“高—高”模式变频器系统的保护配置方案

王培军，于 青，裴善鹏

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

随着科技技术的进步，大功率的电子器件逐渐的走进了我们的生活，不但改变了我们某些生活方式，也为社会的发展带来了革新式的发展。随着能源问题的凸显，大功率电子器件给社会带来的节能效益也日益凸显。 高压变频器的巨大节能效益以及方便的操作使用，使其开始广泛应用。 目前针对高压变频器带来的节能效益分析的文章很多［1-5］，但是对于其使用的合理配置保护的文章相对较少，而且很多文章只是提出了配置方案［6-8］，但对于真正可以在设计中直接使用的方案谈及很少。 从火电厂设计角度，对变频器系统进行分析，针对不同的接线方式及其负荷给出相应的保护配置方案；针对其他的保护问题，提出相应的保护措施。

1 高压变频器系统

高压变频器技术集成度高，投资大，只能在大容量的电气系统中使用，在节能过程中逐渐收回成本。 因此，从经济角度讲，在火电厂中的一次风机、凝结水泵、热网循环水泵等辅机使用高压变频器系统的合理性更大。

大功率的电机电压等级较高，而现有的功率元件耐用水平有限。 因此针对大功率的异步电动机，现有的变频器系统有两种调速方式：“高—高”，“高—低—高”。 “高—低—高”模式中，采用两级变压的方式，先降压，经过低压变频，再升压，虽然对电子器件的要求减低，低压变频技术成熟，但是两级变压的处理，效率较低；此模式需要两级的变压器，因此占地面积较大。 总体的优势不明显。 “高—高”模式，采用多个功率单元模块串联，直接高压变频转换。 这种方式节省了升压、降压变的投资及其带来的损耗，提高了效率。 采用高压变频器的大容量电动机系统一般都采用“高—高”模式。 本文将对“高—高”模式系统进行保护方案讨论。

因为元件串联存在均压问题，因此“高—高”模式一般采用功率单元模块的形式，此种拓扑结构可以避免均压问题，每个功率模块不必承受高压，功率模块的单元化，也大大的减小了系统的复杂性，如图1所示。 此种类型的变频器主要包括：移相变压器和单元功率模块两大部分组成。

图1 “高—高”模式功率单元串联变频器示意图

为了达到高压输出要求，移相变压器一般采用15或18个副边，每边由5个或者6个串联的变频模块组成，每个变压器的副边给一个模块供电。

采用高压变频器的系统，一般都是容量较大、负荷比较重要、长时间运行的设备。 而变频器设备不可避免的会有损坏或者检修，因此旁路系统的设计非常重要。 目前常用的旁路接线系统“有一拖一”，“一拖二”两回路，“一拖二”三回路的接线方式，图2、图3、图4所示。

2 配置保护方案

通过分析“高—高”模式变频器系统，可知对于此系统的保护主要集中在三部分上：移相变压器，功率元件，电动机。 由于采用变频器的系统，差动保护有其特殊性，因此根据DL/T 5153/2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》9.6.1条之内容，在设计过程中通常将变频器系统的保护分为两大类：负荷小于2000kW和负荷大于等于2000kW。

2.1 负荷小于2 000 kW

图2 “一拖一”示意图

图3 “一拖二”两回路示意图

《力发电厂厂用电设计技术规定》中对于低于2 000 kW的负荷回路没有差动保护的要求。 因此，对于此类变频器系统保护配置如下考虑：

1）移相变压器。 一般的变压器保护需要配置过流保护、过流速断保护、过载保护、接地（零序）保护、过热保护等。 因为移相变压器有多个副边，某一副边短路时其短路电流不足以影响整个变压器，但是此问题可以在功率模块中反映出来，因此可以不配置过流保护。 对于过载保护，如果电动机配置了过载保护，就可以不配置变压器的过载保护，简化保护配置。

图4 一拖二三回路

2）功率模块。 功率模块主要考虑过电压保护，欠电压保护，IGBT驱动保护等。

3）电动机。 对于电动机的保护，主要分供电系统保护和电动机自身保护两方面。 对供电系统保护主要考虑低电压保护、断相或三相不平衡保护。 电动机自身保护主要考虑相间短路保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、轴承保护等。

在设计过程中，对于移相变压器和功率模块的保护可以要求变频器厂家提供配置，且一般厂家都配置这部分保护。 设计院主要针对电动机配置相关的保护，电动机的相间短路保护主要配置电流速断保护的方式，速断保护的整定电流值要躲过电动机的启动电流。

对于三种接线方式的保护，变频系统进线开关（如图2中QF，图3中QF1、QF2）安装进线开关及其电动机保护。 对于“一拖二”三回路接线方式变频器开关（图4中QF），因为QF始终接的是移相变，故应装设变压器保护。 对于“一拖二”两回路接线方式，电动机保护在电动机工频运行时投入，变频运行时仍然运行作为变压器保护的后备保护。 对于其旁路系统进线开关 （如图4中QF11、QF12）安装电动机保护。 从另一个角度说，电动机保护在工频运行下由开关柜电动机保护实现；变频运行下由变频器保护实现。 变频器保护由厂家保护实现。

2.2 负荷大于等于2 000 kW

按照 《力发电厂厂用电设计技术规定》的要求，2 000 kW以上但是速断灵敏度不够或者容量大于2 000 kW的电动机需装设纵差保护。 但由于电动机调速后，进线电流与电动机中性点电流不同频率，以工频计算的差动保护将不能工作，必须在变频运行方式时退出运行。 目前市场上没有成熟的可运用于变频回路的差动保护装置产品，因此对于负荷大于2 000 kW的系统保护配置要特别处理。

一般而言，由于变频器的IGBT等电力电子元件的过流耐受裕度较电机绕组、电缆等耐受度要小得多，因此对于电动机的较大电流故障，变频器控制系统控制切断输出的动作速度小于毫秒级，而一般继电保护动作时间在10 ms甚至更长，因此实际上在变频运行方式下安装的差动保护根本无法起到作用。 只要在变频运行时，变频器系统控制切断输出的动作设定合理就可以做到保护的作用。 因此变频系统在变频运行时的保护关键在于变频器控制系统的保护配置。

根据“IEC61800-4一般要求：高于1kVAC不高于35 kVAC的交流电力驱动系统的标称特性”第九章“电力驱动系统的整体要求”9.3节“保护接口”中要求，以及根据大量工程经验，目前一般大于2 000 kW的电机在变频后，电动机保护都由变频器控制系统完成。 因此需要变频配置完善的保护功能，如速断、过流、过负荷、过压、欠压、单相接地、超速、非电量等相关保护。

通过以上分析，对于负荷大于等于2 000 kW的变频系统，“一拖一”、“一拖二”两回路的变频系统进线开关（如图2中QF，图3中QF1、QF2）安装差动保护及其电动机保护，且差动保护设置自动投退功能。 在工频运行时，差动保护作为主要保护。 在变频运行时，差动保护自动切除，变频器自身配置的保护作为主保护，变压器保护作为后备保护。 对于“一拖二”三回路的变频系统（图4）中断路器QF配置变压器保护，断路器QF11、QF12配置电动机保护及其差动保护。 变频运行时，变压器保护为后备保护。

对于大于2000 kW的电动机，一般在电厂中都承担非常重要的作用。 因此在设计过程中，需要变频器供货商提供完整的变频器保护，以保证回路的安全运行。

3 特别说明的保护问题

3.1 过热保护问题

过热问题在所有的设备都会存在，在大功率的电力电子器件中尤为突出。 因此变频器系统的过热问题不可忽视。

首先，移相变压器尤其是干式变压器，其热平衡性能差，如果温度过热，其绕组的绝缘就会遭到破坏，导致变压器不能正常运行。 因此，对移相变压器配置绕组温度监视及过热保护是非常重要的。 因此在设计过程中，必须要求厂家配置相关的保护配置。 变频器的控制系统可以根据此保护进行相关的报警或者紧急停机操作。

其次，功率模块因为IGBT在高频率运行，其开通关断损坏都会产生热量，因此发热问题比较大，而且，电力电子器件本身具有工作温度限制，功率模块一般只能运行在-10～40℃，环境温度如果大于40℃时，功率模块必须降额使用。 功率模块运行不稳定很多是由过热造成。 因此必须配置过热保护，过热保护不能以环境温度、装置内的空气温度为测量点，必须直接测量电力电子开关器件的温度。 因此在设计过程中，必须要求生产厂家做到这一点。 此外，必须做好必要的通风风道，尽量降低环境温度，保证设备寿命。

第三，变频运行中，缺少了差动保护，对于电动机的相间短路故障，变频器保护反应灵敏，但是对于电动机定子等内部逐渐累积性的故障，变频器保护的反应灵敏性不够。 此类故障很多都是由于过热问题造成。 因此在设计过程中电动机的保护必须配置过热保护。

因此对于三种接线方式中，各回路必须配置过热保护功能。 而且在设计过程中，电气专业要跟暖通等相关的专业进行协调沟通，做好通风，保持室内温度。

3.2 接地保护问题

变频器是目前主要的谐波制造源之一，在变频系统中虽然变频器输出的波形近似完美的正弦波，但是其输出电压中含有高次谐波成分。 当发生单相接地时，由于高次谐波的存在，加剧破坏定子绝缘。 因此，变频系统的单相接地对整个变频系统，尤其是电动机的危害远远大于工频运行下发生单相短路的情况。

变频器系统的接地保护主要针对三个方面：移相变压器输入部分，变频器功率输入部分，变频器功率输出部分。 对于移相变压器输入部分的接地保护，在设计过程中，可以通过在进线回路上装设接地保护实现。 对于移相变压器的输出部分，由于输出的每一副边是互相独立的，因此当某一副边发生接地故障时，不会影响其他的副边回路。 但是输出部分发生接地故障时，并不能在原边反映出来，但是肯定会对其连接的功率模块有影响，即反映为功率模块的输入接地故障问题。因此，在设计过程中必须要求厂家配置相对应的变压器副边接地保护或者通过模块保护实现。

变频器功率输出部分接地保护是设计院作为保护配置需要考虑的问题。 变频器功率输出部分接地保护主要分为连接电缆接地保护和电动机接地保护。 电动机单相接地是电动机常见的故障之一，也是易引起相间短路故障的原因。 目前“高—高”变频器输出系统一般采用不接地运行方式，由于变频器的输出频率随着电动机的负荷而变化，当负荷很小时，变频器的输出频率也较低，相对应的输出电压也很低，此时发生单相接地故障时，其零序电流也很小，易发生接地保护拒动作问题。 目前很多厂家的产品对于此问题并没有很好的解决方案，有些产品甚至不配置接地保护。 但是鉴于变频系统不能采用差动保护的特殊性，接地保护必须配置。

按照 《电力工程电气设计手册—电气二次部分》的有关规定：“对于单相接地电流大于5 A，应该设置接地保护，接地保护小于10 A时装设接地检测装置”。 针对于变频系统，在设计过程中采用零序电流定子接地保护，对于报警值及跳闸限值的选择，按照负荷最低值估算电动机的最低频率长期运行的情况下零序电流值的大小。 在满足规定要求的情况下。 按照上述的计算值进行保护设置。 在保护动作后，如果零序电流值小于跳闸值可以采取只报警不跳闸的运行方式。 对于比较重要的设备，可以适当的减小报警值设计。同时安装接地检测装置，在报警发生后要及时的检测设备系统。 其次，要求变频器厂家配置有关的变频器接地保护。

4 结束语

随着节能意识的提高，在电厂中变频器的使用率将大大提高。 目前我单位设计的白杨河、和丰等工程中都涉及到了“高—高”模式的大功率变频器。 比如白杨河电厂中的凝结水泵（“一拖二”三回路接线）、循环水泵（“一拖一”接线）和一次风机（“一拖二”两回路接线）都使用了广东明阳龙源电力电子有限公司配置的“高—高”模式的大功率变频器。 保护配置采用上述文中提到的方案，运行效果良好，到目前位置没有因为保护配置的导致误动作或者拒动作的事件发生。 本文提出的保护方案的配置对电厂设计中变频器的保护有较好借鉴作用，也为变频器厂家提供更好的配置方案提供思路。

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