【文章內容簡介】 過載電動機進行保護，因此改造后不再考慮電動機的過載保護功能。２．５變頻系統(tǒng)中的電動機保護分析２．５．１變頻系統(tǒng)中接線方式的比較與選擇高壓變頻系統(tǒng)通常由６ＫＶ電源進線開關、移相變壓器、高壓變頻器、６ＫＶ輸出接觸器和電動機構成，作為一種萬全措施，變頻器在發(fā)電廠應用中，還要配備工頻旁路，一旦變頻器出現(xiàn)嚴重故障或正常情況下例行檢修維護時，通過旁路斷路器，電動機可以直接掛在電網(wǎng)上運行，不影響機組的正常發(fā)電。高壓變頻器設置工頻旁路一般有兩種方式，一種是手動旁路，采用旁路手動刀閘結構，在變頻器故障退出或檢修時，手動斷開變頻器輸入腧出側刀閘，再手動合入旁路刀閘。一種是自動旁路，采用旁路開關或旁路接觸器結構，工／變頻切換既可以手動進行，又可以自動進行。應用較多的一次接線方式見圖２－９。方式一中變頻器輸入側、工頻旁路采用真空斷路器小車，變頻器輸出側采用高壓限流熔斷器＋真空接觸器，旁路控制方式為手／自動旁路；方式二中變頻器輸入腧出側均采用手動隔離刀閘＋真空接觸器，工頻旁路采用真空接觸器，旁路控制方式為手／自動旁路：方式三中變頻器輸入／輸出側、工頻旁路均采用手動隔離刀閘，旁路控制方式為手動旁路；方式四中變頻器輸入側采用手動隔離刀閘．輸出側及工頻旁路采用手動單刀雙擲隔離刀閘，旁路控制方式為手動旁路。若僅考慮手動旁路方式，如方式三、四，可采用隔離閘，在變頻器檢修時一次回路中產(chǎn)生明顯斷開點。但隔離刀閘另一側依然帶高壓電，一旦檢修時人員誤碰或誤合閘，以及運行中誤切刀閘，都將會發(fā)生嚴重的人身設備損壞事故。所以方式三、四設備少，結構簡單，但防誤操作性能差，刀閘易發(fā)生操作卡澀、接觸部分發(fā)熱等問題。若考慮自動旁路方式，如方式一、二，一般采用斷路器或接觸器，方式一采用小車開關，變頻器檢修時將輸入／輸出側小車拉出即可產(chǎn)生明顯斷開點，還可以方便同時進行開關檢修工作，另ＱＦｌ、ＱＦ２開關均具備切斷故障電流的能力。方式二采用接觸器，變頻器檢修時將輸入／輸出側接觸器斷開，拉開隔離刀即可產(chǎn)生明顯斷開點，但由于接觸器采用固定式結構，電機運行中不便進行接觸器的檢修工作，另ＫＭｌ、ＫＭ２接觸器不具備切斷故障電流的能力，只能斷開負荷電流。所以方式一、二設備相對較多，但防誤操作性能較好，便于維護檢修工作。從自動旁路切換方式看，變頻切換至工頻方式可由變頻器程序自動切換，也可通過ＤＣＳ或就地控制面板來手動切換；而工頻切換至變頻，則盡可能采用ＤＣＳ或就地控制面板手動切換方式，因為工頻情況下發(fā)生故障，一般是電機或出線電纜發(fā)生故障，由電機保護動作切斷開關，再切換至變頻工況運行已無必要。故電機變頻一次系統(tǒng)設計推薦方式一，其中ＱＦｌ、ＱＦ２為小車真空開關，ＫＭＩ為小車Ｆ＋Ｃ開關。采用小車開關進行變頻器檢修時，將輸入／輸出側小車拉出產(chǎn)生明顯斷開點，另ＱＦｌ、ＱＦ２開關均具備切斷故障電流的能力。 ２．５．２變頻系統(tǒng)的工、變頻切換方式選擇對于電動機變頻起動方式，變頻器輸入的電網(wǎng)電壓經(jīng)歷了整流、逆變后，變頻器輸出電壓的相序、相位與電網(wǎng)電壓已經(jīng)無關。當電機由變頻供電投入電網(wǎng)的瞬間，如果二者相位剛好反相，則將產(chǎn)生比直接起動時的起動電流更大的沖擊電流。因此，電動機由變頻切換到工頻時，投入瞬間定子繞組中感應電壓的大小、相位將影響到能否平穩(wěn)切換。供電方式切換采用手動切換時，保護配置的切換可由人工完成；但當供電方式的切換采用自動切換時，保護配置的切換則需自適應完成。變頻器常用的輸出切換方式如圖２．１０所示。（１）冷切換：在變頻器停電時進行切換，將電機的驅動電源由變頻器切換到工頻電源，或者由工頻電源切換到變頻器，切換完成后再開機運行。這種方式最為簡單，只要增設兩個適當容量的斷路器或接觸器即可，切換過程既可以手動也可由ＰＬＣ控制。但是由于電動機拖動的負載一般不允許突然停車，所以這種切換方式不常用。（２）熱切換：在變頻器運行中進行帶電切換，具體又可以分異步切換和同步切換。①異步切換：系指只檢測電壓的幅值和頻率，而不檢測電壓相位的切換方式。當電機在變頻器的控制下，轉速達到額定值且變頻器輸出電壓的頻率與電網(wǎng)頻率（５０Ｈｚ）一致時，將電機從變頻器驅動切換到工頻電源驅動。由于電機容量比電網(wǎng)小很多，切換過程對電網(wǎng)的影響可忽略。但是必須防止切換時電網(wǎng)電壓對變頻器功率器件的沖擊，以免造成變頻器跳閘或器件的損壞。異步切換最嚴重的情況出現(xiàn)在高壓變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差１８０度時，會造成很大的沖擊電壓和電流，沖擊電流最大可達額定電流的３０倍左右。這種方式要求系統(tǒng)能夠容許切換時的沖擊和轉矩變化，一般只用于小功率低壓變頻系統(tǒng)。②同步切換：當電機功率較大（一般１００ｋＷ以上），尤其是高壓變頻器切換時，切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致，而且兩者的相位也必須相同。如果相位相差較大，會造成對電網(wǎng)和變頻器雙方的沖擊，不僅達不到軟啟動的效果，還會影響電網(wǎng)上其他設備的正常工作并損壞變頻器。同步切換是指在檢測電壓的幅值、頻率和相位后，控制高壓變頻器輸出同頻、同相、幅值可控的電壓，實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間相互平穩(wěn)切換的方式。發(fā)電廠中使用的各種電機容量較大，而且許多風機、水泵在生產(chǎn)過程中是不允許停機的，一旦發(fā)生故障會造成嚴重后果，建議在切換時采用同步切換方式，功能時所錄的電動機定子電流波形。由波形可見，ＺＩＮＶＥＲＴ變頻系統(tǒng)在瞬時停電再啟時自動搜索電機轉速，具有無沖擊再啟動的優(yōu)良控制性能。下面對此種方式的切換過程做詳細分析。（ａ）由變頻器向電網(wǎng)切換同步切換的過程是這樣的：變頻器拖動電機軟啟動，平穩(wěn)升頻到接近５０Ｈｚ，進入鎖相環(huán)路的捕捉范圍，之后在鎖相環(huán)路的作用下，鎖定變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相序和相位與工頻電網(wǎng)一致，將電動機與工頻電網(wǎng)之間的接觸器吸合，電網(wǎng)和變頻器同時向電動機供電，然后封鎖變頻器的輸出，并將電機從變頻器切出，電動機即平穩(wěn)地切換到電網(wǎng)運行。由于進行了同步操作，變頻器的輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)保持一致，在接入電網(wǎng)時對變頻器和電動機都不會有什么影響。切換過程中有一段時間變頻器和電網(wǎng)同時對電動機供電。為了使變頻器能全身而退，應該逐漸減小變頻器的負荷，可以稍微降低變頻器的輸出電壓幅值，然后封鎖變頻器的輸出，再進行切換操作。（ｂ）由電網(wǎng)向變頻器切換在由電網(wǎng)向變頻器同步切換之前，變頻器先空載加速到５０Ｈｚ，啟動鎖相環(huán)路的跟蹤技術，經(jīng)過一段時間的跟蹤調整，達到鎖定狀態(tài)后變頻器合閘，然后電網(wǎng)開關跳閘，電動機即平穩(wěn)地由電網(wǎng)切換到變頻器調速運行。為了盡量減小切換過程中對變頻器的沖擊作用，在鎖定狀態(tài)變頻器合閘之前，應稍稍調低變頻器輸出電壓的幅值，以免合閘時造成對變頻器過大的沖擊電流。在過渡到由電網(wǎng)和變頻器同時向電動機供電階段，再稍稍調高變頻器輸出電壓的幅值，逐漸將負荷從電網(wǎng)向變頻器轉移，以免在電網(wǎng)開關跳閘時對變頻器造成過大的沖擊。２．５．３工頻方式下電動機的保護配置方案雖然火電廠重要輔機采用高壓變頻調速系統(tǒng)能節(jié)能降耗、實現(xiàn)軟啟動和減少磨損，但對于發(fā)電廠而言，設備運行的可靠性是絕對第一位的，高壓變頻器節(jié)能降耗所產(chǎn)生的效益與因廠用輔機故障停機而導致發(fā)電機組減負荷甚至非正常停機、鍋爐熄火等事故所造成的損失是無法相提并論的。從以上分析可知，對電動機的保護需要充分考慮保護能應用于電動機工頻、變頻兩種運行工況。另外要注意當切換供電方式時，保護裝置也要及時地切換保護配置和整定值選取。例如，假設變頻供電時保護裝置使用采樣值差動保護，當切換到工頻供電時，保護裝置也需要停止采樣值差動保護的運算，而將此采樣電流值投入到工頻供電時的常規(guī)電流差動保護的運算中。工頻運行方式下，電動機的故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。由于電動機的微機保護主要通過測量電量（電流、電壓以及開關狀態(tài)等）來監(jiān)測電動機的運行狀況，因此面對的主要是繞組故障，繞組保護有：ｌ電流速斷保護和縱差保護。繞組相間短路時，對于２ＭＷ以下的高壓（３ＫＶ以上）電動機一般裝設兩相式電流速斷保護；為了迅速切斷電源，《繼電保護及安全自動裝置技術規(guī)程》規(guī)定，２ＭＷ及以上的電動機，或２ＭＷ以下但電流速斷保護靈敏系數(shù)不符合要求時，應裝設縱聯(lián)著動保護。２零序電流保護。當單相接地短路電流大于５Ａ時應裝設零序電流型接地保護。若接地電流大于１０Ａ，保護帶時限動作與跳閘。若接地電流小于１０Ａ，保護可以作用于信號也可以作用于跳閘。３低電壓保護。當供電系統(tǒng)電壓太低時，引起電動機的過電流甚至堵轉，會燒壞電動機。有時為了保證電壓恢復時重要電動機的自啟動，在不太重要的電動機上也應裝設作用于跳閘的低電壓保護。一些因生產(chǎn)工藝過程不允許或不需要自啟動的電動機也必須裝設低電壓保護，出口跳閘停機。４溫度保護。將雙金屬盤式繼電器或熱敏電阻、熱電偶等測溫元件安裝在電動機內部，當溫度達到整定值時動作。５過電流保護。利用慣性熔斷器、配電用低壓斷路器、各種型式的反時限特性過電流繼電器，這些保護電器的動作特性應與電動機的熱特性相配合，使電動機既得到安全保護，又不致過早動作而影響電動機的使用。６長啟動保護。電動機啟動時間過長會使電動機在啟動時間過后運行電流仍保持較大值，造成轉子過熱。當裝置實際測量的啟動時間超過整定的允許時間時，保護動作于跳閘。啟動時間過長保護可作為電動機啟動過程中短路保護的后備保護。對于三相異步電動機，應裝設電動機綜合保護測控裝置，從而實現(xiàn)對電動機的保護、測量及控制，電動機綜合保護測控裝置裝設在母線出口斷路器ＱＦ的開關柜中：對于大型（２ＭＷ及以上，或主保護靈敏度校驗不合格）三相異步電動機，還應在裝設電動機差動保護裝置，與電動機綜合保護測控裝置共同構成大型電動機的全套保護。按照上述分析，可得出電動機工頻運行方式’Ｆ的保護配置圖如圖２．１２所示。２．５．４變頻方式下電動機保護面臨的問題電動機的變頻改造達到了改善電機運行環(huán)境的目的，但是改造也會對電動機的保護產(chǎn)生一定的影響。明確系統(tǒng)變頻、工頻兩種不同運行方式下的差異，是區(qū)分兩種運行方式下保護配置、整定發(fā)生變化原因的關鍵。變頻方式下有以下幾個方面區(qū)別于工頻運行：１．采用變頻裝置后，電動機實現(xiàn)了軟啟動，啟動電流從零開始平滑上升，由工頻啟動的６～７倍額定電流降到１．２＂－－１．５倍額定電流，啟動電流顯著減小。電動機可以在較小的電流下實現(xiàn)加速、減速，發(fā)熱較小，同時啟動時間有所延長。２．目前主流的高壓變頻器為電壓型，而電壓型高壓變頻器一般都裝設有移相變壓器。在高壓變頻器、一電動機組啟動瞬間，根據(jù)實驗實測，移相變壓器將會產(chǎn)生５＂－７倍勵磁涌流。３．工頻運行方式下在不考慮各種微小擾動時輸入電動機的電流頻率保持在５０Ｈｚ；變頻器輸出側頻率將根據(jù)現(xiàn)場運行情況不斷調整和變化，輸出側電流的頻率可在０．２－－４００Ｈｚ內變化，同時變頻器輸出側電流存在一定諧波分量，尤其當電動機在低頻段工作時，諧波分量更高。４．對于變頻調速系統(tǒng)，由于附加了變頻器裝置，變頻器的輸入電流和輸出電流在頻率和相位上沒有必然的聯(lián)系．明確系統(tǒng)在變頻、工頻兩種不同方式下運行時的差異后，我們下面對變頻運行方式下電動機保護面臨的問題做出分析。首先，電動機變頻改造后，啟動電流大幅度降低，同時啟動時間有所延長，這對按照躲過啟動電流整定的保護和按啟動時間整定的保護會帶來一定的影響。其次，由于目前常規(guī)相量差動保護都是針對工作頻率為工頻附近設計的，不適用于寬頻率工作范圍，這是影響電動機繼續(xù)使用相量差動保護的最大障礙；電動機相量差動保護的工作原理是基于比較電動機兩端電流的大小與相位的。然而變頻器輸入輸出側的電流在相位上不一致，在工頻運行方式下的差動保護中，即使電動機在正常工作情況下也會有相當數(shù)量的差流出現(xiàn)。綜合以上兩方面可以知道，變頻改造后電動機差動保護的裝設位置、配置形式都會有很大的差別。再者，變頻調速時候，由于諧波電流的影響，電動機的發(fā)熱量較工頻運行方式下有所增加，這對電動機的溫度保護會產(chǎn)生一定的影響。另外由于其它諸多區(qū)別，還會造成電動機變頻運行方式下的保護會不同于工頻運行方式下。２．５．５變頻方式下電機差動保護的裝設范圍分析對于使用了變頻器的電動機來說，由于附加了變頻器裝置，變頻器的輸入和輸出電流在頻率和相位上沒有必然的聯(lián)系，因此無法實現(xiàn)差動保護。但是，對于電動機的輸入和輸出電流，它們的頻率和相位是一致的，因此可以考慮對電動機單獨進行差動保護，差動保護所需電流取自電動機的輸入側和輸出側，如圖２．１３所示。改造前的差動保護是?。?、ｃ處的電流來實現(xiàn)的。變頻改造后，可以在ｂ、Ｃ兩處使用差動原理來單獨保護電動機的安全運行。２．５．６變頻方式下電動機的保護配置方案由以上分析可知，在系統(tǒng)變頻運行時，電動機的保護配置及保護定值均發(fā)生某些變化。目前，國內變頻電機保護的配置方案通常是：根據(jù)高壓電機的容量、用途和負荷特性，選擇差動保護或電流速斷保護作為主保護，以長啟動保護、低電壓保護、過電流保護、接地保護等保護作為后備保護。因高壓變頻器輸出電流的頻率會根據(jù)實際運行需要不斷調整。在電流中含高次諧波成分的干擾下，使用傅氏算法并不能得到準確的電流值，具體分析見４．３．１節(jié)。因此，電流速斷保護、過負荷保護、過電流保護等保護所需的電流應取自變頻器輸入側。類似于工頻方式下電動機的保護配置，對于三相異步電動機，應裝設電動機綜合保護測控裝置，電動機綜合保護測控裝置裝設在母線出口斷路器ＯＦ的開關柜中；對于大型（２ＭＷ及以上，或主保護靈敏度校驗不合格）三相異步電動機，還應裝設電動機差動保護裝置。保護的配置如圖２．１４所示。２．６本章小結本章首先介紹了變頻器的原理，對主流變頻器的性能進行了分析和比較。然后分析了變頻調速系統(tǒng)中四種接線方式的優(yōu)缺點，推薦綜合性能最優(yōu)的方式作為變頻系統(tǒng)的一次接線方案，并針對這種接線方式，給出了電動機Ｔ頻運行時的保護配置。通過對變頻運行時電動機保護面臨問題的分析，文章最后給出了電動機差動保護的裝設方法和電動機變頻運行時的保護配置方。第３章 電動機工頻運行時保護問題研究工頻運行時，電動機的保護基本可以分為長啟動保護、電流速斷保護或縱聯(lián)差動保護、單相接地保護、低電壓保護、過負荷保護、堵轉保護、過熱保護等。在電動機發(fā)生斷相運行、反相運行、供電電壓不平衡以及各種不對稱故障時，鑒于負序電流可以對電動機提供了有效的保護，目前，研究電動機保護原理的文獻