变压器差动保护装置在高压电机高低速切换中的应用

概 述

华润电力铜山有限公司（以下简称铜山公司）总装机容量2×1000MW，每台机配置3台循环水泵。不同季节条件下，环境水温以及蒸发量存在比较明显的差异性，使得循环水泵的水用量在不同季节有很大的差异。在当前技术条件下，整个循环水泵的运行过程当中，仅能够通过对启停循泵的操作，实现对冷却水量的控制。此种控制模式下，与循环水泵运行相对应的水流量无法结合实际工况进行灵活的调整，设备效率长期维持在较低水平，存在严重的电能浪费问题。为在确保循环水泵稳定、可靠运行的基础之上，实现节能降耗的目的，对当前投入运行的#52循泵电机进行了双速改造。改造完成后，能够在循环水泵负载水平较高的情况下切换至高速运行，在循环水泵负载水平较低的情况下切换至低速运行，具有相当明显的应用优势。本文对公司#52循泵电机在高低速切换运行中的高低速差动保护改造方案及其效果进行了综合研究与分析，从而为同类型的技术改造提供参考。

1 电机高低速改造方案及改造后存在问题

在公司#52循泵电机原有线圈的基础之上，对电机定子绕组的连接方式进行改造。原电机定子绕组接线方法为4Y，更新后形成2Y/△，与之相对应的电机定子绕组接线为12级以及14级。在电机12级运行状态下，电机性能维持恒定状态，在电机14级运行状态下，定子绕组接线模式转变为角型接法。在这种改造方案下，保持了电机定子绕组较高的分布系数特点，所对应的输出功率仍然能够满足低速运行状态下循环水泵的功率需求。在该改造措施的实施背景之下，依赖于循环水泵电机外壳所安装的变级接线板连接方式的改变，达到实现在整个循环水泵高速、低速之间切换运行的目的。

图1 改造后电动机定子线圈原理

图2 IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之间的幅值相位关系

电机在高速运行时，定子线圈为星形接线，不影响差动保护。电机在低速运行时，定子线圈绕组三角形接线，开关侧电流和电机侧电流，幅值和相位均不相同，给差动保护的配置带来困难。国内尚没有对应的差动保护装置可以直接使用，少数有先例的电厂，或者放弃差动保护，或者根据运行工况改变CT二次路线接线。依据《继电保护和安全自动装置技术规程》要求，2MW以上电机需配置差动保护，铜山公司循环水泵电机低速运行时额定功率为2600kW，仅靠电动机电流速断保护，不能保证电机发生故障时，继电保护装置灵敏动作，有可能造成电机烧毁造成重大经济损失。根据运行工况改变CT二次回路接线，将增加工作难度和风险，使CT二次回路处于不安全之中，不宜采用。

本文通过对电机高速星形接线和低速三角形接线时，开关侧电流和电机侧电流幅值和相位分析研究，提出一种不改变CT二次回路接线的方法，满足电动机高速和低速运行时的差动保护配置要求，为大功率电动机高低速改造的差动保护配置，提供了指导性方法，具有重要价值。

2 改造后电机侧和开关侧电流幅值相位分析

改造后循环水泵电机定子线圈高、低速时接线原理如图1所示，高速时没有变化，开关侧和电机侧电流的幅值和相位相同，差动保护配置不变，低速时为三角形接线开关侧和电机侧电流幅值相位均不同，如不改变原差动保护CT二次回路接线方式，差动保护必然动作。

2.1 电动机低速运行时开关侧和电机侧电流的幅值和相位比较

为了不改变原差动保护CT二次回路接线方式，现分析循环水泵电机低速运行时IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之间的关系。根据基尔霍夫电流定律，可知：

此时，IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之间的幅值相位关系如图2，经分析得，低速运行时IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之间的幅值相位关系和变比为1的Yd-1型变压器原边与副边之间的幅值相位关系相同。

2.2 电动机高速运行时开关侧和电机侧电流的幅值和相位比较

根据基尔霍夫电流定律，电机高速运行时IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之间的关系如下：

经分析得，高速运行时IA、IB、IC和Ia、Ib、Ic之间的幅值相位关系和变比为1的Yy-12型变压器原边与副边之间的幅值相位关系相同。

3 改造后电机差动保护配置

3.1 硬件配置

原循环水泵电动机保护配置如图3，在不改变CT二次接线的情况下只能实现电机高速运行时差动保护。经上述分析电机高速和低速运行时，其开关侧和电机侧电流幅值和相位关系，分别与变比为1的Yy-12和Yd-1型变压器的原边与副边之间的幅值相位关系相同，因而考虑采用变压器差动保护装置实现改造后的循环水泵电机的差动保护，而无需根据电机的不同运行工况改变CT二次回路接线，减少因此而带来的风险并保障电动机的安全运行。

图3 原循环水泵电动机保护配置

表1 改造后循环水泵电机各侧电流实际值及差流

改造后，只需将电动机差动保护装置改为CCS-241A变压器差动保护装置，其它硬件配置不变。

3.2 定值配置

设置两个定值区，0区作为低速运行定值通过控制字将接线方式设为Yd-1型，1区作为高速运行定值通过控制字将接线方式设为Yy-12。当电机切换运行方式时，只需切换到相应的定值区就可实现差动保护。

4 改造后循环电动机试运转

电机在空载和满载的情况下均做试运行，电机高速运行时，开关侧和电机侧的电流相位和幅值完全符合变比为1的Yy-12型变压器原边与副边之间的电流关系，经CSC-241A差动保护装置计算，差流为零。电机低速运行时，开关侧和电机侧电流相位及幅值关系完全符合变比为1的Yd-1型变压器原边和副边的电流关系，经CSC-241A差动保护装置计算，差流为零。并且经多次试验，无论在何种方式下启动，启动时的电流突变不会造成差流的产生。试运转时，一组电机各侧电流及差流数据如表1。

5 结论

铜山华润电力有限公司循环水泵电动机高低速改造后，差动保护实现了电机在不同运行状态下的一键切换，避免了因更改CT二次回路带来的风险，保证了电机的安全运行。本文提出的方法为大功率电动机高低速改造后差动保护配置问题指明了道路，具有可复制性。

[1] 方昌勇，陈更.双速改造在发电厂循泵电机节能中的应用[J].浙江电力，2011（12）

[2] 李继忠.循环水泵电动机双速改造在600MW机组中的应用[J].广东电力，2012（8）