关于6kV风机工/变频运行继电保护自动切换问题的研讨

朱中艮 孙岩松

摘要：现代火力发电厂为了保证高压辅机运行的经济性和可靠性，采用变频和工频两种运行方式。但这在高压电动机的继电保护方面出现了一个问题：在工频、变频两种不同运行方式下其保护定值不同，如何使高压电机在运行过程中切换运行方式时有准确的保护定值保护其可靠运行。本文将探讨如何利用一台可编程高压电动机综合保护器通过风机运行方式转变来自动调整两种不同运行方式下的继电保护定值，以可靠保护当前运行方式下的高压电动机，并如何应用于电厂实际生产中。

关键字：火力发电厂；高压电机；工/变频运行；继电保护；自动切换

1 引言

建设节约型社会是国家提出的新的发展思路，现代电力生产过程中，为了让能源得到充分利用，火电厂在泵和风机等辅机中多采用变频调速技术。实践证明，采用高压变频技术进行辅机节能可有效降低火力发厂厂用电率，特别是调峰机组负荷变化频繁情况下，低负荷状态下变频运行能将阀门和风门挡板的节流损失降到最低.因此，大多数电厂高压辅机都安装了变频器，采用变频和工频两种运行方式，正常情况下采用变频运行方式，变频器故障或高负荷状况下采用工频运行方式，但这在高压电机的继电保护方面出现了一个问题。在工频、变频这两种状态下其保护定值不一样，如何使高压风机在不同的运行方式下都有准确的保护定值保护其可靠运行，由此引出我们对6kV风机工/变频保护自动切换问题的研讨。

2 发现问题

某电厂#1、2机组调试过程中，遇到这样的问题：该厂一、二次风机保护选用一套美国通用公司M60电动机综合保护装置，一、二次风机正常采用变频调速方式运行，变频器故障时由变频切换至工频方式运行。但保护定值不能随运行方式变化而进行切换，从而可能造成保护的误动与拒动或者设备处于无保护运行，设备安全运行存在重大隐患。如何才能使不同运行方式下的风机均能得到有效、可靠地保护成为我们要解决的问题。

3 选择解决方案

3.1 方案提出

根据发现的问题，拟定出三种解决方案，如图1。

3.2 方案分析

方案一：停车后手动切换保护定值。

该方法虽然不要进行任何改动，其经济性好，但要在停车人工修改定值后，才能改变运行方式。这样不仅造成了不必要的停机，每次都要手动输入定值，存在输错定值的安全隐患，而且风机每次切换运行方式都必须停机，不能实现风机工频、变频运行方式的自动切换。因此该方案可行性不强。

方案二：加装一套保护装置，采用两台保护装置分别作为工频、变频保护。

该方法可行性很强，也能实现风机工频、变频运行方式切换时保护自动切换，避免停车重输定值的麻烦；但其成本要求极高，该电厂全厂一、二次风机共8台，要多购置8套保护装置，因此其经济性比

较差。

方案三：修改装置保护定值组的控制逻辑。

该方案在保护装置内部设定两组保护（保护一：变频方式；保护二：工频方式），修改控制逻辑，通过外界触发，实现两组保护的自动切换。不仅节约了成本，而且实现风机工频、变频运行方式切换时保护自动切换，既避免了停车重输定值的麻烦，又为风机两种运行方式的自动切换创造了条件。

3.3 方案选定

根据提出的三种方案及上面的详细分析，从可行性、经济性、所需时间、实用性四个方面对方案进行评价，总结成下表2：

经过可行性、经济性、所需时间、实用性四个方面比较，最终确定采用方案三。

4 最终方案的分析、实施

4.1 方案深入分析

结合现场实际情况，认真研究了美国通用M60保护装置的说明书和设计院图纸，在熟练掌握保护装置的逻辑图和风机控制回路图后，展开了认真分析，以下均以一次风机为例：

4.1.1 高压变频器工频旁路一次接线方式：

本厂一次风机高压变频器柜放在就地的变频器小室内，变频器选用的是西门子（上海）电气传动设备有限公司的高压变频器。采用工频自动旁路，变频器输入侧、变频器输出侧、以及工频旁路均采用小车真空断路器，工/变频切换既可以手动切换又可以自动切换。变频运行时，电源进线开关、变频进线开关、变频出线开关合闸，旁路开关为分闸状态；工频运行时，电源进线开关、旁路开关合闸，变频进线开关、变频出线开关为分闸状态。

4.1.2保护配置及控制说明

高压变频器与低压变频器结构有所不同，高压变频器输入端利用移相变压器，将6kV高电压变成多个低电压，然后再输入到各功率单元内进行整流逆变，最后把各相单元串联输出至高压电机。鉴于高压变频器特殊的结构方式，相比一般工频运行状态，变频器上级进线开关继电保护整定值必须独立。首先变频运行状态下大容量电机不能投入差动保护，因为经过变频电机两侧CT的电流和相位都发生了较大的变化；其次变频器启动运行前上电应考虑移相变压器的励磁涌流问题，第三变频运行与工频运行负载电流差异较大，其过电流保护定值也不应相同。

一次风机进线开关综合保护装置选择美国通用公司M60型保护装置，安装在6kV开关室母线侧电源开关侧。变频器自身装置内设有以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、失速保护、变频器过载保护、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，并能联跳输入侧6kV开关。因此，工频运行时，M60装置作为电缆线路及电动机的主保护；变频运行时，M60装置作为电缆线路和移相变压器主保护以及变频器的后备保护。

综上该电厂一次风机馈线开关定值单如下：

4.1.3 M60综合保护装置简要说明

M60是一种微机式电动机保护系统，该系统用于中型和大型电动机的保护与管理。它除了具有先进完善的保护功能（其功能框图见图4）外，还具有先进的自动化功能，包括强大的FlexLogicTM可编程逻辑、通讯以及SCADA能力。还具有多定值设置组，6个独立的定值设置组可以存储在M60非易丢失的存储器中，并提供了一种易于使用而且是完全可编程的机制，这种机制可以快速的切换启用的整定值。多定值设置组适用于所有保护元件。

4.2 最佳方案实施

经过以上深入分析，对方案实施做出如下安排，见图4：

4.2.1修改控制回路

通过以上分析，并结合M60保护装置的接线图（见图6）、设计院图纸，在变频器小室工频旁路开关选取一副辅助常开触点，利用控制电缆两根备用芯送至6KV开关室保护装置，接到6kV开关柜内（X5：68，X5：73），即M60保护装置的ANALOG I/O的H7a、H7b，对应于装置内节点输入1（contact input 1）。当变频器小室内工频旁路开关合上后，即工频运行时，M60保护装置内节点输入1（contact input 1）即为ON；反之， contact input 1即为OFF。

4.2.2 输入定值并修改逻辑

利用M60强大的完全可编程的多定值设置组，在定值组1内输入变频运行下的定值，在定值组2内输入工频运行下的定值。并进入SETTINGS→CONTROL ELEMENTS→SETTINGS GROUPS菜单下修改定值组控制逻辑，下为修改后定值组控制菜单图（图6）、以及修改的定值组控制逻辑图（图7）。修改后，整体逻辑为：变频运行时，工频旁路开关断开，则保护装置内contact input 1（H7a）即为OFF，装置默认为定值组1，即投入变频定值；当由变频切换至工频时，工频旁路开关合上，保护装置内contact input 1（H7a）即为ON，根据修改后的逻辑，定值组自动切换至定值组2，即自动投入工频定值。

5 实施效果

（1）运行效果。经厂家论证和现场试验达到了理想效果，当风机改变运行方式时保护定值组随之成功切换，运行1年多来，电厂全厂8台风机，8套保护装置全部运行良好，定值组切换正确，没有发生一次因为定值切换问题造成误停车。

（2）经济效果。节省了加装保护装置昂贵的费用，顾桥电厂全厂一、二次风机共8台，少购置了8套保护装置，每台10多万元，合计80多万元。

（3）安全稳定效果。避免了停车后重输定值的麻烦，而且避免每次切换都重输定值，容易出错，影响风机安全稳定运行；实现了两种运行方式切换时保护自动切换，这样就可以实现变频器故障时自动切换至工频运行方式，保证了风机不停车，为机组安全运行提供了便利条件。

（4）社会效果。据了解，电机工频/变频运行方式切换时保护自动切换在安徽省电力系统内尚属首次，在2011年度安徽省电气继电保护年会上得到了与会专家和同行的肯定。

参考文献

[1]DL/T 994???—2006 ，火电厂风机水泵用高压变频器[S]，中华人民共和国发改委，2006-3 [2]淮矿电力顾桥电厂，继电保护整定计算书[G]，淮矿电力，2011-3

[3] 西门子电气传动设备有限公司，完美无谐波中压空冷GEN3系列高压变频器用户手册 [R]， 2010-1

[4]郭光荣，电力系统继电保护[M]，高等教育出版社，2006-7

作者简介

朱中艮，男，工程师，从事发电厂生产管理工作。

孙岩松，男，高级工程师，从事发电厂生产管理工作。