高壓變頻器在電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)中的運(yùn)用論文
摘 要：電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)保護(hù)方式已經(jīng)不能在適應(yīng)現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)的需求，針對(duì)這個(gè)問題，本文主要對(duì)高壓變頻器簡介、傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置與變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置、高壓變頻器在電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)中運(yùn)用時(shí)產(chǎn)生的問題、變頻差動(dòng)保護(hù)原理以及變頻器電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；電動(dòng)機(jī)；繼電保護(hù)
1.高壓變頻器簡介
高壓變頻器的基本組成如圖1所示。高壓變頻器的種類很多，其主要包括直接變頻器（循環(huán)變頻器）和間接變頻器（脈沖調(diào)制型、負(fù)載換流型、中點(diǎn)鉗位型、飛跨電容型、H橋級(jí)聯(lián)型）。
2.傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置與變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置
2.1傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置
異步電動(dòng)機(jī)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(yùn)行狀態(tài)主要有過負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)時(shí)間過長、三相供電不平衡或斷相運(yùn)行、電壓異常等。因此，對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)，根據(jù)規(guī)程以差動(dòng)保護(hù)或電流速斷為主保護(hù)，以過負(fù)荷保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、零序保護(hù)及低電壓保護(hù)等作為后備保護(hù)。
2.2變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置
為了確保系統(tǒng)的可靠性，工頻旁路一般都是用變頻器來進(jìn)行，這樣也使電動(dòng)機(jī)能夠正常工作。如圖3所示，在保證變頻器檢修時(shí)，開關(guān)K1、K2與主回路沒有接觸點(diǎn)，此時(shí)閉合開關(guān)K，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行主要是通過旁路來進(jìn)行。當(dāng)按照此情況運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)由高壓母線工頻電壓直接驅(qū)動(dòng)，開關(guān)出線以及電動(dòng)機(jī)本體就是進(jìn)線開關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對(duì)象。因此，電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置就需要根據(jù)常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求進(jìn)行，對(duì)于有差動(dòng)保護(hù)要求的，需要增加電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置。當(dāng)斷開開關(guān)K3時(shí)，由變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，開關(guān)出線以及變頻器就是進(jìn)線開關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對(duì)象。目前，由整流變壓器等部分構(gòu)成的變頻器是發(fā)電廠比較常用的，也就是說，開關(guān)出線以及整流變壓器是進(jìn)線開關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對(duì)象。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷與母線隔離后高壓變頻器的負(fù)荷相同，因此，高壓變頻系統(tǒng)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。當(dāng)然也有些電動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)，因?yàn)殚_關(guān)處電流與電動(dòng)國際中性側(cè)電流頻率不同，此時(shí)步伐實(shí)現(xiàn)保護(hù)，只能選擇退出。
目前變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置方式主要存在兩個(gè)問題：(1)對(duì)于2000kW以上的電動(dòng)機(jī)，需要配置差動(dòng)保護(hù)。因此，在變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)情況下，電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)退出，保護(hù)的可靠性受到影響。(2)任意時(shí)刻，變壓器保護(hù)裝置、電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置只有一臺(tái)投入使用，降低了裝置的使用效率。
3.高壓變頻器在電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)中運(yùn)用時(shí)產(chǎn)生的問題
一般而言，高壓異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。對(duì)6.3MVA及以上的變壓器應(yīng)裝設(shè)本保護(hù)，用于保護(hù)繞組內(nèi)及引出線上的相間短路故障；保護(hù)裝置宜采用三相三繼電器式接線，瞬時(shí)動(dòng)作于變壓器各側(cè)斷路器跳閘，當(dāng)變壓器高壓側(cè)無斷路器時(shí)，則應(yīng)動(dòng)作于發(fā)電機(jī)變壓器組總出口繼電器，使各側(cè)斷路器及滅磁開關(guān)跳閘。對(duì)2MVA及以上采用電流速斷保護(hù)靈敏性不符合要求的變壓器也應(yīng)裝設(shè)本保護(hù)。
目前而言，工變頻互動(dòng)方式是現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)加裝變頻器所采用的主要改造方式，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
變頻器可以通過可編程邏輯控制器自動(dòng)完成或者手動(dòng)完成變頻與工頻之間的切換，但是條件是當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者工況要求進(jìn)入工頻供電；在工頻運(yùn)行時(shí)，如果變頻運(yùn)行需要重新投入進(jìn)行，那么工頻與變頻狀態(tài)的切換就可以通過自動(dòng)或者手動(dòng)完成。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于工頻運(yùn)行工況時(shí)，那么對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用要求，常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)對(duì)此要求是能夠滿足的；當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于變頻運(yùn)行工況時(shí)，由于變頻器裝置的加入，在頻率、相位上，變頻器的輸入和輸出電流之間的關(guān)系不大，如果其保護(hù)配置還是按照原來的方法進(jìn)行，那么要想實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能就受到了阻礙。因此，在具有高壓變頻器的電動(dòng)機(jī)中，只需對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)就行，不應(yīng)將變頻器納入差動(dòng)保護(hù)的范圍。差動(dòng)保護(hù)范圍為：始端電流互感器應(yīng)置于變頻器的輸出端，而非電源開關(guān)側(cè)，末端電流互感器置于電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)側(cè)。
電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行工況時(shí)，變頻器輸出頻率范圍一般可以達(dá)到0.5~120Hz，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)頻運(yùn)行范圍一般在15~50Hz。而目前常用的.微機(jī)保護(hù)裝置均是根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，即采用固定頻率50Hz進(jìn)行數(shù)字采樣計(jì)算，如何讓微機(jī)保護(hù)裝置能夠適用于大范圍頻率運(yùn)行是變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)必須解決的問題。同時(shí)，考慮到在變頻器電源輸出側(cè)不方便裝VT，如何實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率也是需要解決的難題。
4變頻差動(dòng)保護(hù)原理
裝置的寬頻率運(yùn)行采用實(shí)時(shí)頻率測(cè)量、實(shí)時(shí)頻率跟蹤、實(shí)時(shí)電流互感器補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)變頻工況的差動(dòng)保護(hù)。裝置采用了電壓和電流相結(jié)合的測(cè)頻模式，當(dāng)電壓不能接在裝置外回路時(shí)，此時(shí)采用電流測(cè)頻。同時(shí)軟件過零點(diǎn)測(cè)頻算法和實(shí)時(shí)頻率跟蹤相結(jié)合是裝置的頻率測(cè)量的采用的主要方法，并且在此基礎(chǔ)上，采用了幅值自動(dòng)補(bǔ)充功能，主要是考慮到了不同頻率下幅頻特性的不一致，從而在不同范圍內(nèi)使裝置具有可靠的采樣精度得以保證，裝置的正確可靠動(dòng)作也得到了進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)。
5．變頻器電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)
高壓變頻器在電動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用，在此情況下，如圖3所示，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)端CT1與CT3兩處的電流頻率不同，而導(dǎo)致傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)無法使用。目前磁平衡差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用主要存在以下問題：（1）目前發(fā)電廠使用的電動(dòng)機(jī)基本上都無法提供磁平衡差動(dòng)所需要的中性側(cè)電纜引出。(2)磁平衡差動(dòng)的電流是在變頻器下方，非工頻電流。對(duì)于微機(jī)保護(hù)，按照工頻50Hz整定的定值不適用于非工頻情況。由于差動(dòng)保護(hù)的兩側(cè)電流必須為同一頻率下電流。可考慮在變頻器下方、電動(dòng)機(jī)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(dòng)保護(hù)。常規(guī)差動(dòng)保護(hù)為相量差動(dòng)，其原理是用傅里葉算法，根據(jù)一個(gè)周波的采樣點(diǎn)計(jì)算出流入和流出電流的實(shí)虛部，再計(jì)算出差動(dòng)和制動(dòng)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(jìn)行傅里葉計(jì)算時(shí)需要通過頻率跟蹤保證計(jì)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(shí)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(hù)的誤動(dòng)、拒動(dòng)，在實(shí)際中并不采用。
對(duì)于差動(dòng)保護(hù)中采用的采樣值差動(dòng)，微機(jī)保護(hù)中所有通道采樣均為電流在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值:當(dāng)被保護(hù)設(shè)備沒有橫向內(nèi)部故障時(shí)，各采樣電流值之和為零；當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，各采樣電流值之和不為零。采樣值差動(dòng)保護(hù)就是利用采樣值電流之和按一定的動(dòng)作判據(jù)構(gòu)成。
與常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)相比，采樣值差動(dòng)具有動(dòng)作速度快、計(jì)算量少等特點(diǎn)，是微機(jī)差動(dòng)保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)突破，己應(yīng)用于母差、變壓器等保護(hù)中。采樣值差動(dòng)不涉及傅氏計(jì)算，變頻器所帶來的諧波也不會(huì)影響其計(jì)算精度，因此，對(duì)工作于25~50Hz的高壓變頻電動(dòng)機(jī)，其差動(dòng)保護(hù)可以利用該算法實(shí)現(xiàn)。
總而言之，就目前高壓變頻器在電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)中的運(yùn)用而言，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)主要采用值差動(dòng)保算法來進(jìn)行，可以最終使用一臺(tái)裝置來實(shí)現(xiàn)變壓器與電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的功能，這樣不僅使高壓變頻器在電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)中實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，而且也使成本節(jié)省了很多。
參考文獻(xiàn)：
1. Science and Technology Information, 2011, (16)
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