摘要:以某电厂引风机为例,介绍差动保护在大功率电动机变频器上应用的必要性,经实践证明,普通工频CT及差动保护装置可以满足变频差动保护要求,能有效的保护大功率电动机。
关键词:变频器;差动保护;工频;变频;CT
随着变频调速技术的发展,作为大容量传动的高压变频技术已得到广泛的应用,大功率电机利用高压变频器可以实现无级调速,大幅降低能耗,对于电厂的节能、降耗有着重要意义。
目前,绝大部分变频厂家生产的变频器均不带差动保护功能,根据《继电保护和安全自动装置技术规程》规定,2000KW及以上电动机或当电流速断保护灵敏系数不满足要求时必须装设纵联差动保护。同时,为保证电动机在变频运行中,能快速、可靠的切除故障,需考虑在变频器中装设差动保护。
1 基本情况
1.1 变频器的典型设计
以某厂两台630MW机组四台引风机变频器为例,引风机部分参数如表1:
变频器采用东方日立(成都)电控设备有限公司生产的DHVECTOL-HI系列高压大功率变频器,型号为:DHVECTOL-HI05000/06。
DHVECTOL-HI05000/06变频装置由旁通柜,变压器柜,功率单元柜和控制柜四部分组成。
变频运行时,6kV电源经真空接触器KM1传输到高压变频装置,变频装置输出经真空接触器KM2传送至电动机;工频运行时,6kV电源还可经高压真空断路器QF11经QF3直接起动电动机。一次原理图如图1:
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1.2 工频方式的保护构成
原引风机电动机保护由江苏东大金智科技生产的WDZ430EX综合保护装置和AREVA公司生产的Micom P243差动保护装置构成。WDZ430EX综合保护装置实现电流速断保护、负序过流保护、过热保护、正序过流保护、过负荷保护、欠压保护等功能。P243差动保护装置则是采用双斜率特性的比率制动差动保护。
2 变频方式的保护配置方案
引风机变频运行时,电流速断保护及后备保护仍可由WDZ430EX综合保护装置实现,但由于6KV开关侧电流为工频电流而电动机中性点侧电流为变频后的电流,两组电流的频率相位显然不一致,就必然会造成P243差动保护装置误动,因此在变频方式运行时,必须另外增设一套差动保护装置,而工频方式差动保护则退出运行。
2.1 变频差动实现方案
首先必须明确构成变频差动的两侧电流都是变频后电流,且差动保护装置对变频电流的采样精确满足现场要求。具体方案为:配置三个型号与中性点CT一致、变比(600/1)相同的电流互感器,装于KM2出口与旁路回路接口之间,中性点侧电流采用原中性点电流互感器的第二组二次绕组,从而与新增电流互感器电流回路构成差动回路,差动保护出口作用于6KV开关,如图2所示。这样就可以保证无论电动机工频运行工况还是变频运行工况下至少有一套差动保护投入,保证电动机的安全稳定运行。
2.2 CT的选择及试验
在引风机变频运行时,此时通过变频器CT和中性点CT的电流均为非工频电流,若采用霍尔感应式CT,可以准确的采集到变频运行的电流大小,但无法判别其方向,无法满足差动保护的要求,故这两处均采用普通同型号工频CT,而工频CT在低频率下采样电流存在衰减或畸变,为了验证CT在低频运行工况下是否满足差动保护的要求,需对变频器CT与电机中性点CT作变比及角度误差试验。由于现有试验条件有限,无法获得不同频率下的大电流,故采用实际运行工况下比较霍尔CT采样与普通工频CT采样来判断普通工频CT在变频工况下的变比精度;通过变频运行工况下,通过查看变频器差动保护差流大小来判断不同工况下普通工频CT的角度误差。
变比精度试验方法:按图2实际运行方式接线,将霍尔CT接入变频器输出回路,通过调节输出频率及引风机动叶开度,来控制引风机电机输出功率,从而改变电流大小,其试验结果如表2。
角度误差试验方法:通过变频差动保护装置采样记录值,读取不同运行频率下的差流,其试验结果如表3。
试验结果表明,在变频器输出频率大于10HZ情况下,普通工频CT的精度完全可以满足变频差
动保护要求,而在电厂引风机变频运行时,根据运行规定及变频器厂家要求,变频器的变频启动频率要求不低于15HZ,故此次变频差动仍采用传统工频CT。
3 变频差动保护原理
装置采用常规比率差动原理,其动作方程为
当|IT-IN|/2 ≤Ie时:
IT+IN| > Icdqd
当|IT-IN|/2 > Ie时
|IT+IN|-Icdqd > Kbl·{|IT-IN|/2-Ie}
式中IT为电动机机端电流,IN为中性点电流,Kbl为比率制动系数,Icdqd为差动电流起动定值。比率差动保护能保证外部短路不动作,内部故障时有较高灵敏度,动作曲线如下图3所示。
4 变频差动保护原理及整定
1)、电动机二次额定电流:Ie=554A/600=0.92 A
2)、差动电流起动定值Icdqd按躲过电动机正常运行时差动回路最大不平衡差流整定
Icdqd = Krel*Kap*Kcc*Ker*Ie
=2*1.5*0.5*0.1* Ie
=0.15 Ie
Krel为可靠系数
Kap为非周期分量系数,对异步电动机取 1.5;对同步电动机取2
Kcc为CT的同型系数,电流互感器型号相同时取0.5,不同时取1
Ke为电流互感器综合误差
依据《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术》P302说明,差动保护电流起动定值(0.3~0.4)Ie,故此处取0.3 Ie。
Icdqd =0.3*0.92 A=0.28 A
3) 比率制动系数整定按躲过电动机最大起动电流下差动回路不平衡电流整定。
最大起动电流Istmax(以10倍额定电流计算,即9.21A)下的不平衡电流Iunbmax
Iunbmax = Kap*Kcc*Ker*Istmax
=1.5*0.5*0.1*9.21
=0.69A
对两折线制动特性,比率制动特性斜率为
S=(Krel*Iunbmax- Icdqd )/(Istmax - Ig)
=(2*0.69-0.28)/(9.21-0.92)
=0.14
由于S值按经验取值一般在0.3~0.4 间,故取0.3
4) 差动速断定值Isdzd按躲过电动机起动瞬间最大不平衡电流条件整定,按照南瑞整定说明书推荐,取4倍额定电流。
Isdzd=4*0.92A=3.68 A
5 结论
该厂引风机变频器投运近几年来,变频差动保护未出现保护误动的现象,并且在高压电缆及电动机的内部短路时能准确快速的切断故障,保证了机组的安全稳定运行。从而证明普通工频CT及差动保护装置可以满足变频差动保护要求,能有效的保护大功率电机。
参考文献
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[2] 东方日立有限公司,HI系列变频器用户手册[M],2010
[3]南京南瑞继保电气有限公司, RCS-9600CN系列大型发电厂用电保护测控装置技术和使用说明书[M],2010
[4] 周志敏 周纪海 纪爱华主编 变频器 [M] 北京:电子工业出版社,2005
[5] 钟明振,赵相宾主编 低压变频器应用手册 [M] 北京:机械工业出版社,2009
[6] 杜金城主编 电气变频调速技术 [M] 北京:中国电力出版社,2008
作者简介:肖翼(1983-),男,汉族,大学本科学历,工程师,自2006年至今一直在益阳电厂从事继电保护工作。
通信地址:湖南省益阳市长安益阳发电有限公司.
刘期方(1990-),男,汉族,大学本科学历,助理工程师,自2016年至今一直在益阳电厂从事继电保护工作。
通信地址:湖南省益阳市长安益阳发电有限公司.