继电保护对策在大容量高压电动机变频器的探讨

辽宁华电铁岭发电有限公司 段志杰 于 霁

继电保护对策在大容量高压电动机变频器的探讨

辽宁华电铁岭发电有限公司 段志杰 于 霁

当前变频技术被广泛使用在火力发电厂中，将变频机使用在电动机中，不仅可以调节流量，更可以起到节能省电的效果。但是，电动机在使用变频机过程中，由于变频机改变了电动机的原有电源，使电动机原有的综合保护方案无法启动，变频机自带的速断保护也无法保护整个线路。为了解决以上问题，本文主要从改变电动机的整体回路设计和研发自适应工频变频保护装置入手，提出解决对策，为业内提供参考机价值。

继电保护；变频器；大容量高压发动机；速断保护；差动保护

前言

随着经济的进一步发展，我国对各种电力资源的需求随之增加，为了适应经济发展，也为了供应社会足够的电力资源，我国火电工程事业规模逐渐扩大并发展。我国火电工程事业除了规模上的扩大和发展，在各种先进技术和设备的支持下，相关电力电子技术得到一定的更新发展，变频器的出现让厂用耗电资源得到节约，对整个社会节约电力资源发挥着重要意义。变频器使用在电动机中虽然具有节能省电的优点，但也不乏缺点，大容量高压发动机在使用变频器中，导致继电保护设备无法正常启用，这一问题是当前变频器存在的主要问题，同时也是本文研究的主要问题。笔者结合自身经验，下文在简要介绍变频器节能省电主基本原理的基础上，分析大容量高压电动机在使用变频器后存在的继电保护问题，针对问题，探讨大容量高压电动机变频器的继电保护对策。

1.变频器节能省电基本原理

当前电厂在应用变频技术中主要采用烟风系统和给水系统，这两种系统的主要原理为，通过提高流量以提高效率，从而达到节能效果。变频器的基础节能省点原理即为此。在一般的火力发电厂中，发电过程需要借助锅炉引风机、送风机、水泵等机械，这些机械所在系统运行频繁，且运行幅度大，因而需要进行流量调节以提高效率和节能。在传统的流量调节方法中，主要从调节系统管道中的风门或阀开度入手，但当部分风门未开时，电动机所消耗的功率就有部分转化为无用功，当所有风门或调节阀全开时，电动机输出的功率就可以调节流量，从而达到效果最大化。将变频技术使用在大容量高压电动机中，变频技术主要通过调节发电机的外加电源频率来实现节能省电。变频技术在使用中，其将工频电源调整为直流电源，斩波后转为交流电源交流电源可以调节发动机的流体流量，最终实现了提高效率和节能省电。

2.大容量高压电动机使用变频器存在的继电保护问题

大容量高压电动机使用变频器后虽然能提高效率节能省电，但使用中也会存在一些继电保护问题。如将变频器投入使用，变频器将电动机原本的工频电源调整为直流电源，斩波后转为交流电源，这些电源的变化导致电动机原本的电流、电压发生改变，而电动机中原本设置的比率差动保护由于不适应经过变频器改变后的电动机工频电源，因此就容易产生继电保护问题。

当前常用的继电保护方案为开关柜综合保护装置和变频器自带的保护方案两种，前者主要使用在电动机工频运行时，后者主要使用在电动机调频运行时。当前大多数变频器自带的保护方案运行原理为：变频器自带保护利用其变频器柜内的三相及零序电流互感器采集电动机的电流，当感应出电动机的输出故障后，变频器自带的保护方案就会立即关闭电子电压器件的导通角，进而阻断电动机的输出电流，从而实现保护。但即使变频器自带的保护方案能够保护电动机，但仍然存在以下几个问题。

（1）变频器的开关柜综合保护装置投退问题

当变频器变频运作时，电动机原有的差动保护需要退出，但为了保护整个电动机发电系统，又不可退出整体综合保护，变频器自带的保护方案保护范围并不包括开关柜乃至整个变频柜电缆，开关柜和变频柜电缆的保护就需要依靠整体综合保护。但当前大多数整体综合保护装置容易发生跳闸，难以适应部分功能的投退要求。当前为了解决这一问题，多数选择装设独立差动保护，但装设独立差动保护意味着增加了保护硬件，可靠性令人担忧。

（2）变频器自带保护方案对电动机存在缺陷问题

变频器本身自带的保护方案在运行中主要起到速断电流的作用，而当下国家对电力企业发电机应配备的保护要求为纵联差动、电流速断等，变频器自带保护方案只对电流速断起作用，没有起到纵联差动的作用。此外，变频器自带电流速断作用只对电动机和变频器电缆产生的故障发生灵敏性，对定子线圈匝间短路等电动机内部故障不产生灵敏性，因而无法阻断电动机内部发生的故障。

（3）无法保护输入侧隔离变压器

部分变频器由于受保护范围影响，对电动机输入侧隔离变压器无法启动保护功能。按业内要求，大容量高压电动机需要装设差动保护，但由于变频器只起到电流速断的作用，因而无法满足业内要求。

3.大容量高压电动机变频器的继电保护对策

出现以上几个继电保护问题的最终原因在于大容量高压电动机使用变频器后导致前后电源不同，差动保护无法实现。为了解决以上问题，以下将从电动机的整体回路设计和研发自适应工频变频保护装置探讨继电保护对策。

3.1 电动机工频、变频分设差动保护

大容量高压电动机在使用变频器中，可以在工频和变频方设置差动保护。如图1为工频、变频方设置差动保护示意图。

图1 工频、变频方设置差动保护示意图

在图1中，除了要在变频器和电动机连接外设置一个差动保护87b，更要在电动机两侧设置独立的差动保护87a。当电动机做变频运行时，可将87a作为主体保护，变频器和电动机连接电缆的保护可由变频器自带速断保护承担。当电动机做工频运行时，可将87b作为主体保护。这一保护方案设计的优点在于，可以保护整体连接线路，但缺点在于，增多了一个保护装置，此外，线路中的隔离变压器没有得到良好的保护。

3.2 电动机加设磁平衡保护

这一保护方案和以上提到的第一个保护方案类似，均需要对电动机工频、变频分设差动保护，在此基础上，将电动机原有的保护原理纵差变为磁平衡方式，利用电流继电器对电动机输入输出电流进行检测。

3.3 研发工频变频自适应保护装置

以上提及的两种从电动机整体回路设计上设置保护的保护方案，虽然起到很好的保护效果，但不得不提出的是，由于新增了一个保护装置，在使用过程中需要结合实际需要进行切换，这就增加了无用功和降低效率。而通过研发新型的工频变频自适应保护装置，不仅不需要进行人工切换，更可以自动判断电动机当前运行模式，根据电动机的运行模式，主动变换。而研发新型的工频变频自适应保护装置，可以从以下几个方面入手。

（1）更换综合保护装置硬件，采用多任务操作系统。通过采用新型的高数位硬件平台多任务操作系统，可以实现对多种信息进行同时处理。应用分辨率较高的A/D转换器，可以实现对各种信息的高速采集和计算，让综合保护装置具备自适应运算能力。

（2）集合保护装置功能。当前电动机现有的综合保护由于变频机的使用导致电动机的综合保护无法正常发挥作用，而变频机自带的保护方案又无法保护整个线路，在此基础上，可以将当前变频机现有的速断保护、电动机现有的差动保护及磁平衡零序电流三种保护装备的功能进行集合，研发新型的综合自适应保护装置，整合三种保护功能。

4.结语

大容量高压电动机使用变频器后出现继电保护问题根源在于变频器使电动机前后电源不同。导致电动机原有的综合保护装置无法启用。因而在解决由继电保护问题中，可以从改变电动机的整体回路设计和研发自适应工频变频保护装置入手。文中主要介绍了两种整体回路设计保护方案和两种研发工频变频自适应保护装置的方法，通过这些方案和方法，可以使电动机和变频机的整个回路范围受到保护，在发挥变频器自带保护方案的同时，又可以启用电动机原有的综合保护方案，在实现变频机的节能省电作用下，更可以反馈电动机在运行中出现的突发故障。

[1]唐红键,谭茂强．大容量高压电动机变频器继电保护对策探讨[J]．电力建设,2010(5)81-85．

段志杰（1978－），男，辽宁阜新人，工程师，在职研究生，继电保护，电力系统自动化。

于霁（1977－），男，辽宁昌图人，电气工程师，大学学历，研究方向：电气工程，电力系统自动化，继电保护。