高压变频器工频旁路设计及保护配置整定.doc

高压变频器工频旁路设计及保护配置整定高压变频器工频旁路设计及保护配置整定 马晋辉 华能北京热电有限责任公司 北京 100023 high voltage inverter frequency bypass design and protection configuration tuning abstract in recent years high voltage power converter in the promotion and application of increasingly widespread given the production process plant reliability of the equipment running the requirements of very high frequency important auxiliary to the general transformation at the request will bypass with the frequency counter in this paper the high voltage inverter frequency relay bypass counter design and configuration setting to explore related issues keywords high voltage converter the frequency of bypass roads relay 摘要 近年高压变频器在电厂的推广应用越来越广泛 考虑到电厂生产工艺对设备运行可靠性的要求 非常高 重要辅机进行变频改造时一般都会要求配备工频旁路柜 本文对高压变频器工频旁路柜设计及继 电保护配置整定的相关问题进行探讨 关键词 高压变频器 工频旁路 继电保护 中图分类号 tm7 文献标识码 a 1 1 引言 引言 随着变频控制理论和制造工艺的进一步发展 国内外变频厂家对其变频器产品进行了 大量的技术改进与完善 变频器的运行可靠性较前几年已经有了很大的提高 但不可否认 变频器作为一个复杂的大功率电力电子装置 其长期稳定运行仍然受一定因素的影响 如 电磁干扰 元器件质量 环境温度 空气洁净度 人员维护水平等 正由于有上述因素的 存在 发电厂在厂用高压电机变频改造上抱有疑虑 发电厂重要辅机一旦跳闸 将直接导 致发电生产过程的波动 中断 给电厂安全稳定运行造成冲击 在变频改造中 如何避免 由于变频器故障造成的事故 提高机组辅机的运行可靠性 成为电厂最重要的考虑 为此 除了选择可靠性高的变频器产品外 电厂一般还会要求配置工频旁路柜 做到即使变频器 故障 检修时也可实现电机工频旁路运行 以保证辅机工频拖动而不影响发电机组的正常 运行 提高机组辅机运行可靠性及系统可利用率 高压变频器设置旁路的一次接线方式及 由此而产生的二次保护配置问题是本文讨论的主要问题 2 2 高压变频器工频旁路一次接线方式 高压变频器工频旁路一次接线方式 高压变频器设置工频旁路一般有两种方式 一种是手动旁路 采用旁路手动刀闸结构 在变频器故障退出或检修时 手动断开变频器输入 输出侧刀闸 再手动合入旁路刀闸 一种是自动旁路 采用旁路开关或旁路接触器结构 工 变频切换既可以手动进行 又可 以自动进行 应用较多的一次接线方式见图 1 6 6k kv v m qf1 qf 6kv km1 qf2 f f c c 1 1 2 2 6 6k kv v m qs1 qf 6kv qs3 qs2 6 6k kv v m km1 qf 6kv km3 km2 3 3 1 1 2 2 6 6k kv v m qs1 qf 6kv qs2 qs2qs1 a a c c b b d d 图 1 高压变频器及旁路一次接线方式 方式 a 中变频器输入侧 工频旁路采用真空断路器小车 变频器输出侧采用高压 限流熔断器 真空接触器 旁路控制方式为手 自动旁路 方式 b 中变频器输入 输出侧 均采用手动隔离刀闸 真空接触器 工频旁路采用真空接触器 旁路控制方式为手 自动旁 路 方式 c 中变频器输入 输出侧 工频旁路均采用手动隔离刀闸 旁路控制方式为手 动旁路 方式 d 中变频器输入侧采用手动隔离刀闸 输出侧及工频旁路采用手动单刀双 掷隔离刀闸 旁路控制方式为手动旁路 若仅考虑手动旁路方式 如方式 c d 可采用隔离刀闸 在变频器检修时一 次回路中产生明显断开点 但隔离刀另一侧依然带高压电 一旦检修时人员误碰或误合闸 以及运行中误切刀闸 都将会发生严重的人身设备损坏事故 所以方式 c d 设备 少 结构简单 但防误操作性能差 刀闸易发生操作卡涩 接触部分发热等问题 若考虑 自动旁路方式 如方式 a b 一般采用断路器或接触器 方式 a 采用小车开 关 变频器检修时将输入 输出侧小车拉出即可产生明显断开点 还可以方便同时进行开 关检修工作 另 qf1 qf2 开关均具备切断故障电流的能力 方式 b 采用接触器 变 频器检修时将输入 输出侧接触器断开 拉开隔离刀即可产生明显断开点 但由于接触器 采用固定式结构 电机运行中不便进行接触器的检修工作 另 km1 km2 接触器不具备 切断故障电流的能力 只能断开负荷电流 所以方式 a b 设备相对较多 但防误 操作性能较好 便于维护检修工作 从自动旁路切换方式看 变频切换至工频方式可由变频器程序自动切换 也可通过 dcs 或就地控制面板来手动切换 而工频切换至变频 则尽可能采用 dcs 或就地控制面 板手动切换方式 因为工频情况下发生故障 一般是电机或出线电缆发生故障 由电机保 护动作切断开关 再切换至变频工况运行已无必要 3 3 高压变频系统继电保护配置 高压变频系统继电保护配置 从上述一次接线中可知 采用工频旁路柜后 在电机不同运行方式下 电机 移相变 变频器 电缆等设备故障时的保护配置及保护定值均发生变化 如何明确各种故障情况下 的保护动作行为 以确定保护的配置及动作定值整定 是保证整个电机及变频系统安全运 行的关键 下面以自动旁路柜 a 为例 就变频系统在工频 变频运行方式下 各设备 故障情况的保护动作行为进行分析 3 13 1 工频运行工况保护配置工频运行工况保护配置 电动机及出线电缆的保护由 qf2 的保护装置来实现 故障类型主要包括电机定子绕 组相间短路 断线 接地 转子堵转等 电动机微机保护选配相应的电气量保护 1 电动机起动超时保护 当电动机正常起动时 电流由零突然增大 超过 1 3 e e 为电动机额定电流定值 随后电流将逐渐减小 在电动机起动时间内 电流将 逐渐减小到小于 1 3 e 以下 电动机起动结束 之后电动机起动超时保护退出 在起动 超时保护动作期间 保护速断定值 反时限电流定值自动升为整定电流值的整定倍数以躲 过电动机的起动电流 段定时限过流保护 过负荷保护在电动机起动过程中自动退出 这样可有效防止起动过程中因起动电流过大而引起误动 同时还能保证运行中保护有较高 的灵敏度 2 两段式定时限电流及反时限电流保护 段一般用于电流速断保护 反映电动机 的定子绕组或引线的相间短路 段为过流保护 作为电流速断保护的后备保护 为电动 机的堵转提供保护 反时限电流保护反映电动机严重的过负荷 3 负序电流保护 分别对电动机反相 断相 匝间短路以及较严重的电压不对称等异 常运行状况提供保护 4 零序电流保护 对于经小电阻接地的系统可采用零序过流保护作用于跳闸 对于 一般厂用电系统采用的不接地系统 可选择零序过流或零序功率方向过流保护 5 低电压保护 低电压保护是按照电压与时间整定的 在母线电压异常时将次要辅 机退出运行 以保证重要辅机的运行及其自启动 6 另 2000kw 以上电机或 2000kw 以下电动机采用的速断保护灵敏度不够时可采 用差动速断保护 3 23 2 变频运行工况保护配置变频运行工况保护配置 电动机作为高压变频器的负荷与厂用母线隔离 电动机及出线电缆的保护转由高压变 频系统控制器实现 变频器各功率单元分别由移相变压器低压侧各独立的三相绕组供电 各绕组的保护由功率单元实现 移相变高压侧绕组及进线电缆的保护则由 qf1 保护装置 来实现 1 变频器保护 变频器针对电动机 变频器可能出现的故障一般配备了过流 过载 过负荷 低电压 过电压 接地 断线等保护 a 变频器电流保护 目前大量使用的电压源型串联多电平高压变频器 其每个功率单元承受全部电机电流 1 串联级数的相电压 1 3 倍串联级数的输出功率 电力电子元件对过流的承受能力远远 小于移相变压器耐受过流的能力 为保证 igbt 不发生擎住效应 实际中 igbt 使用的最 大电流不能超过其额定电流 变频器保护中过电流和过载保护分开 主要因为 1 保护对象不同 过电流主要用 于保护变频器 而过载主要用于保护电动机 因为变频器的容量有时需要比电动机的容量 加大一档甚或两档 在这种情况下 电动机过载时 变频器不一定过电流 2 电流的变化 率不同 3 过载保护具有反时限特性 所以变频器的过流保护电路分为 2 类 一类是低 倍数的 1 2 1 5 倍 的过载保护 一类是高倍数 可达 8 10 倍 的短路保护 igbt 过流保护的实现 一是检测集电极 漏极 电压确认 igbt 是否因过流而退出饱和 如出 现退饱和现象 驱动电路将过流器件关断 二是变频器集中检测出过电流后通过主控系统 光耦合器传输到各控制电路 然后由各控制电路将过流器件关断 对于短路保护必须要有快速响应 igbt 短路有效安全工作区 scsoa 一般在 4 10 倍 10 s 以内 也就是说一般只能承受 10 s 左右的短路电流 故必须有快速短路 过流保护电路 能承受短路电流的时间与该 igbt 的导通饱和压降有关 随饱和导通压降 的增加而延长 如饱和压降小于 2v 的 igbt 允许承受的短路时间小于 5 s 而饱和压降 3v 的 igbt 允许承受的短路时间可达 15 s 4 5v 时可达 30 s 以上 存在以上关系是 由于随着饱和导通压降的降低 igbt 的阻抗也降低 短路电流同时增大 短路时的功耗 随着电流的平方加大 造成承受短路的时间迅速减小 也就是说在输出电流超过 igbt 额 定电流 10 s 内 igbt 驱动电路实现对 igbt 的关断 立即停机 过载保护则不必快速响应 可采用集中式保护 即检测输出端或直流环节的总电流 由变频器主控系统通过变频器中性点的电流传感器 霍尔 检测到变频器输出端的电流过大 当此电流超过设定值后比较器翻转 封锁所有 igbt 驱动器的输入脉冲 使输出电流降为 零 这种过载电流保护 一旦动作后 要通过复位才能恢复正常工作 变频器中主控系统 过流保护反应时间主要包括霍尔的响应时间 硬件电路响应时间 软件响应时间等 过流 保护的反应时间约为 6ms 也就是说在输出电流超过 igbt 额定电流 6ms 内 主控系统 能够由控制器统一实现对 igbt 的关断 立即停机 而目前一般厂用微机保护装置的 a d 采样精度是 16 位 采样频率为 1200hz 快速 保护动作时间约 30 40ms 断路器分闸时间不大于 60ms 一般约为 20 30ms 则保 护装置总的故障快速切除时间约为 50ms 70ms 当电机或出线电缆发生相间短路时 短路电流相当大 达到几千甚至上万安培 若靠 微机保护装置来判断故障并停运变频器 以切除故障点 整个动作时间过长 变频器器件 早就烧毁 故变频运行期间只能通过变频器自身控制器及 igbt 器件的电流保护来实现短 路故障的切除 qf1 保护装置不能实现对变频器 电机的保护 除非在变频器功率器件发 生严重短路烧毁的情况 b 变频器电压保护 变频器电压保护包括低电压保护 过电压保护 对于厂用高压电机而言 高压厂用变 的容量选择及母线电源进线开关的保护整定中已经考虑了电压波动时的电流变化问题 故 变频器低电压保护主要考虑变频器自身的特性 而非考虑母线电动机成组自启动时是否能 够持续运行 电压型变频器功率单元由于有大容量的高压电容器作为整流滤波环节 而该 电容具有一定的储能作用 在输入完全掉电情况下能够维持输出一段时间 在装置内滤波 电容越大 负荷运行频率越低 输出功率越小则可维持的时间越长 一般变频器可承受 30 电源电压下降和 5 个周期电源丧失 具体低电压 瞬停 时间根据电机定 转子的参 数频率特性 电机最低运行频率来计算确定 c 电机接地保护 电动机的单相接地是电动机较常见故障 高压变频器输出一般采用不接地运行方式 因变频器输出的高次谐波分量要比系统母线电压大 电机绕组单相接地后易导致绝缘损坏 从而扩大事故为相间故障 故高压变频器必须配备输出单相接地保护 进行告警或延时停 机 实际多采用变频器中性点经高电阻接地 对接地电阻压降进行采样以判断是否接地 但需要注意的是 单机容量在 300mw 及以上机组的高压厂用系统 为保证单相接地 时零序过电流保护同时满足选择性和灵敏性的要求 采用变压器中性点经小电阻接地方式 其接地电阻遵循各级零序过电流保护既有选择性又有足够的灵敏度 同时单相接地电流在 短时间内不致加重一次设备破坏程度的原则 零序过电流保护通常在 0 1s 时间内切除单 相接地短路 基本不会加重接地短路点的损坏程度 6 3kv 系统单相接地时 单相接地电 流 1 3 n k n u i r 对于变频器而言 其输出电压为一随电机负荷频率变化的值 当输出频率较低时 输 出电压亦较低 因此 发生单相接地时 接地电压随着输出频率的变化而变化 接地保护 电压动作值为一固定门槛值 在变频器中性点接地电阻不变情况下 输出频率较低时 接 地保护有可能无法动作 而工频工况下则不存在上述问题 d 电机断线保护 电动机断线也是电动机较常见故障 微机保护装置一般通过检测电机定子电流中的负 序分量来判断故障 而变频器检测输出电流通常采用霍尔电流传感器 当定子绕组一相断 线后 该相电流消失并低于电机设定的励磁电流 通过变频器检测到的电流与输出电流异 常保护定值进行计算比较后发 输出电流异常 而停运变频器 在负荷较大的情况下 另 两相可能同时过载 造成变频器过载保护动作 由此可见 尽管实现方法不一样 变频器也能够对电机的各种故障工况提供有效的保 护 2 移相变压器保护 移相变压器多为 h 级绝缘干式变压器 根据高压变频器容量大小所确定的功率单元串 联级数量及电压等级的不同 整流脉波数分为 18 脉波 24 脉波 30 脉波 36 脉波 以 日立公司的 6kv dhvectol hi 变频器为例 其每相 8 级单元 采用 24 脉波的移相变 压器 二次侧有 6 个移相组 移相角为 0 15 30 45 各移相组的角差 15 移相变的原理接线图及与变频器连接图分别见图 2 图 3 abcabcabcabcabcabcabcabc 0 15 30 450 15 30 45 图 2 移相变原理接线图 u5u7u8u6 5 7 8 6 5 7 8 6 b c u1u3u4u2 1 3 4 2 1 3 4 2 a b c a im 图 3 移相变与变频器连接图 从移相干式变的结构看 高 低压侧绕组的故障类型不外乎有相间短路 过流 接地 等 其所带的负载单一 仅是一个功率输出可控的大功率元件 所以与一般低压厂用变压 器保护的整定配置考虑不同 另其负载变频器配备有快速保护 与整流变压器的保护整定 也有所区别 a 变压器保护 从上面变频器的电流 电压保护分析 可知当变频器出现电流 电压异常时 不需要 移相变的保护动作来切除故障 变频器已经在较低的动作值 相当快的时间内停运变压器 所以移相变的保护不存在与低压侧断路器保护配合 躲过低压母线三相短路电流 躲过电 机最大自启动电流等问题 仅考虑作为变频器故障情况下的后备保护即可 变压器微机保 护选配相应的电气量保护 1 两段式定时限电流及反时限电流保护 段一般用于电流速断保护 反映高压侧 绕组及引线的相间短路 速断保护应考虑躲过变压器空载投入时的励磁涌流 段为过流 保护 作为变频器保护的后备保护 反时限电流保护反映变频器严重的过负荷 2 零序电流保护 反映高压侧绕组及引线的接地 对于经小电阻接地的系统可采用 零序过流保护作用于跳闸 b 功率单元保护 变压器低压侧绕组分别各带变频器一个功率单元 具体接线见图 4 变压器低压侧的 故障主要通过功率单元保护来切除 图 4 功率单元原理接线图 当低压侧发生相间短路时 从图 4 可看出短路点发生在功率单元输入侧熔断器后 则 熔断器熔断报 单元保险丝熔断 而切除整个变频器 短路点发生在熔断器前 也就是绕 组或引线发生短路 该单元的输入侧电压将发生变化 造成该单元驱动基板用电源电压下 降 报 驱动器电源低 切除整个变频器 动作切除无延时 移相变低压侧绕组数量根据功率单元数量确定 一般出厂试验报告中只有高低压侧绕 组间的阻抗压降 试验时将各低压侧绕组串联后短路 高压侧施加额定频率下的额定电流 所测的电压较额定电压的百分数即阻抗压降 标幺值 单个低压侧绕组与高压侧绕组间 短路阻抗较高低压侧绕组间短路阻抗大 以 24 绕组 3000kva 移相变为例 高低压侧绕 组间的阻抗压降约为 5 单个低压侧绕组与高压侧绕组间短路阻抗约为 7 单个绕组承 受 1 24 变压器额定容量的输出功率 则单个绕组短路时的短路电流约为 60 变压器额定 电流 故移相变单个低压侧绕组发生短路时 移相变高压侧的电流保护不会及时动作 靠 功率单元保护来切除故障 当低压侧发生单相接地故障时 因三相桥式整流电路及 igbt 元件的交替导通 低压 侧的接地能够传变反映到变频器输出侧 通过变频器接地保护动作而切除变频器 以日立 公司的 6kv dhvectol hi 变频器为例 变频器接地保护接线示意图见图 5 ebeb r1 r8 2 0k 960w 各电阻电阻值 24k 20w 4v 20ma 6kv变频 器中性点 主板 i2u yxbd1d3d5a b a v a b b cuda b c d4d6d2 i2 0 817idud 1 35u2l 驱动板电源 图 5 变频器接地保护接线示意图 变频器运行在 12 5hz c 相第八个功率单元 w8 单元输入 c 相接地与不接地时 中 性点接地电阻对地电压实测波形见图 6 图 6 a w8 单元输入 c 相接地 图 6 b w8 单元输入 c 相不接地 变频器输出侧发生接地故障后 零序电流通过中性点接地电阻构成通路 中性点对地 电压为相电压 接地电压采样板检测该电压 当电压值达到保护动作值时接地保护动作 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 1800210024002700300033003600390042004500480051005400570060006300 变频器输出侧电压 v 接地电流 a 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 保护动作值 接地电流 运行频率 图 7 变频器接地保护动作特性 由此可见 移相变压器不论发生何种类型的故障 变压器微机保护装置与变频器功率 单元保护相配合能够提供相应的有效保护 3 33 3 母线侧电源开关保护配置母线侧电源开关保护配置 母线侧电源开关作为工频 变频运行工况均需投运的设备 其保护配置只需要考虑母 线侧出线电缆短路 接地故障 同时作为移相变 电动机保护的后备保护 在 qf1 qf2 开关拒动的情况下保护动作跳闸 4 4 高压变频系统继电保护定值整定 高压变频系统继电保护定值整定 以电厂增压风机变频系统为例 系统一次接线图见图 8 设备参数如下 增压风机电 机功率 2000kw 额定电流 260a 额定电压 6kv 变频器容量为 3000kva 额定电流 288a igbt 额定电流为 600a 移相变压器容量为 3000kva 额定电流 295a ct 变 比 600 5a pt 变比 6000 100v 日立公司的 6kv dhvectol hi 变频器无单元旁 路功能 单个单元故障动作于切除整个变频器 因此对各保护装置的保护按照整定计算原 则进行定值整定如下 6 6k kv v m qf1 qf 6kv km1 dxn fv1 qf2 dxn f f c c dxn ptpt 1 1 2 2 dxn 图 8 变频系统一次接线图 4 14 1 工频旁路工频旁路 qf2qf2 开关保护配置开关保护配置 保护选择许继 wdh 821 保护装置 按照电动机保护的整定原则进行计算 a 电动机启动超时保护 保护判据已经考虑了在运行过程中由于电动机供电电源故 障 如外部近端短路造成电动机失压 故障切除后电动机自动重起动 电机二次额定电流 为 2 17a 启动时间按照实测取 20s b 电动机过流保护 过流保护 段 速断 定值按照躲过电动机启动电流 5 倍额定 电流 整定 取 11a 启动倍数取 2 倍 段定值按照电动机堵转时电流 2 5 倍额定电 流 整定 取 5 5a 延时 3s 反时限保护采用正常反时限特性曲线 定值按照 1 3 倍额 定电流整定 取 2 9a 反时限常数 tp 计算取 7 启动倍数取 4 倍 c 电动机负序电流保护 负序电流保护 段 速断 定值按照 0 75 倍额定电流整定 取 1 5a 延时 0 3s d 零序电流保护 厂用系统为中性点经小电阻接地系统 故零序电流定值按一次电 流 10a 整定 无延时 4 24 2 变频输入变频输入 qf1qf1 开关保护配置开关保护配置 保护选择许继 wcb 822 保护装置 按照变压器保护的整定原则进行计算 变压器保 护同时还作为变频器的后备保护 定值不能与其冲突 a 变压器过流保护 过流保护 段 速断 定值按 1 躲过系统最大运行方式下变压 器低压侧三相短路时 流过高压侧的短路电流来整定 最大运行方式下变压器低压侧三相 短路时 流过高压侧的短路电流为 5576a 可靠系数取 1 3 则保护动作电流为 60 4a 2 躲过空载合闸时的励磁涌流计算 励磁涌流倍数取 9 倍 则保护动作电流为 20a 按选择性要求应选择较大值 即动作电流为 60 4a 但移相变低压侧发生短路故障时 变频器功率单元在极短时间内由单元保护动作切除 变频器 动作时间远小于微机保护装置动作时间 所以 在定值整定中不考虑选择性 过 流保护 段 速断 定值按躲过空载合闸时的励磁涌流计算 取动作电流 20a 过流保护 段定值考虑定时限 仅考虑作为变频器过流保护后备即可 按照电机 2 5 倍额定电流 保护动作电流取 5 5a 延时 2 5s b 正序反时限保护 由于变压器过负荷能力远大于变频器过负荷能力 因此反时限 保护仅考虑作为变频器过载保护后备即可 按照电机 1 2 倍额定电流 保护动作电流取 2 6a 反时限时间常数取 3 3 c 零序电流保护 同 qf2 开关保护定值取 10a 无延时 4 34 3 6kv6kv 母线电源开关保护配置母线电源开关保护配置 保护选择许继 wdh 821 保护装置 作为 6kv 电缆出线的主保护 同时作为移相变 电动机保护的后备保护 由于 6kv 电缆出线长度较长 可以参考高压厂用馈线保护来进行 定值整定 a 电动机启动超时保护 同 qf2 开关保护定值 b 电动机过流保护 段 速断 定值同 qf2 开关保护定值