高壓電動機變頻差動保護改造實踐

高壓電機變頻差動保護改造的實踐大唐琿春發(fā)電廠王濟娟摘要：本文通過對大唐琿春發(fā)電廠增壓風機電機變頻差動保護改造的實踐與應用介紹，對原本配有電流差動保護的高壓電動機經(jīng)過變頻改造后一直以速斷保護為主保護，不符合繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，其靈敏度不夠的問題，給以了解決，保證機組設備的安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行。關鍵詞：高壓電動機變頻差動保護電流互感器前言：

為了降低廠用電率，提高節(jié)能水平，一些火力發(fā)電廠采用了高壓變頻技術(shù)，對一些高壓電動機的調(diào)節(jié)方式從機械節(jié)流改為變頻調(diào)速。這種技術(shù)的實施，實現(xiàn)了高壓電機的軟啟動，減少了磨損，降低廠用電率，達到了節(jié)能降耗的目的。但是，由于變頻器的輸入和輸出電流在相位上沒有必然的聯(lián)系，這對電動機差動保護產(chǎn)生了重大影響，因此，研究電廠應用高壓變頻器對繼電保護的影響，尤其是主保護的影響和解決措施，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊前景。高壓電機未改造前概述大唐琿春發(fā)電廠高壓增壓風機選用的是沈陽電機股份有限公司生產(chǎn)的YKK1000-14型電動機，其額定容量是2200千瓦，額定電壓6000伏，額定電流300安，額定頻率50赫茲，額定轉(zhuǎn)速426轉(zhuǎn)/分，功率因數(shù)0.742。在未進行變頻改造前采用珠海萬利達廠家生產(chǎn)的MMPR-320Hb-3x型保護裝置，實現(xiàn)差動速斷和比率差動保護，采用珠海萬利達廠家生產(chǎn)的MMPR-310Hb-3X型保護裝置實現(xiàn)了負序、堵轉(zhuǎn)、過熱、欠壓、零序保護。分別在開關柜側(cè)和中性點側(cè)安裝了LZZBJ9-10和LZZBJ9-10C2型號電流互感器實現(xiàn)保護功能，電流互感器變比為500/5，額定輸出15伏安。改造前接線圖:

高壓電機的變頻改造為了降低廠用電率，提高節(jié)能水平，實現(xiàn)高壓電機的軟啟動，減少磨損，某廠對增壓風機加裝了高壓變頻裝置，實現(xiàn)了變速調(diào)節(jié)。其采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/130型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。該高壓變頻器以高可靠性、易操作、高性能為設計目標。其為“高-高”電壓源型變頻器，高壓直接輸入，高壓直接輸出，無需輸出變壓器。該系列高壓變頻器輸入隔離變壓器采用了移相變壓器，使得輸入波形接近正弦波，對電網(wǎng)諧波污染??；輸出側(cè)通過采用成熟的多重化正弦脈沖PWM調(diào)制技術(shù)，輸出為多電平，使得變頻器的輸出電壓波形非常接近正弦波，無需輸出濾波器，可直接接高壓電機。運行該高壓變頻器的主要組件包括：旁路柜、變壓器柜、功率柜、控制柜。其具有如下特點：1、輸入波形接近正弦波，對電網(wǎng)諧波污染小,無需考慮諧波抑制。2、輸入功率因數(shù)高，在20～100%的負載范圍內(nèi)，功率因數(shù)≥0.96，無需功率因數(shù)補償裝置。3、提供正弦波輸出波形，不需輸出濾波器,對電機應無特殊要求。4、控制系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字控制，且控制系統(tǒng)和主電路通過光纖通訊進行聯(lián)接，實現(xiàn)強弱電壓完全隔離。5、變頻器具備完善的故障自診斷，報警、參數(shù)顯示和歷史記錄等功能，維修方便。增壓風機變頻改造后采用原保護配置存在的問題：原差動保護的一組CT裝在開關出線側(cè)，一組CT裝在電機就地中性點側(cè)，而變頻器則是裝在電源開關與電機之間的，在變頻工作狀態(tài)下，開關側(cè)CT感受到的是50Hz的電流，而電機側(cè)CT感受的則是變頻后的電流，其頻率、大小均不同，此時如果投入原差動保護，其保護范圍不僅會縮小至變頻器前的交流部分，而且原差動保護裝置的差動原理只是基于頻率為50HZ的交流電流基礎上，由于電機側(cè)的CT感受的不是恒50HZ的電流，就會造成差動保護誤動作跳開電源開關，所以此時一些電廠采用的方法是將差動保護的壓板退出，用速斷保護作為電機變頻運行時的主保護，這不符合繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，而且其靈敏度也不夠。增壓風機變頻改造后現(xiàn)場實際的保護配置:為了解決高壓電機變頻改造后無差動主保護的缺陷，大唐琿春發(fā)電廠采用了北京四方生產(chǎn)的CSC-236D數(shù)字式變頻電動機保護裝置該保護裝置為了保證內(nèi)部故障時差動保護靈敏動作，同時防止外部故障時及電動機起動時暫態(tài)不平衡電流引起的誤動，采用了三段式比率差動原理。該保護裝置采用了能適用變頻啟動和工頻啟動兩種不同啟動方式，在電動機變頻啟動時，對應的有變頻相量差動和采樣值差動，當變頻器異常，電動機工頻啟動時，提供差動速斷和考慮電動機長啟動的比率差動保護。該保護裝置采用了與頻率無關的算法，可在5HZ-65HZ寬頻帶及低頻率范圍內(nèi)起到保護電動機各種故障的作用。該保護裝置為了避免頻率變化對傅氏算法的影響，采用了HHT（希爾伯特）變換的相量計算方法，獲得非平穩(wěn)信號的各個頻率分量的幅值和相位信息，選取其中能量最大的頻率成分作為信號的主頻率，考慮變頻電動機的實際運行情況，可以認為主頻率成分占據(jù)信號的主要成分，其他頻率分量可以視為諧波分量，取電動機首端三相電流的HHT變換的主成分頻率分量進行相量計算。考慮到電動機在故障前可能輕負荷運行，三相電流幅值較小，達不到進行HHT變換的門檻電流，CSC-236D保護裝置增設了采樣值差動保護，即選取首端電流的一段數(shù)據(jù)窗W1，計算該數(shù)據(jù)窗的電流差分，形成新的數(shù)據(jù)窗W2，建立一個相關程度的隸屬度函數(shù)來比較W1和W2的數(shù)據(jù)相關程度，當電機運行頻率較大時，單位時間波形變化率較大，反之波形變化率小，根據(jù)情況，調(diào)整數(shù)據(jù)窗的寬度，計算該數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣值差動進入動作區(qū)的點數(shù)占總點數(shù)的百分比，當達到門檻值時采樣差動保護動作。當電機切換到工頻啟動時，為了保證工頻運行時差動保護有足夠的靈敏度，又能可靠地躲過自啟動過程中自啟動電流導致的不平衡電流，工頻運行差動保護設置有差動速斷元件、比率差動元件、二次諧波閉鎖、CT斷線及差流越限檢測和電動機啟動過程判別功能。

現(xiàn)場增壓風機改造后保護的接線圖現(xiàn)場對CSC-236D保護裝置進行不同頻率的1A和5A模擬量采樣，采樣值如下：頻率IAIBICINAINBINC50Hz1.008∠01.008∠-1201.008∠1201.008∠-1801.008∠601.008∠-6045Hz1.008∠01.008∠-1201.000∠1200.996∠-1801.000∠601.008∠-6040Hz1.008∠01.008∠-120.51.008∠120.51.000∠-1801.008∠601.008∠-6035Hz1.008∠01.008∠-119.51.008∠1211.008∠-1800.996∠601.000∠-60.2530Hz1.008∠01.008∠-1201.000∠120.51.008∠1801.008∠60.51.000∠-6025Hz1.008∠01.008∠-118.51.000∠120.51.000∠-1801.008∠60.51.008∠-60.2520Hz1.008∠01.008∠-1201.008∠1211.000∠-1801.008∠601.008∠-6015Hz1.000∠01.000∠-1201.008∠1221.008∠-1801.008∠61.251.016∠-59.510Hz1.008∠01.008∠-1201.000∠1211.000∠1801.016∠590.988∠-60.55Hz0.988∠00.988∠-1200.992∠121.50.996∠-1800.996∠59.250.984∠-60.25頻率IAIBICINAINBINC50Hz5.031∠05.031∠-1205.000∠1205.031∠-1805.031∠605.00∠-6045Hz5.000∠05.000∠-1205.031∠120.55.063∠-1804.969∠60.755.063∠-59.9640Hz5.063∠05.031∠-1205.000∠1205.031∠-1805.031∠60.255.031∠-60.2535Hz5.031∠05.063∠-1205.031∠1215.031∠-1805.031∠59.755.000∠-59.530Hz5.000∠05.063∠-1205.000∠1205.031∠-1805.031∠60.255.031∠-59.7525Hz5.031∠05.031∠-1205.031∠1205.031∠-1805.063∠60.755.063∠-61.2520Hz5.031∠05.031∠-1205.031∠1205.000∠-1805.031∠60.255.031∠-60.2515Hz5.031∠05.031∠-1205.000∠1205.000∠-1804.969∠614.969∠-6110Hz5.094∠05.031∠-118.55.031∠119.55.000∠1805.000∠60.255.000∠-59.755Hz4.938∠05.031∠-1204.969∠120.55.063∠1805.000∠60.255.000∠-61.25現(xiàn)場以差動保護定值為Icd=0.25A，Ir1=0.5A，斜率分別為K1=0.2，K2=0.5，K3=0.7對裝置進行了差動保護不同頻率下的試驗，其結(jié)果如下：頻率差動動作曲線首端Im（A）尾端In（A）MMI顯示f=50HZId=0.25Ir=0投工頻運行開入A相0.127∠0°B相0.127∠-120°C相0.127∠120°A相0.125∠180°B相0.125∠60°C相0.125∠-60°Id=0.25Ir=0相量差動出口Id=0.3Ir=0.25投工頻運行開入A相0.4∠0°B相0.4∠-120°C相0.4∠120°A相0.1∠180°B相0.1∠60°C相0.1∠-60°Id=0.3Ir=0.25相量差動出口Id=0.85Ir=1.5投工頻運行開入A相1.915∠0°B相1.915∠-120°C相1.915∠120°A相1.075∠180°B相1.075∠60°C相1.075∠-60°Id=0.85Ir=1.5相量差動出口Id=1.1Ir=2投工頻運行開入A相2.538∠0°B相2.538∠-120°C相2.538∠120°A相1.45∠180°B相1.45∠60°C相1.45∠-60°Id=1.1Ir=2相量差動出口頻率差動動作曲線首端Im（A）尾端In（A）MMI顯示f=45HZf=35HZf=25HZf=15HZId=0.25Ir=0A相0.127∠0°B相0.127∠-120°C相0.127∠120°A相0.125∠180°B相0.125∠60°C相0.125∠-60°Id=0.25Ir=0f=44.75/35/25/15HZ相量差動出口Id=0.3Ir=0.25A相0.393∠0°B相0.393∠-120°C相0.393∠120°A相0.1∠180°B相0.1∠60°C相0.1∠-60°Id=0.296Ir=0.24f=45/35/25/15HZ相量差動出口Id=0.85Ir=1.5A相1.913∠0°B相1.913∠-120°C相1.913∠120°A相1.075∠180°B相1.075∠60°C相1.075∠-60°Id=0.8516Ir=1.508f=44.75/35/25/15HZ采樣差動出口Id=1.1Ir=2A相2.538∠0°B相2.538∠-120°C相2.538∠120°A相1.45∠180°B相1.45∠60°C相1.45∠-60°Id=1.1Ir=2f=44.75/35/25/15HZ采樣差動出口可見，該保護裝置在不同頻率下，差動保護均能做為電機的主保護，保護電機安全穩(wěn)定運行。增壓風機變頻改造后現(xiàn)場實際的電流互感器配置從改造后的增壓風機主接線圖中可以看出，在電源開關側(cè)保留了未改造前的電流互感器，配置了速斷保護等后備保護作為電源開關至變頻器各類故障的保護。為了滿足在變頻運行時，電動機仍有完備的主后備保護，在變頻器輸出側(cè)和電機側(cè)各配置了針對CSC-236D保護裝置專門研發(fā)設計的適用于變頻電動機寬頻率范圍都有良好線性度的5P20級的LRDDBB-6/60型電流互感器，其變比為600/1，額定輸出為15VA。此互感器在低頻5HZ不飽和，在低頻1HZ下達到10倍額定電流才開始飽和，滿足10%誤差曲線，在5HZ頻率的額定電流情況下的誤差不超過5%，完全滿足變頻電動機保護的需要?，F(xiàn)場試驗人員用OMICRONAnalyzer型進口CT測試儀分別對電機中性點側(cè)和變頻器輸出側(cè)安裝的CT進行檢測，因進口CT測試儀在檢測的過程中就應用了不同頻率檢測原理，其檢測數(shù)據(jù)見下表:一次電流二次電流變比直阻二次負擔600A1A600/11.303歐姆77.74毫歐電流互感器10%誤差數(shù)據(jù):電流倍數(shù)1468101220253035404550電阻(歐姆)751.9197.8132.699.679.666.439.631.526.122.219.31715.2依據(jù)6KV短路電流為10.6364KA計算,其電流倍數(shù)M=10.6364KA/600=17.727,在此倍數(shù)下,其能負擔的值遠遠大于實際的二次負載值,根據(jù)以上數(shù)據(jù),可以看出電流互感器10%特性完全滿