“高—高”模式變頻器系統的保護配置方案

王培軍，于 青，裴善鵬

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著科技技術的進步，大功率的電子器件逐漸的走進了我們的生活，不但改變了我們某些生活方式，也為社會的發展帶來了革新式的發展。隨著能源問題的凸顯，大功率電子器件給社會帶來的節能效益也日益凸顯。 高壓變頻器的巨大節能效益以及方便的操作使用，使其開始廣泛應用。 目前針對高壓變頻器帶來的節能效益分析的文章很多［1-5］，但是對于其使用的合理配置保護的文章相對較少，而且很多文章只是提出了配置方案［6-8］，但對于真正可以在設計中直接使用的方案談及很少。 從火電廠設計角度，對變頻器系統進行分析，針對不同的接線方式及其負荷給出相應的保護配置方案；針對其他的保護問題，提出相應的保護措施。

1 高壓變頻器系統

高壓變頻器技術集成度高，投資大，只能在大容量的電氣系統中使用，在節能過程中逐漸收回成本。 因此，從經濟角度講，在火電廠中的一次風機、凝結水泵、熱網循環水泵等輔機使用高壓變頻器系統的合理性更大。

大功率的電機電壓等級較高，而現有的功率元件耐用水平有限。 因此針對大功率的異步電動機，現有的變頻器系統有兩種調速方式：“高—高”，“高—低—高”。 “高—低—高”模式中，采用兩級變壓的方式，先降壓，經過低壓變頻，再升壓，雖然對電子器件的要求減低，低壓變頻技術成熟，但是兩級變壓的處理，效率較低；此模式需要兩級的變壓器，因此占地面積較大。 總體的優勢不明顯。 “高—高”模式，采用多個功率單元模塊串聯，直接高壓變頻轉換。 這種方式節省了升壓、降壓變的投資及其帶來的損耗，提高了效率。 采用高壓變頻器的大容量電動機系統一般都采用“高—高”模式。 本文將對“高—高”模式系統進行保護方案討論。

因為元件串聯存在均壓問題，因此“高—高”模式一般采用功率單元模塊的形式，此種拓撲結構可以避免均壓問題，每個功率模塊不必承受高壓，功率模塊的單元化，也大大的減小了系統的復雜性，如圖1所示。 此種類型的變頻器主要包括：移相變壓器和單元功率模塊兩大部分組成。

圖1 “高—高”模式功率單元串聯變頻器示意圖

為了達到高壓輸出要求，移相變壓器一般采用15或18個副邊，每邊由5個或者6個串聯的變頻模塊組成，每個變壓器的副邊給一個模塊供電。

采用高壓變頻器的系統，一般都是容量較大、負荷比較重要、長時間運行的設備。 而變頻器設備不可避免的會有損壞或者檢修，因此旁路系統的設計非常重要。 目前常用的旁路接線系統“有一拖一”，“一拖二”兩回路，“一拖二”三回路的接線方式，圖2、圖3、圖4所示。

2 配置保護方案

通過分析“高—高”模式變頻器系統，可知對于此系統的保護主要集中在三部分上：移相變壓器，功率元件，電動機。 由于采用變頻器的系統，差動保護有其特殊性，因此根據DL/T 5153/2002《火力發電廠廠用電設計技術規定》9.6.1條之內容，在設計過程中通常將變頻器系統的保護分為兩大類：負荷小于2000kW和負荷大于等于2000kW。

2.1 負荷小于2 000 kW

圖2 “一拖一”示意圖

圖3 “一拖二”兩回路示意圖

《力發電廠廠用電設計技術規定》中對于低于2 000 kW的負荷回路沒有差動保護的要求。 因此，對于此類變頻器系統保護配置如下考慮：

1）移相變壓器。 一般的變壓器保護需要配置過流保護、過流速斷保護、過載保護、接地（零序）保護、過熱保護等。 因為移相變壓器有多個副邊，某一副邊短路時其短路電流不足以影響整個變壓器，但是此問題可以在功率模塊中反映出來，因此可以不配置過流保護。 對于過載保護，如果電動機配置了過載保護，就可以不配置變壓器的過載保護，簡化保護配置。

圖4 一拖二三回路

2）功率模塊。 功率模塊主要考慮過電壓保護，欠電壓保護，IGBT驅動保護等。

3）電動機。 對于電動機的保護，主要分供電系統保護和電動機自身保護兩方面。 對供電系統保護主要考慮低電壓保護、斷相或三相不平衡保護。 電動機自身保護主要考慮相間短路保護、過電流保護、零序電流保護、過負荷保護、軸承保護等。

在設計過程中，對于移相變壓器和功率模塊的保護可以要求變頻器廠家提供配置，且一般廠家都配置這部分保護。 設計院主要針對電動機配置相關的保護，電動機的相間短路保護主要配置電流速斷保護的方式，速斷保護的整定電流值要躲過電動機的啟動電流。

對于三種接線方式的保護，變頻系統進線開關（如圖2中QF，圖3中QF1、QF2）安裝進線開關及其電動機保護。 對于“一拖二”三回路接線方式變頻器開關（圖4中QF），因為QF始終接的是移相變，故應裝設變壓器保護。 對于“一拖二”兩回路接線方式，電動機保護在電動機工頻運行時投入，變頻運行時仍然運行作為變壓器保護的后備保護。 對于其旁路系統進線開關 （如圖4中QF11、QF12）安裝電動機保護。 從另一個角度說，電動機保護在工頻運行下由開關柜電動機保護實現；變頻運行下由變頻器保護實現。 變頻器保護由廠家保護實現。

2.2 負荷大于等于2 000 kW

按照 《力發電廠廠用電設計技術規定》的要求，2 000 kW以上但是速斷靈敏度不夠或者容量大于2 000 kW的電動機需裝設縱差保護。 但由于電動機調速后，進線電流與電動機中性點電流不同頻率，以工頻計算的差動保護將不能工作，必須在變頻運行方式時退出運行。 目前市場上沒有成熟的可運用于變頻回路的差動保護裝置產品，因此對于負荷大于2 000 kW的系統保護配置要特別處理。

一般而言，由于變頻器的IGBT等電力電子元件的過流耐受裕度較電機繞組、電纜等耐受度要小得多，因此對于電動機的較大電流故障，變頻器控制系統控制切斷輸出的動作速度小于毫秒級，而一般繼電保護動作時間在10 ms甚至更長，因此實際上在變頻運行方式下安裝的差動保護根本無法起到作用。 只要在變頻運行時，變頻器系統控制切斷輸出的動作設定合理就可以做到保護的作用。 因此變頻系統在變頻運行時的保護關鍵在于變頻器控制系統的保護配置。

根據“IEC61800-4一般要求：高于1kVAC不高于35 kVAC的交流電力驅動系統的標稱特性”第九章“電力驅動系統的整體要求”9.3節“保護接口”中要求，以及根據大量工程經驗，目前一般大于2 000 kW的電機在變頻后，電動機保護都由變頻器控制系統完成。 因此需要變頻配置完善的保護功能，如速斷、過流、過負荷、過壓、欠壓、單相接地、超速、非電量等相關保護。

通過以上分析，對于負荷大于等于2 000 kW的變頻系統，“一拖一”、“一拖二”兩回路的變頻系統進線開關（如圖2中QF，圖3中QF1、QF2）安裝差動保護及其電動機保護，且差動保護設置自動投退功能。 在工頻運行時，差動保護作為主要保護。 在變頻運行時，差動保護自動切除，變頻器自身配置的保護作為主保護，變壓器保護作為后備保護。 對于“一拖二”三回路的變頻系統（圖4）中斷路器QF配置變壓器保護，斷路器QF11、QF12配置電動機保護及其差動保護。 變頻運行時，變壓器保護為后備保護。

對于大于2000 kW的電動機，一般在電廠中都承擔非常重要的作用。 因此在設計過程中，需要變頻器供貨商提供完整的變頻器保護，以保證回路的安全運行。

3 特別說明的保護問題

3.1 過熱保護問題

過熱問題在所有的設備都會存在，在大功率的電力電子器件中尤為突出。 因此變頻器系統的過熱問題不可忽視。

首先，移相變壓器尤其是干式變壓器，其熱平衡性能差，如果溫度過熱，其繞組的絕緣就會遭到破壞，導致變壓器不能正常運行。 因此，對移相變壓器配置繞組溫度監視及過熱保護是非常重要的。 因此在設計過程中，必須要求廠家配置相關的保護配置。 變頻器的控制系統可以根據此保護進行相關的報警或者緊急停機操作。

其次，功率模塊因為IGBT在高頻率運行，其開通關斷損壞都會產生熱量，因此發熱問題比較大，而且，電力電子器件本身具有工作溫度限制，功率模塊一般只能運行在-10～40℃，環境溫度如果大于40℃時，功率模塊必須降額使用。 功率模塊運行不穩定很多是由過熱造成。 因此必須配置過熱保護，過熱保護不能以環境溫度、裝置內的空氣溫度為測量點，必須直接測量電力電子開關器件的溫度。 因此在設計過程中，必須要求生產廠家做到這一點。 此外，必須做好必要的通風風道，盡量降低環境溫度，保證設備壽命。

第三，變頻運行中，缺少了差動保護，對于電動機的相間短路故障，變頻器保護反應靈敏，但是對于電動機定子等內部逐漸累積性的故障，變頻器保護的反應靈敏性不夠。 此類故障很多都是由于過熱問題造成。 因此在設計過程中電動機的保護必須配置過熱保護。

因此對于三種接線方式中，各回路必須配置過熱保護功能。 而且在設計過程中，電氣專業要跟暖通等相關的專業進行協調溝通，做好通風，保持室內溫度。

3.2 接地保護問題

變頻器是目前主要的諧波制造源之一，在變頻系統中雖然變頻器輸出的波形近似完美的正弦波，但是其輸出電壓中含有高次諧波成分。 當發生單相接地時，由于高次諧波的存在，加劇破壞定子絕緣。 因此，變頻系統的單相接地對整個變頻系統，尤其是電動機的危害遠遠大于工頻運行下發生單相短路的情況。

變頻器系統的接地保護主要針對三個方面：移相變壓器輸入部分，變頻器功率輸入部分，變頻器功率輸出部分。 對于移相變壓器輸入部分的接地保護，在設計過程中，可以通過在進線回路上裝設接地保護實現。 對于移相變壓器的輸出部分，由于輸出的每一副邊是互相獨立的，因此當某一副邊發生接地故障時，不會影響其他的副邊回路。 但是輸出部分發生接地故障時，并不能在原邊反映出來，但是肯定會對其連接的功率模塊有影響，即反映為功率模塊的輸入接地故障問題。因此，在設計過程中必須要求廠家配置相對應的變壓器副邊接地保護或者通過模塊保護實現。

變頻器功率輸出部分接地保護是設計院作為保護配置需要考慮的問題。 變頻器功率輸出部分接地保護主要分為連接電纜接地保護和電動機接地保護。 電動機單相接地是電動機常見的故障之一，也是易引起相間短路故障的原因。 目前“高—高”變頻器輸出系統一般采用不接地運行方式，由于變頻器的輸出頻率隨著電動機的負荷而變化，當負荷很小時，變頻器的輸出頻率也較低，相對應的輸出電壓也很低，此時發生單相接地故障時，其零序電流也很小，易發生接地保護拒動作問題。 目前很多廠家的產品對于此問題并沒有很好的解決方案，有些產品甚至不配置接地保護。 但是鑒于變頻系統不能采用差動保護的特殊性，接地保護必須配置。

按照 《電力工程電氣設計手冊—電氣二次部分》的有關規定：“對于單相接地電流大于5 A，應該設置接地保護，接地保護小于10 A時裝設接地檢測裝置”。 針對于變頻系統，在設計過程中采用零序電流定子接地保護，對于報警值及跳閘限值的選擇，按照負荷最低值估算電動機的最低頻率長期運行的情況下零序電流值的大小。 在滿足規定要求的情況下。 按照上述的計算值進行保護設置。 在保護動作后，如果零序電流值小于跳閘值可以采取只報警不跳閘的運行方式。 對于比較重要的設備，可以適當的減小報警值設計。同時安裝接地檢測裝置，在報警發生后要及時的檢測設備系統。 其次，要求變頻器廠家配置有關的變頻器接地保護。

4 結束語

隨著節能意識的提高，在電廠中變頻器的使用率將大大提高。 目前我單位設計的白楊河、和豐等工程中都涉及到了“高—高”模式的大功率變頻器。 比如白楊河電廠中的凝結水泵（“一拖二”三回路接線）、循環水泵（“一拖一”接線）和一次風機（“一拖二”兩回路接線）都使用了廣東明陽龍源電力電子有限公司配置的“高—高”模式的大功率變頻器。 保護配置采用上述文中提到的方案，運行效果良好，到目前位置沒有因為保護配置的導致誤動作或者拒動作的事件發生。 本文提出的保護方案的配置對電廠設計中變頻器的保護有較好借鑒作用，也為變頻器廠家提供更好的配置方案提供思路。

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