基于高压变频器技术的应用分析

摘要： 随着我国社会经济的持续发展，城市建设的规模也随之扩大。本文对应用高压变频器后对电动机差动保护的影响原因进行了分析，结合某电厂引风机变频改造的情况与应用，实践结果证明，此方案能够给电动机提供到可靠的安全保护。

关键词：基本原理；继电保护；解决方案

Abstract: with the China's social and economic sustainable development, the scale of the urban construction has been magnified. In this paper, the application of high voltage inverter to motor after the influence of differential protection reason to carry on the analysis, combined with a power plant induced draft fan of inverter and application and practice results show that the scheme can provide reliable to motor to safety protection.

Key words: basic principle; The relay protection; solutions

中图分类号：O434.19文献标识码：A文章编号：

一、 变频器节能的基本原理

在火力发电厂中，锅炉引风机、送风机、汽轮机电动给水泵、凝结水泵等耗电量大，同时这些水泵和风机所在系统通常需要频繁且幅度较大的流量调节。传统的流量调节方法是调整这些系统管路中的风门或调节阀开度。只要这些风门或调节阀不是全开，电动机所消耗的功率就有一部分转化为克服这些风门或调节阀阻力的无用功。如果风门或调节阀全开，通过调节电动机速度来调节电动机输出功率，从而调节流体流量，就可实现电动机效率的最优化。

火电厂电动机大多采用异步电动机，其转速为

n=60f(l — s)／p (1)

式中：n为异步电动机转速；f为异步电动机电源频率；S为异步电动机转差率；P为异步电动机定子极对数。

由式(1)可以看出，异步电动机的转速调节有3个变量因子，其中电动机转差率和定子极对数的改变相对困难，电源频率的改变相对容易。基于电力电子技术和现代控制通信技术实现的变频技术，其基本原理是把工频为50 Hz的电源整流成直流，再斩波还原成交流，还原后的交流电源频率根据流体流量调节的需要进行调节，即通过变频技术调节电动机转速，使电动机功率按需分配，实现流体流量的高效调节，从而达到提高效率、节能降耗的目的。

二、 使用高压变频器后电动机保护的新问题

2．1 电动机保护配置的要求

根据文献《火力发电厂厂用电设计技术规定》，高压异步电动机应装设纵联差动保护。对6.3 MVA及以上的变压器应装设本保护，用于保护绕组内及引出线上的相间短路故障；保护装置宜采用三相三继电器式接线，瞬时动作于变压器各侧断路器跳闸，当变压器高压侧无断路器时，则应动作于发电机变压器组总出口继电器，使各侧断路器及灭磁开关跳闸。对2 MVA及以上采用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器也应装设本保护。

目前，火力发电厂高压电动机的设计至少要按上述规定配置继电保护。一般情况下，电动机采用微机型综合保护装置，保护装置安装在电动机6kV开关柜中，差动保护电流取自6 kV开关柜和电动机中性点侧电流互感器。

2．2 应用变频器后电动机保护的问题

目前现场电动机加装变频器所采用的改造方式多为工变频互切方式，其系统架构如图1所示。

图1 高压变频器系统架构

当变频器出现故障或者工况要求进入工频供电时，变频器通过可编程逻辑控制器自动完成或手动完成变频状态到工频状态的切换；在工频运行时，如需要重新投入变频运行，也可自动或手动完成工频状态到变频状态的切换。

当电动机处于工频运行工况时，常规电动机保护能够满足现场使用要求；当电动机处于变频运行工况时，由于附加了变频器装置，变频器的输入和输出电流在频率、相位上都没有必然的联系，如果按原方法进行保护配置，会影响保护功能的实现。因此，对于使用变频器的电动机来说，不应将变频器纳入差动保护的范围，应只单独保护电动机。差动保护范围为：始端电流互感器应置于变频器的输出端，而非电源开关侧，末端电流互感器置于电动机的中性点侧。

电动机在变频运行工况时，变频器输出频率范围一般可以达到0．5～120 Hz，现场实际调频运行范围一般在15~50 Hz。而目前常用的微机保护装置均是根据行业标准设计的，即采用固定频率50Hz进行数字采样计算，如何让微机保护装置能够适用于大范围频率运行是变频电动机保护必须解决的问题。同时，考虑到在变频器电源输出侧不方便装VT，如何实时测量电动机运行频率也是需要解决的难题。

三、 变频器差动保护的解决方案

3．1 某电厂引风机变频改造

某电厂5号机组风烟系统于2006年11月投入运行。5号机组风烟系统配备2台引风机A、B，正常运行时2台引风机均处于运行工况，引风机出风量的调节通过调节引风机静叶开度实现。由于5号机组2台引风机的容量及风量裕度较大，在机组各种运行负荷下，2台引风机的电动机转速恒定，依靠引风机静叶调节风量， 即使在机组负荷为600 Mw 下引风机静叶开度一般也维持在60％ ～65％ ，造成引风机电动机额外的耗电损失，增加厂用电率，影响机组的经济性。如果采用变频调速改造，将完全消除风门和叶片的截流损耗，为此某电厂于2010年对5号机组引风机进行了变频改造。

3．2 某电厂引风机变频差动保护配置方案

为确保引风机在变频工况运行条件下具备完善的保护功能，某电厂引风机保护采用了如图2所示的保护配置。

分别在引风机6 kV断路器出线侧、引风机变频器出线侧和电动机中性点安装电流互感器CT1、CT2和CT3。CT1与CT3构成电动机工频状况下差动保护；CT2与CT3构成电动机变频状况下的差动保护。电动机在变频运行工况下通过QF2的位置接点自动退出工频的差动保护，防止在工频状况下误动，并由变频差动保护87作为主保护，从而满足文献《火力发电厂厂用电设计技术规定》的要求。变频器至电动机的电缆保护由变频器自带保护承担，开关柜至变频器电缆、变频器的输入变压器保护由开关柜保护装置承担。

图2 某电厂引风机保护配置

3．3 变频差动保护原理

为实现引风机变频工况下的差动保护，采用实时频率测量、实时频率跟踪、实时电流互感器偿的方式来实现装置的宽频率运行。本方案采用基于傅氏滤波的测频算法，该算法具有较强的滤波能力，且其计算数据还可用于幅值测量，有较好的实用性。装置采用了电压或电流相结合的测频模式，当装置外回路不能接电压时，则采用电流测频。同时，装置的频率测量采用了软件过零点测频算法和实时频率跟踪相结合，考虑到不同频率下幅频特性的不一致，采用了幅值自动补偿功能，从而保证装置在不同范围内具有可靠的采样精度，实现保护装置的正确可靠动作。

3．4 变频差动保护测试

引风机变频工况下的差动保护采用南京南瑞继保电气有限公司的RCS—9627CN电动机保护测控装置。装置采用新型的32位嵌入式仿真平台ARM+DSP结构及工业用实时多任务操作系统，实现了大容量、高精度的快速、实时信息处理，并采用了高分辨率的并行模拟一数字(analog／digital，A／D)转换器，每周期24点高速采样、实

时并行计算。为验证装置在变频工况下的运行可靠性，采用北京博电新力电力系统仪器有限公司的PW40A型继电保护测试仪对装置进行了变频工况下的特性测试，测试结果见表1。

表1 高压变频器保护测试数据

从测试结果可知，在变频器通常运行频率范围(15~65 Hz)内，采用该保护配置能够正确进行交流采样，并能够准确动作。

四、 结束语

从上面的叙述我们可以看出，高压变频器在电厂中的广泛应用，它操作简便、节能环保且运行稳定，是目前社会的一项比较成熟的高科技术。由此可见，带变频器的电动机保护，能对电动机提供快速可靠的保护，为发电企业节能减排、安全稳定运行提供了技术保障。