增压机工变频切换中差动保护误动原因分析及处理

郑志勇

（天津陈塘热电有限公司 天津 300193）

1 引言

天津陈塘庄热电厂煤改气搬迁工程建设两套900MW级“二拖一”燃气--蒸汽联合循环供热机组。由于管输天然气供气压力保证值为2.8～3.6MPa，而M701F4型燃机入口压力要求为3.9～4.2MPa，因此本工程每台燃机配置一台德国MAN公司生产的整体齿轮多轴离心式压缩机，采用“一对一”单元制配置、无级调速变频控制方案，调整范围为70%～100%，且变频装置设置自动工频旁路。

高压变频器是由电力电子器件组成的复杂系统，因环境、元器件老化、运行工况等原因不可避免会发生各类故障。因此，为了保证机组的持续运行，燃气电厂采用变频调速控制的增压机均配置手动工频旁路。当变频器发生故障倒换运行方式时必须要停运天然气增压机及相应的燃机，影响机组安全经济运行。若在冬季发生故障将影响机组安全供热，带来不良的社会影响。应用工变频同步无扰切换技术,可以在不影响增压机及相应燃机运行的情况下实现变频、工频之间的无扰切换，是提高天然气增压机运行可靠性和经济性的重要技术手段之一，具有很高的应用价值。

2 增压机工变频同步无扰切换技术

2.1 技术原理

工变频同步切换技术是基于变频器本身的传感器系统，集成在变频器控制系统内，应用锁相环技术、实时针对电网电压进行频率、相位的精确跟随，精度高、响应快，使变频器输出同电网的工频电源同频、同相，并且允许在同期后任何时刻将电动机切至工频电源，并网时对电动机基本无冲击，实现“同步无扰”切换。

图1 锁相成功前频、工电压波形（黄色为电网波形）

图2 锁相成功前频、工电压波形（黄色为电网波形）

锁相前、后变频与工频电压波形如图1、图2所示。比较得知，变频器锁相成功前后，工频电网电压与变频器输出电压的频率、幅值、相位基本保持一致，减少了切换时产生的“短路电流”，保证了同步切换的可靠性。

图3 变频控制系统自动旁路配置方案

2.2 切换过程

变频器配置同期并网功能，应用同步切换锁相环技术，变频控制器在检测工频电压的幅值、频率和相位后，控制高压变频器输出同频、同相、幅值可控的电压，通过控制器的特殊逻辑设计实现“同步无扰”切换。变频控制系统自动旁路配置方案如图3所示。

切换过程如下：

2.2.1 变频电源切换到工频电源过程：当变频器轻故障报警时，运行人员可视故障情况选择变频切工频按钮。控制系统会自动调整高压变频器的输出电压和频率至50Hz。然后利用锁相环锁定工频电源的相位和频率，控制高压变频器使电机在稍微高于额定工频电压和频率的状态下将工频电源开关CB2闭合，此时电机由变频电源和工频电源同时供电。3S后控制器发出指令跳开CB3和CB1开关，将高压变频器退出运行，电机切换为工频旁路运行方式。

2.2.2 工频电源切换到高压变频电源的过程：选择工频切变频按钮。控制系统会发出CB1合闸指令为变频器上电，变频器启动后将自动调整高压变频器的输出电压和频率至50Hz。然后用锁相环锁定工频电源的相位和频率，控制高压变频器使电机在稍微高于工频额定电压和频率的状态下将变频输出开关CB3闭合。3S后控制器发出指令跳开工频旁路开关CB2，电机切换为变频器拖动运行方式。然后，控制系统按照增压机入口进气压力逐步进行转速调整，使增压机在最佳经济运行状态下运行。

3 增压机保护配置

针对增压机工变频两种运行工况下，如图4保护需要有两种配置方式：

3.1 在6KV电源侧开关CB0处配置线路保护装置，保护范围是6KV电源出线。

3.2 在增压机变频回路开关CB1处配置变压器保护装置，保护范围是位于变频器输入端的移相变。增压机保护由变频器本身自带的保护功能实现。

3.3 在增压机工频旁路开关CB2处配置电动机保护装置和电动机差动保护装置，保护范围是工频旁路开关出线以及增压机本体。

图4 增压机保护配置示意图

4 增压机工变频切换中差动保护误动原因分析及处理

4.1 差动保护基本原理

差动保护是大型高压电气设备广泛采用的一种保护方式，2000KW以上的高压电动机一般采用差动保护，或2000KW（含2000KW）以下、具有六个引出线的重要电动机，当电流速断保护不能满足灵敏度的要求时，也装设纵差保护作为机间短路的主保护。差动保护基于被保护设备的短路故障而设，快速反应于设备内部短路故障。差动保护的基本原理为检测电动机始末端的电流，比较始端电流和末端电流的相位和幅值的原理而构成的，正常情况下二者的差流为0，即流入电动机的电流等于流出电动机的电流。当电动机内部发生故障时，二者之间产生差流，启动保护功能，出口跳闸电动机的断路器。

为了实现这种保护，在电动机中性点侧与靠近出口端断路器处装设同一型号和同一变比的两组电流互感器TA1和TA2（如图5）。两组电流互感器之间，即为纵差保护的保护区。电流互感器二次侧按循环电流法接线。设两端电流互感器一、二次侧按同极性相串的原则相连，即两个电流互感器的二次侧异极性相连，并在两连线之间并联接入电流继电器，在继电器线圈中流过的电流是两侧电流互感器二次电流I1与I2之差。继电器KD是反应两侧电流互感器二次电流之差而动作的，故称为差动继电器。

图5 差动保护一般接线方式

4.2 微机差动保护原理

4.2.1 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绝对值和的一半计算。

4.2.2 差动速断保护

电动机内部发生严重短路故障的时候，为了迅速启动保护，而设置此功能。因为在启动过程中有瞬间的最大的不平衡电流，为了躲开这个电流，使差流速断在启动过程中也能正常工作，整定值Icdsd应大于启动瞬间的最大不平衡差电流。其保护动作判据为，DImax＞Icdsd式中，Icdsd：差动速断保护动作电流整定值（A）。其保护动作逻辑框图如下：

4.2.3 分相比率差动保护

比率差动即比率制动，又称穿越电流制动，这种制动作用与穿越电流的大小成正比，因此保护的起动电流随着制动电流的增加而自动增加。起动电流/制动电流称为制动系数，从这点上可称为比率制动。比率差动保护必须在电动机不在停机态时，方才有效。以下为三折线比率差动原理，其动作曲线如图6所示，第3折线斜率固定为1。

图6 三折线比率差动动作曲线

保护动作判据：

式中，Icdqd：比率差动保护动作电流整定值（A）

Ie：电动机运行额定电流二次值（A）

保护动作逻辑框图：

4.3 增压机工变频切换中差动保护误动原因分析及处理

当增压机在工变频切换过程中，开关CB1、CB2、CB3均闭合，此时工变频回路并联运行。由于CT2的安装位置造成其所测电流I2仅为增压机中性点侧CT3所测电流I3的1/2（如图4），此差流致使差动保护动作。针对上述非故障原因导致差动保护误动作，就需要在增压机工变频切换时闭锁差动保护。一般采取的方法是将CB3开关辅助触点接入保护装置作为闭锁保护判据，即CB3开关闭合，保护装置开入量0→1，差动保护闭锁。此阶段增压机保护由变频器自带保护功能和电动机保护装置共同完成。当CB3开关断开，增压机工频运行，差动保护自动投入。

5 结语

本文通过研究增压机工变频同步无扰切换技术原理，结合两种工况下保护配置方式和差动保护原理，分析确定增压机工变频切换中差动保护误动作原因及处理方法。

采用工变频同步无扰切换技术，在不停止增压机和相应燃机运行的情况下，实现天然气增压机系统工变频自动切换，降低了运行人员的操作量和操作难度；减少因增压机变频器故障引起的燃机非计划停机次数，提高“二拖一”燃气——蒸汽联合循环供热机组运行安全性。

[1]张立,主编.现代电力电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]贺家李,李永丽.电力系统继电保护原理（第四版）.中国电力出版社.

[3]完美无谐波空冷型GEN3系列高压变频器说明书.西门子（上海）电气传动设备有限公司.

[4]WDZ-5200系列保护测控装置说明书.江苏东大金智科技有限公司.