变频启动电机保护设置.doc

采用变频启动的高压电机综合保护设置方案采用变频启动的高压电机综合保护设置方案 1 目录目录 1变频器一般都带有常规的保功能变频器一般都带有常规的保功能 2 2采用变频启动高压电机综合保护采用变频启动高压电机综合保护 3 2 1 变频方式下电动机保护面临的问题 3 2 2 变频方式下电动机综合保护措施 4 2 2 1长启动保护 4 2 2 2电流速断保护 4 2 2 3低压保护 5 2 2 4过电流保护 6 2 2 5温度保护 6 2 2 6接地保护 7 2 2 7采样值差动保护 7 2 1变频器一般都带有常规的保功能变频器一般都带有常规的保功能 变频器生产厂家较多 且每个厂家的型号不同 造成不同的变频器在保护配置上 有一些区别 一般来说 每种变频器都有以下几种保护功能 过流保护 欠压保护 过压保护和过载保护 1 过流保护过流保护 变频器过流保护的对象主是变频器自身 控制电路 驱动回路误动作或误配线 都会造成逆变器上 下桥臂直通等短路事故 短路电流流过逆变器的开关元件会造成 元件烧毁 因此必须在极短时间内封锁 PWM 驱动信号输出 使逆变器停止工作 同 时还应使输入侧电源开关跳闸 短路电流的整定值一般设置为逆变器输出额定电流的 2 到 3 倍 超过逆变器额定电流 2 倍以上的电流 应立即采取保护措施 当逆变器发生 内部短路时 电流变化非常快 必须快速检测出过流信号 一般采用霍尔元件快速检 测电流 其检测点可设置在中间直流母线 逆变器输出电路 或 IGBT 元件上 2 过载保护过载保护 变频器的过载保护是指由于电动机过载 逆变器的电流达到逆变器额定输出电流 150 以上时 采取相应措施对 IGBT 施加的保护 一般情况下 过载保护具有反时限 特性 过载电流越大 允许继续运行的时间越短 保护动作的时间也越短 过载保护 按反时限特性整定 1 到 1 1 倍额定电流下允许长期工作 1 1 倍以上额定电流 动作 延时时间按反比例变化 过载信号采用霍尔电流检测元件检测 信号数值取自中间直 流母线 另外 电动机根据其发热情况是允许短时间过载的 由于发热时间常数较长 所以 电动机的所谓短时间过载 一般都在数分钟以上 而变频器所允许的过载能力 通常只有 1 分钟 过载 150 因此当电动机过载时 变频器的过载保护先于电动机 过载保护动作 即变频器可以对过载电动机进行保护 因此改造后不再考虑电动机的 过载保护功能 3 过压保护过压保护 过电压产生的原因主要有 电网输入电压长时间过高 减速太快 引起泵升 电压过高 当电压超过 IGBT 的安全工作电压时 就可能造成 IGBT 的损坏 应关闭逆 变器 过压信号采样点与欠压采样点相同 过电压保护的整定值为逆变器开关元件 IGBT 值 1 7 倍左右 4 欠压保护欠压保护 欠压产生的原因主要有 输入交流电压长期低于标准值的 90 以下 或发生缺 相断相 电容不足或电容损坏 从 IGBT 的特性可知 当电源电压较低时 会因其 3 驱动功率不足而造成元件损坏 另外 当逆变器直流侧大电容两端出现欠压时 也应 立即关闭逆变器 否则也会导致 IGBT 永久损坏 欠压保护整定值为逆变器开关元件 IGBT 值的 90 电压源型变频器采用大容量的高压电容器作为整流滤波环节 由于该 电容具有一定的储能作用 因此变频器在电压降低情况下仍然具备一定的带载能力 而且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 所以 欠压检测应该采用中间直流采样 即在大电容两端采样 这样既能在真正 欠压缺相时 检出信号进行保护 又不至于因短时间欠压并未构成危险时而保护误动 作 提高了变频器的抗干扰能力和运转的可靠性 2采用变频启动高压电机综合保护采用变频启动高压电机综合保护 对于低压电机而言 使用变频器自身的保护一般就够用了 可是对于高压电机和 系统而言 安装综合保护是必须的 2 1 变频方式下电动机保护面临的问题变频方式下电动机保护面临的问题 变频运行方式下电动机运行有以下几个方面区别于工频 采用变频装置后 电动机实现了软启动 启动电流从零开始平滑上升 启动电流 显著减小 只有额定电流的 1 2 1 5 倍 工频可达 5 倍左右 电动机可以在较小的 电流下实现加速 减速 发热较小 但是 同时启动时间却有所延长 这对按照躲过 启动电流整定的保护和按启动时间整定的保护会带来一定的影响 目前主流的高压变频器为电压型 而电压型高压变频器一般都装设有移相变压器 在高压变频器 电动机组启动瞬间 根据实验实测 移相变压器将会产生 5 6 倍励磁 涌流 变频器输出侧频率将根据现场运行情况不断调整和变化 输出侧电流的频率可在 0 2 400Hz 内变化 同时变频器输出侧电流存在一定谐波分量 尤其当电动机在低频 段工作时 谐波分量更高 由于谐波电流的影响 电动机的发热量较工频运行方式下 有所增加 这对电动机的温度保护会产生一定的影响 对于变频调速系统 由于附加了变频器装置 变频器的输入电流和输出电流在频 率和相位上没有必然的联系 这是影响电动机继续使用相量差动保护的最大障碍 电 动机相量差动保护的工作原理是基于比较电动机两端电流的大小与相位的 然而变频 器输入输出侧的电流在相位上不一致 在工频运行方式下的差动保护中 即使电动机 在正常工作情况下也会有相当数量的差流出现 但是 对于电动机的输入和输出电流 4 它们的频率和相位是一致的 因此可以考虑对电动机单独进行差动保护 差动保护所 需电流取自电动机的输入侧和输出侧 综合以上各方面可知 变频方式下电动机保护的装设位置 配置形式等都会不同 于工频运行方式 2 2 变频方式下电动机综合保护措施变频方式下电动机综合保护措施 当前 我国变频电机保护的配置方案通常是 根据高压电机的容量 用途和负荷 特性 选择差动保护或电流速断保护作为主保护 以长启动保护 低电压保护 过电 流保护 接地保护等保护作为后备保护 因高压变频器输出电流的频率会根据实际运行需要不断调整 在电流中含高次谐 波成分的干扰下 使用傅氏算法并不能得到准确的电流值 因此 电流速断保护 过 负荷保护 过电流保护等保护所需的电流应取自变频器输入侧 类似于工频方式下电 动机的保护配置 对于三相异步电动机 应装设电动机综合保护测控装置 电动机综 合保护测控装置装设在母线出口断路器 QF 的开关柜中 对于大型 2MW 及以上 或主 保护灵敏度校验不合格 三相异步电动机 还应装设电动机差动保护装置 2 2 1 长启动保护长启动保护 根据前面分析 电动机在变频运行方式下 启动时间应适当延长 工频实测的电 动机启动时间 是指当电动机的最大相电流从零突变到时开始计时 直到启 qd t e I 1 0 动电流过峰值后下降到的时间 考虑到留有裕度 取电机启动的前 e I2 1 qd t 3 1 2 1 时间作为观测时间段 如果 则电动机正常启动 长启动保护不动作 e II125 1 max 否则 说明电动机未能正常启动 长启动保护动作 2 2 2 电流速断保护电流速断保护 对于高压来讲 电流速断保护用以作电机的相间短路保护 多数为瞬时动作 采 用变频器供电后 启动时基本没有冲击 最大启动电流仅略高于电动机的额定电流 出口的冲击电流主要是高压变频器投入时 移相变压器的空载合闸时的励磁冲击电流 故电机的电流速断保护可以按照躲过移相变压器空载合闸时励磁涌流的方法整定 通 常只知道电机的额定电流 Ie 考虑到变频器本身的一定损耗 可以把电机的额定电流 乘以系数来作为移相变压器的额定电流 根据计算 通常以 1 05 Ie作为移相变压器的 额定电流 变频器高压充电时 移相变压器励磁涌流还是可以达到变压器额定电流的 5 5 6 倍 有时更大一点 在 4 个周波内电流降至额定电流左右 为此可按 7 倍移相变 压器的额定电流对电动机的速断保护进行整定 正因为电流速断保护整定值往往较大 所以运行时灵敏度不太理想 为此 国内 的一些厂家将电流速断动作电流在电动机启动过程和运行过程按不同的方式整定 在 规定的启动时问内取高整定值 以躲开大的启动电流 启动结束后取低整定值 此时 只需考虑躲开正常运行时最大的负荷电流 这样既可以避开电动机启动开始瞬间的暂 态峰值电流 又提高了电流速断保护在正常运行状态下的灵敏度 金智 WDZ 400EX 系列微机厂用电综台保护制控装置年和南自凌伊的 DGR2342 电动机综合保护测控装置 都是这种原理的产品 启动时 esdg II05 1 7 启动后 max 2 1 0 1 fsdd II max 3 1 2 1 qd tt 2 2 3 低压保护低压保护 当供电网络电压降低时 异步电动机的转速都要下降 而当供电母线电压又恢复 时 大量电动机自启动 吸收较其额定电流大好几倍的起动电 流 致使电压恢复时间 拖长 为防止电动机自起支时使电网电压长时间严重降低 通常要在次要电动机上装 设低电压保护 当供电母线电压降低到一定值时 延时将次要电动机切除 使供电母 线有足够的电压 以保证重要电动机自启动 低电压保护的动作时限分为两级 一级 是为保证重要电动机的自动起动 在其他不重要的电机上设 0 5 到 1 5 秒的低电压保 护 动作于断路器跳闸 另一级是当电源电压长时间降低或消失时 为了人身和设备 安全等 在不允许自动重起的电动机上 设低电压保护 经 5 到 10 秒 动作于断路 器跳闸 对于重要辅机 为确保在母线电动机成组自启动时能够持续运行 低电压动作定 值一般不大于 对电压源型变频器而言 它有大容量的高压电容器作为整流滤波 N U 65 环节 由于该电容具有一定的储能作用 因此变频器在电压降低情况下仍然具备一定 的带载能力 所以对于功率不太大的电机 保护动作时间的设置应该比工频运行时长 这样才能保证在系统外部故障导致瞬时暂态欠压时电动机不会造成跳闸停机 在动作 电流的整定上可以等同于工频运行方式下 而在动作时间上应有适当的延时 对于有 中间煤仓制粉系统的磨煤机和灰渣泵 灰浆泵 碎煤机等的电动机 低电压保护的动 6 作电压为 Ndz UU 7 0 6 0 动作时限为 0 5 1 5 秒 对于具有自动投入备用机械的给水泵和凝结水泵以及循环水泵的电动机 送风机 和直吹炉制粉系统磨煤机的电动机 低电压保护的动作电压为 Ndz UU 5 0 4 0 动作时限为 5 10 秒 2 2 4 过电流保护过电流保护 当变频器的输出侧发生短路或电动机堵转 输出侧电容超过限定值 或变频器加 减速参数设置不合理时 变频器都将出现过电流 造成损坏 为了防止过电流 应设 置过电流保护 变频器的过电流保护 可以参考电机的过电流继电保护算法 按躲过 保护安装处的最大负载电流来整定 但变频器过载能力很差 不能按照电机的启动时 间来整定 应该只按照移相变压器的过电流时间来整定 是一个反时限曲线 即电流 超过越多则产生保护时间越短 电流超过越少 产生保护需要的时间越长 一般整定 为 0 5s 现在的几点保护装置广泛采用数字式综合保护 其返回系数也不能按照电磁式继 电器的 0 8 0 85 来整定 而应按照 0 85 0 95 来考虑 综上所述 应用高压变频器后电机的过电流保护值按下式整定 ezqd f jxk dz IK K KK I t 0 5s 式中 为可靠系数 取 1 05 1 2 k K 为返回系数 取 0 85 0 95 f K 为接线系数系数 jx K 为负荷自启动系数 取 1 2 1 5 zqd K 2 2 5 温度保护温度保护 电动机变频运行方式下 由于谐波影响 发热多于工频方式 电机温度升高 缩 短了使用寿命 因此 只有利用移相变压器 通常一次侧为 Y 接 二次侧为三角接法 通过二次侧三角形的延边差异实现移相 以减少变频器的输入谐波 使这种情况可以 7 得到改善 此时电动机的温度保护动作是合理的而非误动作 2 2 6 接地保护接地保护 电动机的单相接地是较为常见的故障 但由于高压变频器主流的是电压型 均有 移相变压器 将电动机与系统电网隔离 在变频器输出电缆或电动机发生单相接地短 路时对厂用电母线系统侧基本没有多大影响 再加之变频器与电动机间电缆短 电容 电流小 使用传统的零序 CT 方法来检测电动机或电缆单相接地故障变得非常困难 所 以在使用变频器后 电动机一般没有配置接地保护 不过电机绕组单相接地后易导致绝缘损坏 对重要风机和水泵电动机 极有可能 扩大为相间短路时 可能造成严重的经济和社会影响 故单机容量在 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 既防止误动 又防止不动 采用变压器中性 点经小电阻接地方式 可以实现接地保护 由于零序保护采样电阻远大于中性点接地电阻 并联后阻值接近于接地电阻 正 常运行中的共模电流不易造成接地保护的误动作 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 通常在 0 1 秒时间 内不致加重一次设备破坏程度的原则 基本不会加重接地短路点的损坏程度 发生单 相接地时 接地电压随着输出频率的变化而变化 如果通过对中性点接地采样电阻压 降或接地电流进行采样以判断是否接地 保护有死区 输出频率较低时 特别是在 0 到变频器最低频率围间 接地保护有可能无法动作 不能实现全工况下从变频器中性 点到电机定子绕组百分之百范围内的接地故障保护 为实现接地保护除了以上方法 还可以考虑变频系统发生单相接地后 输出电压 电流等电气参数也将有相应的变化 通过合理地设计也可以检测出单相接地的发生 2 2 7 采样值差动保护采样值差动保护 常规电流差动保护 差动量和制动量反应的是电流的有效值或平均值 再通过数 字滤波等办法消除非周期分量和谐波影响 但在故障时 一个周期内开始采样值中