高壓電動(dòng)機(jī)變頻差動(dòng)保護(hù)改造

王濟(jì)娟

（大唐琿春發(fā)電廠，吉林 琿春 133303）

為了降低廠用電率，提高節(jié)能水平，火力發(fā)電廠通常采用高壓變頻技術(shù)對一些高壓電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式從機(jī)械節(jié)流改為變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的軟啟動(dòng)。這一措施減少了磨損，降低廠用電率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的；但是，由于變頻器的輸入和輸出電流在相位上沒有必然的聯(lián)系，對電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生了重大影響，因此，研究電廠應(yīng)用高壓變頻器對繼電保護(hù)的影響，尤其是主保護(hù)的影響和解決措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及出現(xiàn)的問題

某電廠高壓增壓風(fēng)機(jī)選用的是YKK1000－14型電動(dòng)機(jī)，其額定容量2 200kW，額定電壓6 000 V，額定電流300A，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速426 r／min，功率因數(shù)0.742。采用MMPR－320Hb－3X型保護(hù)裝置，使風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)速斷、比率差動(dòng)、負(fù)序、堵轉(zhuǎn)、過熱、欠壓、零序保護(hù)。分別在開關(guān)柜側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)安裝了LZZBJ9－10和LZZBJ9－10C2型號電流互感器（TA）實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，TA 變比為500／5，額定輸出15VA。

為了降低廠用電率，提高節(jié)能水平，實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的軟啟動(dòng)，減少磨損，對增壓風(fēng)機(jī)加裝了高壓變頻裝置，實(shí)現(xiàn)了變速調(diào)節(jié)。該變頻裝置是一種“高－高”電壓源型變頻器，高壓直接輸入，高壓直接輸出，無需輸出變壓器。該系列高壓變頻器輸入隔離變壓器采用了移相變壓器，使得輸入波形接近正弦波，對電網(wǎng)諧波污染??；輸出側(cè)通過采用成熟的多重化正弦PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)，輸出為多電平，使得變頻器的輸出電壓波形非常接近正弦波，無需輸出濾波器，可直接接到高壓電機(jī)上。

由于加裝了變頻器，原增壓風(fēng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)TA一組裝在斷路器出線側(cè)，另一組裝在電機(jī)就地中性點(diǎn)側(cè)，而變頻器則是裝在電源斷路器與電機(jī)之間的。在變頻工作狀態(tài)下，斷路器側(cè)TA 是50Hz的電流，而電機(jī)側(cè)TA 則是變頻后的電流，其頻率、大小均不同，此時(shí)如果投入原差動(dòng)保護(hù)，其保護(hù)范圍不僅會(huì)縮小至變頻器前的交流部分，而且原差動(dòng)保護(hù)裝置的差動(dòng)原理只是基于頻率為50 Hz的交流電流基礎(chǔ)上，由于電機(jī)側(cè)的TA 不是恒定50Hz的電流，就會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作跳開電源斷路器，所以此時(shí)一些電廠采用的方法是將差動(dòng)保護(hù)的壓板退出，投入原MMPR－310Hb－3X型保護(hù)裝置的速斷保護(hù)功能，用速斷保護(hù)作為電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)的主保護(hù)，這不符合繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［1］的規(guī)定，而且其靈敏度也不夠。

2 問題分析及解決措施

針對上述問題，某廠在增壓風(fēng)機(jī)變頻改造后，在電源開關(guān)側(cè)保留了改造前的電流互感器，保留了原MMPR－310Hb－3X型保護(hù)裝置，配置了速斷保護(hù)等后備保護(hù)作為電源開關(guān)至變頻器各類故障的保護(hù)，用以實(shí)現(xiàn)6kV 電源側(cè)至其變頻器小間之間設(shè)備和電纜的各種故障保護(hù)。

為了解決高壓電機(jī)變頻改造后無差動(dòng)主保護(hù)的缺陷，在增壓風(fēng)機(jī)變頻器小間安裝了CSC－236D 數(shù)字式變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)工頻和變頻運(yùn)行下的差動(dòng)主保護(hù)功能。該保護(hù)裝置采用了與頻率無關(guān)的HHT（希爾伯特－黃變換）的相量計(jì)算方法，獲得非平穩(wěn)信號的各個(gè)頻率分量的幅值和相位信息?？紤]變頻電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，選取其中能量最大的頻率成分作為信號的主頻率分量進(jìn)行相量計(jì)算。為了保證電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏動(dòng)作，同時(shí)防止外部故障時(shí)及電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)暫態(tài)不平衡電流引起的誤動(dòng)，采用了三段式比率差動(dòng)原理以及能適用變頻啟動(dòng)和工頻啟動(dòng)兩種不同的啟動(dòng)方式。當(dāng)電動(dòng)機(jī)變頻啟動(dòng)時(shí)，對應(yīng)的有變頻相量差動(dòng)和采樣值差動(dòng)；當(dāng)變頻器異常，電動(dòng)機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，提供差動(dòng)速斷和考慮電動(dòng)機(jī)長啟動(dòng)的比率差動(dòng)保護(hù)以及二次諧波閉鎖、TA 斷線及差流越限檢測和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程判別功能，實(shí)現(xiàn)了5～65Hz寬頻帶及低頻率范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)各種故障的保護(hù)作用。

同時(shí)，在變頻器輸出側(cè)和電機(jī)側(cè)各配置了針對CSC－236D保護(hù)裝置專門研發(fā)設(shè)計(jì)的適用于變頻電動(dòng)機(jī)寬頻率范圍都有良好線性度的5P20 級的LRDDBB－6／60型TA，其變比為600／1，額定輸出為15VA。此互感器在低頻5 Hz不飽和，在低頻1 Hz下達(dá)到10倍額定電流才開始飽和，滿足10%誤差曲線，在5Hz頻率的額定電流情況下的誤差不超過5%，完全滿足變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)的需要。

3 改造效果

根據(jù)以上配置，用微機(jī)保護(hù)測試儀對CSC－236D數(shù)字式變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置分別進(jìn)行了模擬工頻和變頻狀態(tài)下的差動(dòng)檢驗(yàn)。差動(dòng)保護(hù)定值為：Icd＝0.25 A，Ir1＝0.5A，K1＝0.2，K2＝0.5，對裝置進(jìn)行了差動(dòng)保護(hù)不同頻率下的試驗(yàn)，其結(jié)果見表1。

表1 CSC－236D保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可見，該保護(hù)裝置在不同頻率下，差動(dòng)保護(hù)均能作為電機(jī)的主保護(hù)，保護(hù)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，現(xiàn)場試驗(yàn)人員用OMICRON 型TA 測試儀分別檢測了電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)和變頻器輸出側(cè)安裝的TA 頻率為16Hz電流互感器特性，其檢測數(shù)據(jù)最低值見表2，電流互感器10%誤差數(shù)據(jù)見表3。

表2 電流互感器檢測數(shù)據(jù)

表3 電流互感器10%誤差數(shù)據(jù) Ω

按照6kV 短路電流為10.636 4kA、變比600計(jì)算，其電流倍數(shù)M＝17.727，在此倍數(shù)下，其負(fù)載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的二次負(fù)載值，可見電流互感器10%特性完全滿足要求。

在保護(hù)裝置改造后，電機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，針對電機(jī)運(yùn)行不同頻率下的工況，進(jìn)行了差流測試工作，測試結(jié)果合格。測試數(shù)據(jù)見表4。

某廠在對6kV 增壓風(fēng)機(jī)的變頻改造后，經(jīng)過一年多的時(shí)間驗(yàn)證，電機(jī)大多數(shù)情況都運(yùn)行在頻率為27Hz左右，大大降低了廠用電率，而且在應(yīng)用CSC－236D電動(dòng)機(jī)變頻差動(dòng)保護(hù)裝置和5P20級的LRDDBB－6／60型電流互感器、配置電機(jī)變頻運(yùn)行下的差動(dòng)主保護(hù)后，保證了電機(jī)無論在工頻運(yùn)行還是變頻運(yùn)行，保護(hù)配置均滿足了繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［1］的相關(guān)規(guī)定，保證了電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

表4 差動(dòng)及制動(dòng)電流測試數(shù)據(jù)

［1］GB／T 14285—2006，繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［S］.