中壓電動機帶旁路變頻系統(tǒng)改造設(shè)計探討

何勖

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

近年來在石化行業(yè)中，隨著企業(yè)節(jié)能或者對生產(chǎn)流程精密控制的需要，針對已投入運行的中壓電動機的變頻改造項目在逐漸增多。由于變頻改造已經(jīng)有一套非常成熟的理論依據(jù)[1]，也有大量項目成功投入運行的經(jīng)驗，針對在定速運行的電動機系統(tǒng)中增加變頻器這個改造過程中具體的技術(shù)細節(jié)未引起業(yè)界的重視。

然而在近期完成的一個項目中，作者感受到由于改造項目存在各種條件限制的特殊性，對中壓電動機進行變頻改造在具體設(shè)計的過程中實際上會遇到了不少的難點，特別是在變頻系統(tǒng)需要單獨設(shè)計旁路柜時，整套電動機驅(qū)動系統(tǒng)的控制邏輯，保護參數(shù)的設(shè)定等的修改，對設(shè)計人員來講也存在著一定的挑戰(zhàn)。作者希望通過對本改造項目中遇到的問題進行討論，為其他類似項目提供一些設(shè)計借鑒。本文僅涉及電氣系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，新增設(shè)備的布置，電纜敷設(shè)等問題由于有國家標準[2-3]的明確規(guī)定且每個項目的條件不同不存在普遍性，在本文中不作說明。

1 項目簡介

某石化企業(yè)原有2 臺6 kV 循環(huán)水泵電動機，功率900 kW，由中壓柜直接供電，直接啟停，所有的保護及控制功能均裝配在中壓柜內(nèi)。出于響應(yīng)國家節(jié)能要求以及節(jié)約企業(yè)運行成本的考慮，擬增加2 套中壓變頻系統(tǒng)分別對2 臺電動機進行改造。

出于保障整個企業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，防止變頻器故障可能給生產(chǎn)帶來損失，該企業(yè)希望在變頻器系統(tǒng)中增加額外的旁路柜，使企業(yè)在變頻器故障時，可將設(shè)備投入旁路運行，保證不影響生產(chǎn)。旁路柜本體及旁路柜與中壓柜、變頻器之間的系統(tǒng)匹配設(shè)計要求由設(shè)計方完成。

由于該石化企業(yè)已建成且投產(chǎn)較長時間，變電所內(nèi)經(jīng)過之前的多次改造剩余空間僅能滿足變頻器系統(tǒng)及旁路柜的安裝需要，故將不再增加額外的6kV開關(guān)柜，需利用原來為2 臺循環(huán)水泵供電的2 臺開關(guān)柜作為本項目的配電設(shè)備。

2 中壓變頻器的配置

2.1 變頻器的選型

在節(jié)能改造項目中，選用的變頻器需能與現(xiàn)存的電動機相匹配，在確定變頻器參數(shù)前應(yīng)先了解電動機的功率，實際負載特性等，同時現(xiàn)有電動機改造之前一般為定速運行的普通電動機而非適用于變頻調(diào)速環(huán)境的變頻電動機，這對于變頻器輸出電源波形的連續(xù)性有更嚴格的要求[4]。

2.2 變頻器的保護配置

當(dāng)中壓電動機由變頻器驅(qū)動時，電動機的保護主要集成在中壓變頻器中，由變頻器完成對本身各單元及電動機的保護。

本項目要求變頻調(diào)速裝置應(yīng)設(shè)以下保護[5]：電動機過載保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、過熱保護、短路保護、缺相保護、超頻保護、單相接地保護、失速保護、變頻器過載保護、變壓器溫度保護、瞬時停電保護等，并能聯(lián)跳輸入側(cè)電源開關(guān)。保護的性能符合國家有關(guān)標準的規(guī)定[5]。

3 變頻節(jié)能改造設(shè)計

本節(jié)將著重討論帶旁路柜變頻系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 帶旁路的電動機變頻改造示意圖Fig.1 Sketch drawing of motor frequency conversion revolution with bypass

在本例中新增加的旁路柜采用手動切換方式，由3 個高壓隔離開關(guān)K1、K2 和K3 組成，如圖1所示。要求K2 和K3 不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，K1 和K3 閉合，K2 斷開；工頻運行時，K2 閉合，K1 和K3 斷開。

在以往的中壓電動機節(jié)能改造設(shè)計中，由于存在不同的運行工況：

（1）帶變頻器運行時（以下簡稱為“變頻工況”），中壓柜作為變頻器系統(tǒng)的電源，僅提供對供電線路的保護。

（2）旁路運行時期（以下簡稱為“工頻工況”），中壓柜直接為電動機供電，除線路外還需要提供對電動機的保護。

在常規(guī)情況下，設(shè)計方會要求業(yè)主提供兩臺中壓柜分別作為兩種工況下的電源并分別提供兩種工況下的保護。然而如本文第1 節(jié)所述，由于本項目不再額外增加中壓柜，需要使用原來為該臺循環(huán)水泵供電的中壓柜來滿足如前文所述的兩種不同工況下配電及保護設(shè)計，使得本項目存在額外的設(shè)計難點，具體可分為兩部分：系統(tǒng)控制邏輯與中壓柜保護參數(shù)的設(shè)定。本節(jié)將對這兩部分內(nèi)容分別進行描述。

3.1 帶旁路柜變頻系統(tǒng)的控制邏輯

3.1.1 中壓電動機啟停控制

根據(jù)本裝置的工藝控制要求，該臺循環(huán)水泵具備就地/遠程啟停功能，需要分別接受來自現(xiàn)場操作柱及儀表DCS 的啟/停控制信號。

在節(jié)能改造之前，由于是中壓柜直接控制電動機，只需將該兩組啟/停控制信號分別接入中壓柜的分/合閘線圈（其中接入合閘線圈的兩組“啟動”信號需要通過就地/遠程選擇開關(guān)做一次判斷），便可滿足啟停邏輯控制要求。

而當(dāng)原有回路中增加了變頻器及旁路柜后，由于存在兩種不同的工況，控制邏輯也根據(jù)工況有不同的要求：

（1）工頻工況下，來自現(xiàn)場操作柱及儀表DCS的電動機啟/?？刂菩盘栕罱K動作于中壓柜分/合閘線圈

（2）變頻工況下，來自現(xiàn)場操作柱及儀表DCS的電動機啟/?？刂菩盘栕罱K動作于變頻器的電動機啟/?？刂苹芈?；同時，由于未經(jīng)準備直接帶電/斷電會影響變頻器使用壽命，變頻器廠家要求在變頻工況下，上游斷路器（即中壓柜斷路器）的分/合閘需由變頻器控制，因此該工況下還有一組斷路器分/合閘命令（以下簡稱為“MCB 分/合閘”）需要送往中壓柜分/合閘線圈。

根據(jù)以上控制要求，綜合考慮兩種不同工況，整套啟?？刂七壿嬃鞒虉D如圖2所示。

圖2 帶旁路柜變頻系統(tǒng)啟停邏輯Fig.2 Start/ Stop logic diagram of frequency conversion system with bypass

由于變頻器為廠家的標準化設(shè)計產(chǎn)品，本套邏輯主要由旁路柜控制回路完成，因此大部分信號會經(jīng)過旁路柜后再發(fā)往系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備。為達到成本套控制邏輯要求，對本套系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備有如下要求：

（1）旁路柜接收來自現(xiàn)場操作柱和DCS 的啟/停電動機命令，并將其整合為一副啟停信號。

（2）旁路柜將啟停信號串聯(lián)旁路柜刀閘開關(guān)狀態(tài)后分別送往中壓柜和變頻器（由前文描述，刀閘開關(guān)設(shè)置了機械互鎖，所以無論何種工況下，都有且只有一副啟停信號能夠正常工作）。

（3）根據(jù)控制邏輯，變頻器還需要接受一組命令用作發(fā)出中壓柜分合閘命令的依據(jù)，在設(shè)計中作者使用了旁路柜刀閘的位置狀態(tài)（變頻器上游刀閘K1）送往變頻器，在K1 閉合時，變頻器結(jié)合自身狀態(tài)命令上級斷路器分/合閘。

（4）中壓柜分/合閘線圈需要分別準備2 組接入點，分別接入工頻工況下的啟/停命令合變頻工況下的分/合閘命令。

3.1.2 其他信號的改造

根據(jù)工藝流程對本臺循環(huán)水泵的控制要求，除了啟?？刂菩盘柾猓九_循環(huán)水泵的控制信號還有：

（1）電動機的狀態(tài)信號（運行及故障），返回給DCS 系統(tǒng)。

（2）電動機三相繞組的溫度信號（RTD），來自電動機上的繞組溫度探頭

在原設(shè)計中，以上信號均接入中壓柜內(nèi)的控制回路，其中繞組溫度信號由微機綜合保護系統(tǒng)采集。

當(dāng)該電動機改造為由變頻器驅(qū)動后，電動機的繞組溫度由接入中壓柜控制回路改為接入中壓變頻器控制回路，而中壓柜內(nèi)運行狀態(tài)信號保留，作為中壓柜本體的狀態(tài)信號返回給控制系統(tǒng)。

變頻器新增的控制信號可分為以下幾類：

（1）干式變壓器保護繼電器的報警及跳閘信號，由變壓器送往變頻器。

（2）變頻器發(fā)出的狀態(tài)信號，如運行、故障、就緒等，由變頻器送往DCS。

（3）變頻器轉(zhuǎn)速設(shè)定設(shè)定信號及轉(zhuǎn)速反饋信號，由DCS 送往變頻器。

3.2 中壓柜繼電保護參數(shù)的確定

根據(jù)上文的描述，在帶旁路功能的中壓變頻系統(tǒng)中，上級中壓柜的斷路器需要考慮工頻及變頻兩種不同工況下的保護，也就是說該斷路器需要同時適用于電動機保護（工頻）和饋線保護（變頻）。

根據(jù)GB/T 50062—2008 《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》[5]，對于電動機保護（工頻），需要配置的保護功能有：過電流保護、電流速斷保護、過負荷保護、單相接地故障保護、低電壓保護。對于饋線保護（變頻），需要配置的保護功能有：過電流保護、電流速斷保護、過負荷保護、單相接地故障保 護。

根據(jù)計算，兩種工況下的保護配置及參數(shù)定值如下[6-7]：

綜合考慮兩種工況下的整定值，確定中壓柜的保護定值。

（A）過電流保護

由于中壓柜工作于變頻工況，斷路器用作變頻系統(tǒng)饋線保護時，系統(tǒng)的最大電流是按照電動機最大電流考慮的，因此其反時限曲線與工頻工況下的反時限曲線相同（工頻工況下，系統(tǒng)的最大電流同樣按照電動機最大電流考慮）。同時由圖3 可知，該反時限曲線能滿足變壓器溫升曲線的要求，因此中壓柜綜保的過電流反時限曲線保持原設(shè)定不變。

圖3 電動機反時限保護曲線Fig.3 Motor inverse time protection curve

表1 不同工況下的保護整定值Tab.1 Protection setting under different working condition

（B）電流速斷保護

兩種工況比較取較大值，即速斷動作電流16 A，動作時間0 s。

該設(shè)定值用于工頻工況下的靈敏度校驗[6]：

滿足靈敏度要求，其中[6]：

Iop保護裝置一次動作電流。

（C）單相接地保護和過負荷保護

這兩項保護在兩種工況下的定值大致相同，因此該兩項保護設(shè)定為：

本項目取單相接地保護動作電流1 A，動作于報警信號；

過負荷保護動作電流取1.3 A，動作時間10 s。

（D）低電壓保護

考慮到該保護在工頻工況下的必要性，決定裝設(shè)，取額定電壓的65%，動作時間0.5s。

4 結(jié)論

本文所闡述的帶旁路變頻系統(tǒng)改造方案總結(jié)如下：

對于啟停控制信號的改造，所有的啟?？刂圃谂月饭駜?nèi)匯總后，分別送往變頻器和中壓柜執(zhí)行啟停電動機動作。在旁路柜內(nèi)利用刀閘的位置狀態(tài)信號，保證分別送往變頻器和中壓柜的啟停信號永遠有且只有一組信號能夠動作。

繼電器保護設(shè)定方面，將同一組保護同時用作變頻系統(tǒng)和電動機系統(tǒng)的。在進行保護功能配置及參數(shù)設(shè)定時需要同時滿足兩種不同工況的要求，并進行相關(guān)校驗保證靈敏度。

當(dāng)變頻系統(tǒng)增加旁路后，無論是在控制方面還是保護方面，其改造的難度都大大增加。希望本文讀者在未來的項目中，如遇到類似的改造時能引起足夠的重視。