高壓電動機改變頻運行后保護的配置探索

戴超超

（浙能嘉興發電有限公司，浙江 平湖 314201）

1 高壓電動機變頻控制一次回路

隨著節能減排的深入，各發電企業相繼將高壓電動機改為變頻運行，圖1為高壓電動機改變頻運行后的一次回路，電源開關使用原高壓電動機開關，保護使用原開關柜配置的綜合保護。在就地變頻室增加旁路柜、隔離變壓器和變頻器柜，6 kV電源開關旁路柜輸入閘刀跨接于高壓隔離變壓器和高壓變頻裝置之間。進出線閘刀和旁路閘刀的作用是：一旦變頻裝置出現故障，先斷開電源開關，后將變頻裝置隔離，恢復在工頻電源下啟動電動機運行。

電源開關綜合保護裝置一般配備了速斷保護、過流保護、接地保護，2 000 kW及以上的電動機增設了差動保護，由于增加了隔離變壓器和變頻控制器等設備，給電源開關保護配置帶來了新的問題，值得進一步探討。

圖1 高壓電動機變頻運行一次回路

2 電動機的差動保護

2.1 存在問題

GB/T 14285－2006《繼電保護及安全自動裝置技術規程》對電動機保護的要求：2 000 kW以下的電動機，裝設電流速斷保護，保護宜采用兩相式。2 000 kW及以上的電動機，或雖在2 000 kW以下，但電流速斷保護靈敏系數不符合要求時，可裝設縱聯差動保護?？v聯差動保護應防止在電動機自啟動過程中誤動作。

目前2 000 kW及以上電動機加裝變頻器后，由于原配置的差動保護電流取自電動機中性點側和電源開關側電流互感器，當變頻運行時，兩處的電流互感器分別運行于工頻和變頻狀態，將出現以下新問題：

（1）高壓電動機變頻運行后，電流互感器更容易飽和。根據電磁式互感器的工作原理，在電壓一定的情況下，頻率和磁通成反比關系。頻率越低，互感器通過的磁通越大。因此，在低頻情況下，傳統的工頻互感器極容易發生飽和。大量的試驗、電磁暫態（EMTP）仿真以及來自發電廠的實際應用都印證了這個結論。

（2）相量差動保護一般是用離散傅里葉算法（DFT），根據1個周波的采樣值計算出電流的實部、虛部，再進一步計算出所需要的量，如電流有效值、差動電流和制動電流的幅值、相位，然后用這些計算量構成保護動作判據。當頻率偏離工頻時，DEF將產生誤差，其誤差隨頻率偏離工頻的程度而迅速增大。當頻率低于40 Hz時，DFT計算誤差將達到25%以上，遠遠超過允許值。

2.2 改進方案

由于電動機在5～60 Hz頻率下運行時，通過DFT計算出的電流值誤差非常大，無法滿足保護要求。為此，在電動機變頻運行時一般退出差動保護。此項工作由檢修人員來完成，如果電動機變頻運行時差動保護沒有退出，電動機啟動時保護可能誤動。

為了減少操作的繁瑣，可在保留綜合保護的前提下，另外加裝變頻電動機差動保護（見圖2），增設新電流互感器2LH和新差動保護裝置，原有的電動機差動保護可取消，原差動保護的1LH與3LH新引入差動保護，可根據運行狀態引入旁路閘刀輔助接點自動切換構成差動保護的電流通道，實現最大范圍的差動保護。需要進行變頻后差動保護裝置和電流互感器特性的研究，才能使新差動保護滿足運行要求。

由于變頻器到電動機距離比較短，而且變頻器配置了比較齊全的保護，可保護變頻器至電動機短電纜和電動機發生的各類故障。電源開關保護配置主要是考慮保護電源開關至變頻器電纜以及隔離變壓器的安全，因此可不裝設新的差動保護，在隔離變壓器后安裝2LH，工頻運行時采用原差動保護電流通道1LH與3LH，當變頻運行時差動保護電流通道1LH與2LH，根據運行狀態引入旁路閘刀輔助接點自動切換構成差動保護的電流通道，改進的差動保護接線見圖3。

圖2 新差動保護接線

圖3 改進的差動保護接線

3 電源開關速斷保護的整定

當電動機在變頻運行方式時，由于變頻器帶1臺隔離變壓器，速斷保護應根據變壓器保護整定，按躲過隔離變壓器二次側三相短路最大短路電流整定或按躲過變壓器空載合閘涌流整定，取兩者較大值，并按進線隔離變壓器一次側兩相短路有2倍靈敏檢驗。

當電動機在工頻運行方式時，最大啟動電流Iop.h的計算如式（1）所示：

式中：Krel為可靠系統，取1.5；Kst為電動機啟動電流倍數，在6～8之間；Im.n為電動機額定電流二次值；IMN為電動機一次額定電流；nTA為電流互感器變比。

如果按變頻器運行實測值整定，速斷保護定值較大，犧牲了保護的靈敏度。表1為凝泵啟動錄波試驗數據，從錄波的數據可判斷隔離變壓器空載合閘涌流第29與30點A相電流為5 508 A，達到額定電流的23倍，波形嚴重偏軸，這主要因為電源開關合閘時，變頻器隔離變壓器空載所致，但隔離變壓器空載合閘涌流持續時間比較短。為了保護的靈敏度，在工頻運行方式時電動機整定值不變，動作出口時間加上40 ms就可躲過空載合閘電流，通過現場的試驗已得到驗證。

表1 凝泵啟動參數值

由于為了躲過空載合閘電流，速斷保護動作出口時間加上40 ms，犧牲保護的快速性，為此也可在速斷保護加入諧波閉鎖邏輯，諧波采集需要1個周波（20 ms）時間，加上經過CPU的計算時間，動作時間至少要30 ms。由于諧波閉鎖保護回路較復雜，而且速斷保護動作縮短的時間并不多，綜合考慮后并沒有增加諧波閉鎖保護回路。

4 結語

通過以上分析可見，較好解決電動機差動保護的方法是在隔離變壓器后增加1組電流互感器，可保證差動保護動作的正確性，而對速斷保護可適當增加延時，確保速斷保護不發生誤動。通過采取這些措施，進一步完善了電動機保護，而且最大程度上提高了保護靈敏度和利用率。

[1]高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].北京:中國電力出版社，2006.

[2]GB/T 14285－2006繼電保護及安全自動裝置技術規程[S].北京:中國電力出版社，2006.