高壓變頻器在電動(dòng)機繼電保護中的運用論文
摘 要：電動(dòng)機的傳統保護方式已經(jīng)不能在適應現代電動(dòng)機繼電保護的需求，針對這個(gè)問(wèn)題，本文主要對高壓變頻器簡(jiǎn)介、傳統電動(dòng)機保護配置與變頻器電動(dòng)機保護配置、高壓變頻器在電動(dòng)機繼電保護中運用時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題、變頻差動(dòng)保護原理以及變頻器電動(dòng)機差動(dòng)保護進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；電動(dòng)機；繼電保護
1.高壓變頻器簡(jiǎn)介
高壓變頻器的基本組成如圖1所示。高壓變頻器的種類(lèi)很多，其主要包括直接變頻器（循環(huán)變頻器）和間接變頻器（脈沖調制型、負載換流型、中點(diǎn)鉗位型、飛跨電容型、H橋級聯(lián)型）。
2.傳統電動(dòng)機保護配置與變頻器電動(dòng)機保護配置
2.1傳統電動(dòng)機保護配置
異步電動(dòng)機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；不正常運行狀態(tài)主要有過(guò)負荷、堵轉、起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)、三相供電不平衡或斷相運行、電壓異常等。因此，對于高壓電動(dòng)機，根據規程以差動(dòng)保護或電流速斷為主保護，以過(guò)負荷保護、過(guò)流保護、負序保護、零序保護及低電壓保護等作為后備保護。
2.2變頻器電動(dòng)機保護配置
為了確保系統的可靠性，工頻旁路一般都是用變頻器來(lái)進(jìn)行，這樣也使電動(dòng)機能夠正常工作。如圖3所示，在保證變頻器檢修時(shí)，開(kāi)關(guān)K1、K2與主回路沒(méi)有接觸點(diǎn)，此時(shí)閉合開(kāi)關(guān)K，電動(dòng)機運行主要是通過(guò)旁路來(lái)進(jìn)行。當按照此情況運行時(shí)，電動(dòng)機由高壓母線(xiàn)工頻電壓直接驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)出線(xiàn)以及電動(dòng)機本體就是進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)QF處保護裝置的保護對象。因此，電動(dòng)機保護配置就需要根據常規電動(dòng)機保護的要求進(jìn)行，對于有差動(dòng)保護要求的，需要增加電動(dòng)機差動(dòng)保護裝置。當斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K3時(shí)，由變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，開(kāi)關(guān)出線(xiàn)以及變頻器就是進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)QF處保護裝置的保護對象。目前，由整流變壓器等部分構成的變頻器是發(fā)電廠(chǎng)比較常用的，也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)出線(xiàn)以及整流變壓器是進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)QF處保護裝置的保護對象。此時(shí)電動(dòng)機的負荷與母線(xiàn)隔離后高壓變頻器的負荷相同，因此，高壓變頻系統的控制器能夠實(shí)現電動(dòng)機的保護。當然也有些電動(dòng)機無(wú)法實(shí)現差動(dòng)保護，因為開(kāi)關(guān)處電流與電動(dòng)國際中性側電流頻率不同，此時(shí)步伐實(shí)現保護，只能選擇退出。
目前變頻器電動(dòng)機保護配置方式主要存在兩個(gè)問(wèn)題：(1)對于2000kW以上的電動(dòng)機，需要配置差動(dòng)保護。因此，在變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機情況下，電動(dòng)機差動(dòng)保護退出，保護的可靠性受到影響。(2)任意時(shí)刻，變壓器保護裝置、電動(dòng)機保護裝置只有一臺投入使用，降低了裝置的使用效率。
3.高壓變頻器在電動(dòng)機繼電保護中運用時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題
一般而言，高壓異步電動(dòng)機應裝設縱聯(lián)差動(dòng)保護。對6.3MVA及以上的變壓器應裝設本保護，用于保護繞組內及引出線(xiàn)上的相間短路故障；保護裝置宜采用三相三繼電器式接線(xiàn)，瞬時(shí)動(dòng)作于變壓器各側斷路器跳閘，當變壓器高壓側無(wú)斷路器時(shí)，則應動(dòng)作于發(fā)電機變壓器組總出口繼電器，使各側斷路器及滅磁開(kāi)關(guān)跳閘。對2MVA及以上采用電流速斷保護靈敏性不符合要求的變壓器也應裝設本保護。
目前而言，工變頻互動(dòng)方式是現場(chǎng)電動(dòng)機加裝變頻器所采用的主要改造方式，其系統架構如圖2所示。
變頻器可以通過(guò)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，但是條件是當變頻器出現故障或者工況要求進(jìn)入工頻供電；在工頻運行時(shí)，如果變頻運行需要重新投入進(jìn)行，那么工頻與變頻狀態(tài)的切換就可以通過(guò)自動(dòng)或者手動(dòng)完成。
當電動(dòng)機處于工頻運行工況時(shí)，那么對于現場(chǎng)使用要求，常規電動(dòng)機保護對此要求是能夠滿(mǎn)足的；當電動(dòng)機處于變頻運行工況時(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，如果其保護配置還是按照原來(lái)的方法進(jìn)行，那么要想實(shí)現保護功能就受到了阻礙。因此，在具有高壓變頻器的電動(dòng)機中，只需對電動(dòng)機進(jìn)行單獨保護就行，不應將變頻器納入差動(dòng)保護的范圍。差動(dòng)保護范圍為：始端電流互感器應置于變頻器的輸出端，而非電源開(kāi)關(guān)側，末端電流互感器置于電動(dòng)機的中性點(diǎn)側。
電動(dòng)機在變頻運行工況時(shí)，變頻器輸出頻率范圍一般可以達到0.5~120Hz，現場(chǎng)實(shí)際調頻運行范圍一般在15~50Hz。而目前常用的.微機保護裝置均是根據行業(yè)標準設計的，即采用固定頻率50Hz進(jìn)行數字采樣計算，如何讓微機保護裝置能夠適用于大范圍頻率運行是變頻電動(dòng)機保護必須解決的問(wèn)題。同時(shí)，考慮到在變頻器電源輸出側不方便裝VT，如何實(shí)時(shí)測量電動(dòng)機運行頻率也是需要解決的難題。
4變頻差動(dòng)保護原理
裝置的寬頻率運行采用實(shí)時(shí)頻率測量、實(shí)時(shí)頻率跟蹤、實(shí)時(shí)電流互感器補償的方式來(lái)實(shí)現引風(fēng)機變頻工況的差動(dòng)保護。裝置采用了電壓和電流相結合的測頻模式，當電壓不能接在裝置外回路時(shí)，此時(shí)采用電流測頻。同時(shí)軟件過(guò)零點(diǎn)測頻算法和實(shí)時(shí)頻率跟蹤相結合是裝置的頻率測量的采用的主要方法，并且在此基礎上，采用了幅值自動(dòng)補充功能，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。
5．變頻器電動(dòng)機差動(dòng)保護
高壓變頻器在電動(dòng)機中的運用，在此情況下，如圖3所示，由于電動(dòng)機機端CT1與CT3兩處的電流頻率不同，而導致傳統的電動(dòng)機差動(dòng)保護無(wú)法使用。目前磁平衡差動(dòng)保護的應用主要存在以下問(wèn)題：（1）目前發(fā)電廠(chǎng)使用的電動(dòng)機基本上都無(wú)法提供磁平衡差動(dòng)所需要的中性側電纜引出。(2)磁平衡差動(dòng)的電流是在變頻器下方，非工頻電流。對于微機保護，按照工頻50Hz整定的定值不適用于非工頻情況。由于差動(dòng)保護的兩側電流必須為同一頻率下電流�？煽紤]在變頻器下方、電動(dòng)機上方加裝一組CT，即CT2，此組CT可安裝于變頻器柜中，由CT2和CT3兩組電流構成差動(dòng)保護。常規差動(dòng)保護為相量差動(dòng)，其原理是用傅里葉算法，根據一個(gè)周波的采樣點(diǎn)計算出流入和流出電流的實(shí)虛部，再計算出差動(dòng)和制動(dòng)電流的幅值、相位后用相量比較的方式構成判據。由于電流非50 Hz工頻，因此在進(jìn)行傅里葉計算時(shí)需要通過(guò)頻率跟蹤保證計算結果的正確。由于變頻器下方無(wú)電壓引入，因此通過(guò)常規的電壓跟蹤頻率方式無(wú)法實(shí)現。有廠(chǎng)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，容易引起保護的誤動(dòng)、拒動(dòng)，在實(shí)際中并不采用。
對于差動(dòng)保護中采用的采樣值差動(dòng)，微機保護中所有通道采樣均為電流在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值:當被保護設備沒(méi)有橫向內部故障時(shí)，各采樣電流值之和為零；當發(fā)生內部故障時(shí)，各采樣電流值之和不為零。采樣值差動(dòng)保護就是利用采樣值電流之和按一定的動(dòng)作判據構成。
與常規相量差動(dòng)保護相比，采樣值差動(dòng)具有動(dòng)作速度快、計算量少等特點(diǎn)，是微機差動(dòng)保護領(lǐng)域的一個(gè)突破，己應用于母差、變壓器等保護中。采樣值差動(dòng)不涉及傅氏計算，變頻器所帶來(lái)的諧波也不會(huì )影響其計算精度，因此，對工作于25~50Hz的高壓變頻電動(dòng)機，其差動(dòng)保護可以利用該算法實(shí)現。
總而言之，就目前高壓變頻器在電動(dòng)機繼電保護中的運用而言，實(shí)現差動(dòng)保護主要采用值差動(dòng)保算法來(lái)進(jìn)行，可以最終使用一臺裝置來(lái)實(shí)現變壓器與電動(dòng)機保護裝置的功能，這樣不僅使高壓變頻器在電動(dòng)機繼電保護中實(shí)現了相應的功能，而且也使成本節省了很多。
參考文獻：
1. Science and Technology Information, 2011, (16)
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