CN204761361U - 一种保护高压变频电机的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种保护高压变频电机的系统，包括高压电动机，与高压电动机连接的变频器，变频器通过设置有进线开关QF的进线连接厂用高压母线；所述的变频器的下方设置有工频旁路，所述的工频旁路一端连接高压电动机，另一端连接设置有进线开关QF所在的进线；所述的工频旁路为三组并列设置的带有旁路开关K3的电路。本实用新型为电路结构简单，且在高压变频电机在运行过程中，能够实现可靠性更加稳定，使用效率高，可以自适应电动机工频或变频方式的运行，无需认为干预的火力发电厂高压变频电机保护系统。

Description

一种保护高压变频电机的系统

技术领域

本实用新型设计火电厂电机保护领域，具体为一种火电发电厂高压变频电机保护系统。

背景技术

随着国家能源政策的要求，节能减排作为一项重要的工作已在多个行业展开，而在大型火力发电厂，厂用电率的降低势在必行。对于占厂用电绝大部分的高压电动机来说，节能领域的重要技术措施就是高压变频技术的应用。随着电力电子技术的发展，特别是国内变频器厂家的发展，变频器价格越来越低，使得变频器在电厂得到了越来越广泛的应用。目前的新建电厂，重要辅机如风机、水泵等，一般均要求考虑配置变频器拖动；越来越多的已建电厂正在进行或已完成高压电动机采用变频器的改造。高压电动机采用采用变频器拖动后，电动机保护如何配置才能保证机组安全可靠的运行，成为电厂、设计院、保护厂家十分关注的问题。

高压变频调速：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，同时这些水泵和风景所在系统通常需要频繁且幅度较大的流量调节。传统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。

现有的一般变频器电动机保护配置有：电动机保护测控装置、电动机差动保护装置（对于2000kW以上电动机配置）、变压器保护测控装置。电动机保护装置和变压器保护装置通过旁路开关进行功能的投退：即旁路开关断开，此时为变频器拖动电动机方式，变压器保护装置投入，电动机保护装置和电动机差动保护装置退出；当旁路开关闭合，此时为工频电网直接拖动电动机，电动机保护装置和电动机差动保护装置投入，变压器保护装置退出。此种保护配置方式主要存在两个问题：对于2000kW以上的电动机，规程规定需要配置差动保护，因此，在变频器拖动电动机情况下，电动机差动保护退出，保护的可靠性受到影响；任意时刻，变压器保护装置、电动机保护装置只有一台投入使用，降低了装置的使用效率。

因此，改变现有电动机的保护系统，使其保护的可靠性更稳定，且大大提高使用效率的高压变频电机保护系统，已经是一个急需解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种电路结构简单，且在高压变频电机在运行过程中，能够实现可靠性更加稳定，且使用效率高的火力发电厂高压变频电机保护系统。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种保护高压变频电机的系统，包括高压电动机，与高压电动机连接的变频器，变频器通过设置有进线开关QF的进线连接厂用高压母线；所述的变频器的下方设置有工频旁路，所述的工频旁路一端连接高压电动机，另一端连接设置有进线开关QF所在的进线；

所述的工频旁路为三组并列设置的带有旁路开关K3的电路；

所述的变频器包括整流变压器和控制柜，电机保护系统采用差动保证装置，所述的差动保护装置的电流设置有3组CT，即设置在开关侧的CT1、变频器下方电动机上方增加的CT2和中性侧CT3和同时引入的工频旁路开关接点；

所述的CT2安装于变频器柜中，与CT3为同一频率下的电流，二者构成差动保护；

积极有益效果：本实用新型为电路结构简单，且在高压变频电机在运行过程中，能够实现可靠性更加稳定，使用效率高，可以自适应电动机工频或变频方式的运行，无需认为干预的火力发电厂高压变频电机保护系统。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为保护动作逻辑框图一；

图3为比率差动保护的动作曲线图；

图4为保护动作逻辑框图二。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，一种保护高压变频电机的系统，包括高压电动机，与高压电动机连接的变频器，变频器通过设置有进线开关QF的进线连接厂用高压母线；所述的变频器的下方设置有工频旁路，所述的工频旁路一端连接高压电动机，另一端连接设置有进线开关QF所在的进线；

所述的工频旁路为三组并列设置的带有旁路开关K3的电路；

所述的变频器包括整流变压器和控制柜，电机保护系统采用差动保证装置，所述的差动保护装置的电流设置有3组CT，即设置在开关侧的CT1、变频器下方电动机上方增加的CT2和中性侧CT3和同时引入的工频旁路开关接点；

所述的CT2安装于变频器柜中，与CT3为同一频率下的电流，二者构成差动保护；

所述的火电发电厂高压变频电机保护系统的保护方法为：

当电动机通过工频旁路运行，此时由厂用电中高压母线10kV工频电压直接驱动电动机，进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及电动机本体；此时按照常规电动机保护的要求配置电动机保护，有差动保护要求的，配置电动机差动保护；

当旁路开关K3断开，电动机由变频器拖动，进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及变频器，由于变频器包括整流变压器和控制柜，即进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及整流变压器；此时电动机成为与厂用电母线隔离后的高压变频器的负荷，因而电动机的保护由高压变频系统的控制器实现。

当电动机通过旁路运行，此时由厂用电中高压母线10kV工频电压直接驱动电动机，进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及电动机本体。因此，此时应该按照常规电动机保护的要求配置电动机保护，有差动保护要求的，需要配置电动机差动保护。

当旁路开关K3断开，电动机由变频器拖动时，进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及变频器，由于变频器一般由整流变压器、控制柜等部分构成，即进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及整流变压器。此时电动机成为与厂用电母线隔离后的高压变频器的负荷，因而电动机的保护应由高压变频系统的控制器实现。

1、变频器电动机差动保护原理

在使用变频器拖动电动机的情况下，传统电动机差动保护无法使用的原因为：电动机机端CT为图1中开关柜处的CT1和电动机中性侧CT即CT3这两处CT的电流频率不相同。有文献提出采用磁平衡差动保护来实现，但实际中存在几个问题：

1）目前发电厂使用的电动机基本上都无法提供磁平衡差动所需要的中性侧电缆引出；

2）磁平衡差动的电流是在变频器下方，非工频电流，对于微机保护，按照工频50Hz整定的定值不适用于非工频情况下。

由于差动保护的两侧电流必须为同一频率下电流，可考虑在变频器下方、电动机上方加装一组CT，即CT2，此组CT可安装于变频器柜中，由CT2和CT3两组电流构成差动保护。

常规差动保护为相量差动，其原理是用傅立叶算法，根据一个周波的采样点计算出流入流出电流的实虚部，再计算出差动电流和制动电流的幅值、相位后用相量比较的方式构成判据。由于电流非50Hz工频，因此在进行傅里叶计算时需要通过频率跟踪保证计算结果的正确，由于变频器下方无电压引入，因此通过常规的电压跟踪频率方式无法实现。有厂家提出利用电流跟踪频率，但由于电流跟踪频率存在较大的误差，容易引起保护的误动、拒动，在实际中并不采用。对于差动保护中采用的采样值差动，为微机保护中所有通道采样为电流在同一时刻的瞬时值：当被保护设备没有横向内部故障时，各采样电流值之和为零；当发生内部故障时，各采样电流值之和不为零。采样值差动保护就是利用采样值电流之和(也称为采样值差动电流)按一定的动作判据构成的。

与常规相量差动保护相比较，采样值差动具有动作速度快、计算量少等特点，是微机差动保护领域的一个突破，己应用于母差、变压器等保护中。采样值差动不涉及傅氏计算，变频器所带来的谐波也不会影响其计算精度，因此，对工作于25～50Hz的高压变频电动机，其差动保护完全可以利用该算法实现。差动保护装置电流输入有3组CT，分别为开关侧CT1、变频器下方电动机上方增加的CT2、中性侧CT3，同时引入工频旁路开关接点。当旁路开关接点闭合时，此时为常规相量差动，采用傅里叶算法，差动电流为CT1和CT3电流；当旁路开关接点断开时，此时为采样值差动，采用采样值差动算法，差动电流为CT2和CT3电流。

2、变频器电动机差动保护装置

保护模式的自动识别

通过K3开关位置切换装置的保护模式，当K3闭合时，装置为工频模式，当K3打开时，为变频模式。装置可通过K3开关的合位接点或跳位接点实现两种保护模式的自动切换：

1)当K3开关提供的“合位”接点时，该接点通过硬接线引入装置的“电机模式切换”开入，该开入为1时，在工频保护模式下；开入为0时，在变频保护模式下。

2)当K3开关提供的“跳位”接点时，该接点通过硬接线引入装置的“变频模式切换”开入，该开入为1时，在变频保护模式下；开入为0时，在工频保护模式下。“电机模式切换”和“变频模式切换”均为装置内部开入，装置默认提供的是“电机模式切换”开入，也就是默认情况下，请接入K3开关的“合位”接点。如果外部提供的是K3开关的“跳位”接点，可在装置开入自定义中设置为“变频模式切换”。

装置保护功能及原理

2.2.1差动保护原理

1）差动起动元件

装置差动速断和比率差动采用突变量起动元件和过流起动元件，当差动电流发生突变或者差动电流的最大值大于相应的过流定值时，起动元件动作并展宽10s，开放起动继电器。

2）差动电流制动电流计算公式

按照同名端同在一侧的原则，进行差动电流的计算，即为两侧电流的矢量和；制动电流按照两侧电流矢量和的一半计算。

电机两侧CT可能存在变比不一致的情况，利用折算至电机中性侧的平衡系数K_ph1或K_ph2来修正此影响。

平衡系数：

4）比率差动保护

装置采用三折线比率差动原理，其动作曲线如3图所示，第3折线斜率固定为1。比率差动保护必须在电动机不在停机态时，方才有效。

保护动作逻辑框图，如图4所示；

保护动作判据

式中，I_cdqd：比率差动保护动作电流整定值（A）

I_e：电动机运行额定电流二次值（A）

5）延时CT断线告警功能

延时CT断线判别逻辑为：线路任一侧三相电流有一相或两相电流小于0.125倍额定电流，且其它两相或一相电流均大于0.2倍额定电流，则认为该侧发生CT断线。CT断线延时2秒，发出CT断线告警信号，但不闭锁任何保护。

6）瞬时CT断线闭锁功能

CT断线判别是基于以下假设的：

(1)CT断线不是所有相同时发生的；

(2)CT断线与故障不是同时发生的。

满足下述任一条件不进行CT断线判别：

(1)起动前某侧最大相电流小于0.2Ie，则不进行该侧CT断线判别；

(2)起动后最大相电流大于1.2Ie；

(3)起动后任一侧电流比起动前增加；

只有在比率差动元件启动后，才进入瞬时CT断线判别程序，这也防止了瞬时CT断线的误闭锁。

某侧电流同时满足下列条件认为是CT断线：

(1)只有一相或两相电流为零；

(2)其它两相或一相电流与起动前电流相等；

通过控制字投入或退出瞬时CT断线可闭锁比率差动。

7）差流越限告警

装置提供差流越限告警功能，检测到最大差动电流大于整定值，延时10s告警，但不闭锁差动保护。

本实用新型为电路结构简单，且在高压变频电机在运行过程中，能够实现可靠性更加稳定，使用效率高，可以自适应电动机工频或变频方式的运行，无需认为干预的火力发电厂高压变频电机保护系统。

以上实施案例仅用于说明本实用新型的优选实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种保护高压变频电机的系统，其特征在于：包括高压电动机，与高压电动机连接的变频器，变频器通过设置有进线开关QF的进线连接厂用高压母线；所述的变频器的下方设置有工频旁路，所述的工频旁路一端连接高压电动机，另一端连接设置有进线开关QF所在的进线。

2.根据权利要求1所述的一种保护高压变频电机的系统，其特征在于：所述的工频旁路为三组并列设置的带有旁路开关K3的电路。

3.根据权利要求1所述的一种保护高压变频电机的系统，其特征在于：所述的变频器包括整流变压器和控制柜，电机保护系统采用差动保证装置，所述的差动保护装置的电流设置有3组CT，即设置在开关侧的CT1、变频器下方电动机上方增加的CT2和中性侧CT3和同时引入的工频旁路开关接点。

4.根据权利要求3所述的一种保护高压变频电机的系统，其特征在于：所述的CT2安装于变频器柜中，与CT3为同一频率下的电流，二者构成差动保护。