提及的兩種從電動(dòng)機(jī)整體回路設(shè)計(jì)上設(shè)置保護(hù)的保護(hù)方案，雖然起到很好的保護(hù)效果，但不得不提出的是，由于新增了一個(gè)保護(hù)裝置，在使用過(guò)程中需要結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行切換，這就增加了無(wú)用功和降低效率。而通過(guò)研發(fā)新型的工頻變頻自適應(yīng)保護(hù)裝置，不僅不需要進(jìn)行人工切換，更可以自動(dòng)判斷電動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行模式，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，主動(dòng)變換。而研發(fā)新型的工頻變頻自適應(yīng)保護(hù)裝置，可以從以下幾個(gè)方面入手。

（1）更換綜合保護(hù)裝置硬件，采用多任務(wù)操作系統(tǒng)。通過(guò)采用新型的高數(shù)位硬件平臺(tái)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信息進(jìn)行同時(shí)處理。應(yīng)用分辨率較高的A/D轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息的高速采集和計(jì)算，讓綜合保護(hù)裝置具備自適應(yīng)運(yùn)算能力。

（2）集合保護(hù)裝置功能。當(dāng)前電動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的綜合保護(hù)由于變頻機(jī)的使用導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)無(wú)法正常發(fā)揮作用，而變頻機(jī)自帶的保護(hù)方案又無(wú)法保護(hù)整個(gè)線路，在此基礎(chǔ)上，可以將當(dāng)前變頻機(jī)現(xiàn)有的速斷保護(hù)、電動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的差動(dòng)保護(hù)及磁平衡零序電流三種保護(hù)裝備的功能進(jìn)行集合，研發(fā)新型的綜合自適應(yīng)保護(hù)裝置，整合三種保護(hù)功能。

4.結(jié)語(yǔ)

大容量高壓電動(dòng)機(jī)使用變頻器后出現(xiàn)繼電保護(hù)問(wèn)題根源在于變頻器使電動(dòng)機(jī)前后電源不同。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)原有的綜合保護(hù)裝置無(wú)法啟用。因而在解決由繼電保護(hù)問(wèn)題中，可以從改變電動(dòng)機(jī)的整體回路設(shè)計(jì)和研發(fā)自適應(yīng)工頻變頻保護(hù)裝置入手。文中主要介紹了兩種整體回路設(shè)計(jì)保護(hù)方案和兩種研發(fā)工頻變頻自適應(yīng)保護(hù)裝置的方法，通過(guò)這些方案和方法，可以使電動(dòng)機(jī)和變頻機(jī)的整個(gè)回路范圍受到保護(hù)，在發(fā)揮變頻器自帶保護(hù)方案的同時(shí)，又可以啟用電動(dòng)機(jī)原有的綜合保護(hù)方案，在實(shí)現(xiàn)變頻機(jī)的節(jié)能省電作用下，更可以反饋電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的突發(fā)故障。

[1]唐紅鍵,譚茂強(qiáng)．大容量高壓電動(dòng)機(jī)變頻器繼電保護(hù)對(duì)策探討[J]．電力建設(shè),2010(5)81-85．

段志杰（1978－），男，遼寧阜新人，工程師，在職研究生，繼電保護(hù)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

于霽（1977－），男，遼寧昌圖人，電氣工程師，大學(xué)學(xué)歷，研究方向：電氣工程，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，繼電保護(hù)。