高压变频电机差动保护的改进及应用

套的低甲系统的吸收压力和温度ꎻ(２) 选用优质的煤种ꎬ降低粗
醇再生的三种方法为闪蒸、氮气气提和加热再生ꎮ 当闪蒸、氮
合成气中的有机硫含量ꎻ(３) 保证冰机正常运行ꎬ以供给吸收塔
气气提和热再生发生不完全ꎬ甲醇再生未达到良好效果时ꎬ会
所需要的冷量ꎻ(４) 优化再生系统ꎬ提高甲醇再生塔再沸器的操
有部分 ＣＯ２ 和 Ｈ２ Ｓ 残留在循环甲醇中ꎬ使再生甲醇对原料气中
数据结合现场实操ꎬ选择最优的甲醇循环量ꎬ达到工艺要求的
压力、甲醇的循环量、甲醇的含水量、甲醇的再生效果、变换气
净化度ꎮ
中的氨含量等ꎮ 针对这些原因ꎬ为了避免硫含量超标现象ꎬ我
１. ４ 甲醇的再生效果
们研究出以下对应措施:(１) 根据煤气化的方案选择与之相配
影响循环甲醇品质的一个重要因素是甲醇再生效果ꎮ 甲
值偏差较大ꎮ
(３) 当前工频微机差动保护通用的额定装置频率是 ５０ Ｈｚꎮ
由于其数字信号处理运用了傅里叶变换ꎬ在处理过程中通常会
设置有低通滤波器ꎬ很难将傅里叶变化而来的 ４５ ~ ５５Ｈｚ 基波
第 １０ 期
１１３
王晨ꎬ等:高压变频电机差动保护的改进及应用
频率识别ꎬ导致保护装置在信号采集过程中出现较大的误差ꎮ
动机的电流相同ꎻ如果电动机系统存在故障ꎬ则 ＣＴ１ 与 ＣＴ２ 间
产生查流ꎬ此时将启动相应的保护功能ꎬ使电动机出口的断路
器跳闸ꎮ
为避免电流互感器本身性能的干扰ꎬ尽量选用同一型号和
同一变比的电动机机端电流互感器及中性点电流互感器 [２] ꎮ
两组电流互感器之间( 保护之间的电缆) 即为差动保护护ꎬ用于对变频运行时高压
变频电动机各种故障的检测ꎮ 新增主要元器件的安装位置:
(１) 变频电动机差动保护微机装置安装在隔壁的 ＰＴ 柜仪
表室柜门上ꎮ
(２) 新增的电流互感器 ＣＴ４ 安装在变频器的出线端ꎮ
４ 保护原理及参数整定
４. １ 差动速断保护
用于当电动机内部严重故障时ꎬ快速切除电源ꎮ
多ꎬ考虑到电机工况变化并减少直接启动对电网的冲击ꎬ对设
备变频运行的要求也越来越多ꎮ 由于常规的速断保护已不能
满足继电保护的一些要求ꎬ因此针对高压变频电机ꎬ必须配备
稳定的变频差动保护ꎮ
参考文献
[１] 席建国. 电力系统继电保护技术发展历程和前景展望[ Ｊ] .
黑龙江科技信息ꎬ２００９(２６) :２４.
时一定要调整相对应电流互感器的接线ꎬ保证 Ａ / Ｂ / Ｃ 相一定要
一一对应ꎮ
(５) 注意微机保护装置的选型ꎬ选用支持变频保护差动的
微机保护装置ꎬ例如:国 ｘｘｘＭ ６４３ＵＸ 变频电动机保护装置ꎮ
(６) 注意电流互感器的安装位置ꎬ尽量保证两台差动保护
电流之间的距离不要过大ꎮ
６ 结语
随着工程技术的发展ꎬ功率超过 ２０００ ｋＷ 的电机越来越
频器输出端装设一组电流互感器( ＣＴ４) ꎬ在电机中性点装设一
组电流互感器( ＣＴ３) ꎬ微机保护装置选择带变频差动保护的微
机保护装置ꎬ差动保护的电流分别取至 ＣＴ３ 和 ＣＴ４ꎬ这样差动
保护两侧的电流互感器就工作在同一个电源频率下ꎬ所测量电
流的相位和幅值都具备可比性ꎬ进而可实现对电动机的差动保
护ꎮ
器的选型ꎬ尽量保证型号、变比、伏安特性一致ꎬ避免因不同设
备自身误差引起的跳闸误动作ꎮ
(２) 电流互感器的容量要满足带载能力要求 [８] ꎮ
(３) 如果无法正常启动ꎬ报差动 １ 段过流故障ꎬ应检查互感
器之间的电机和电缆是否存在短路ꎬ还需检查电流互感器的二
次接线ꎬ避免因二次接线问题导致的误动作ꎮ
(４) 第一次试转后ꎬ如发现电动机反转ꎬ在调整电动机转向
３ 工程应用案例
我公司针对江苏某钢铁企业自备电厂脱硝项目增压风机
进行了变频升级改造ꎬ采用图 ３ 中的改进配置ꎬ实现了对电动
机的差动保护ꎬ具体方案如下:
(１) 将原常规保护装置作为电流保护ꎬ作用范围是 ＣＴ２ 处
到变频器输入端ꎮ
(２) 加装变频器后ꎬ原有的电动机差动保护取消ꎬ因原构成
差动保护的两组电流互感器分处于常规 ５０Ｈｚ 和经变频器变频
的问题展开分析研究 [３ － ５] ꎬ结果如下:
(１) 差动保护两侧的 ＣＴ 在变频器运行时所处的电源频率
不一致ꎬ导致电流的相位和幅值差别很大ꎬ因此即使在正常运
行情况下ꎬ两侧的互感器电流还是会有较大差值ꎬ进而导致差
动保护的经常性误动作ꎮ
(２) 工频 ＣＴ 在低频情况下容易造成 ＣＴ 饱和ꎬ使电流测量
ＣＴ３ꎬ此配置为变频电机配备工频差动保护方式ꎮ
图 １ 工频电机配备工频差动保护方式
由图 １ 可知ꎬ差动保护的基本原理为:通过机端电流互感
器 ＣＴ１ 与中性点电流互感器 ＣＴ２ 来检测系统的进端和末端电
流ꎬ并比较两者间的相位和幅值差别ꎮ 如果电动机系统运转正
常ꎬ则 ＣＴ１ 与 ＣＴ２ 的差流是 ０ꎬ表明流入电动机的电流与流出电
起初采用图 ２ 中的配置方案时ꎬ风机一启动ꎬ微机综合保
护装置跳真空断路器ꎬ面板报差动保护过流 Ｉ 段告警ꎮ 放大定
值后ꎬ再次启动依旧出现过流 Ｉ 段告警ꎬ后经过分析讨论ꎬ改造
为图 ３ 方案后可以顺利启动运行ꎮ
对调试期间所遇问题及注意事项总结如下:
(１) 注意电动机进线端的电流互感器和电动机中性点互感
醇的质量ꎻ(５) 在原料气进低温甲醇洗装置前设置水涤塔ꎬ并设
免氨在低温甲醇洗系统内富集ꎻ(６) 在设备的最大工况范围内ꎬ
合理调节甲醇的循环量ꎮ
为:无机硫( 主要为 Ｈ２ Ｓ) ꎬ有机硫( 以 ＣＯＳ 为主ꎬ还含有少量的
３ 结语
量大ꎬ能耗增加ꎮ 由于煤种的区别ꎬ或者由于产品要求在变换
而原料气中含有的杂质和热再生后贫甲醇的纯度也是影响低
１ 工频差动保护在变频电机应用中的弊端
差动保护根据的是基尔霍夫原理:电路中流入节点电流的
总和等于零 [１] ꎮ
江苏某钢铁企业自备电厂脱硝系统增压风机升级改造前
的系统配置如图 １ 所示ꎮ 在 １０ｋＶ 开关柜内的机端电流互感器
和电动机中性点的电流互感器处分别放置差动保护的电流互
感器( ＣＴ) ꎬ组成工频电机配套的工频差动保护方式ꎮ
更低ꎮ 综上所述对于循环量应综合多方面因素进行考虑ꎬ理论
吸收后总硫含量可降至约 ０. ０４ × １０ － ６ ꎬ当含水量高于 ０. ６％ 时
响净化效果ꎬ还会形成酸腐蚀损坏设备ꎬ因为含水量过高ꎬ会与
设备上的混合物发生反应ꎬ腐蚀设备ꎬ造成经济上的损失ꎮ
２ 甲醇洗净化气中硫含量超标的解决方法
综上所述ꎬ影响净化气中硫含量超标的因素有操作温度、
(４) 综合分析结果可知ꎬ工频微机型差动保护不适用于变
频回路ꎮ
２ 变频电动机的差动保护解决方案
４. ２ 比率差动保护
本装置采用基于频率跟踪的相量比率差动原理 [７] ꎬ动作判
据如下:
通过分析ꎬ考虑可以对 ＣＴ 装设的位置进行改进解决ꎬ以解
决差动保护两侧 ＣＴ 在变频器在运行时存在的电源频率不一致
调节后的宽频率电源系统ꎬ且原有微机保护装置为工频差动保
护ꎬ因此无法实现差动保护 [６] ꎮ 所以需要在变频器的后端增加
新的电流互感器 ＣＴ４ꎬ由于原有高压柜仪表室空间受限ꎬ所以在
ＰＴ 柜仪表室安装了变频电动机差动保护微机保护装置ꎮ 新的
电动机差动保护也可适用于工频 ５０ Ｈｚ 情况ꎮ
(３) 提供较完善的变频后备保护应用ꎬ如变频运行速断过
人员立即更换电缆ꎬ安装完成一切就绪后ꎬ再次准备试转电机ꎬ
然后高压柜合闸启动电机ꎮ 此时电机成功启动ꎬ微机保护未报
警ꎬ电机试转成功ꎮ
变频改造后由于电机功率增加ꎬ常规的纵联差动保护不能
满足继电保护ꎬ于是采用变频差动保护ꎬ配置如图 ２ 所示ꎮ 此
时电机为变频电机ꎬ差动保护两侧的电流互感器分别放置于 １０
ｋＶ 开关柜内机端电流互感器 ＣＴ２ 和电动机中性点电流互感器
多高压变频电机已取消差动保护ꎬ这将带来较大的事故停产风险ꎮ 本文结合工程实际应用ꎬ介绍了某电厂脱硫增压风机变频差动保护
装置的优化改进方式和参数设定ꎮ
关键词:高压变频电机ꎻ差动保护ꎻ优化改进
中图分类号:ＴＭ９２１. ５１ꎻＴＭ７７３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００８ － ０２１Ｘ(２０２１)１０ － ０１１２ － ０２
山 东 化 工
ＳＨＡＮＤＯＮＧ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ
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２０２１ 年第 ５０ 卷
高压变频电机差动保护的改进及应用
王晨ꎬ王进ꎬ安丽鹏ꎬ赵群润
( 西安西矿环保科技有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００７５)
摘要:随着大容量变频电动机的广泛应用ꎬ变频器的容量也在不断增大ꎬ常规的速断保护和差动保护已不能满足现场要求ꎬ因此当前很
[２] 李健ꎬ韩宇ꎬ戴建根ꎬ等. 变频器对电动机差动保护的影响
及解决措施[ Ｊ] . 电力工程技术ꎬ２０１１ꎬ３０(１) :６２ － ６５.
[３] 李立峰ꎬ赵伟ꎬ丁健ꎬ等. 高压变频器对电动机继电保护的
影响及解决措施[ Ｊ] . 广东电力ꎬ２０１０ꎬ２３(８) :８３ － ８５.
[４] 高月娥. 新型高压变频电动机差动保护原理的研究[ Ｄ] . 北
点互感器之间的一处电缆绝缘损坏ꎮ 查明原因后ꎬ由现场电气
收稿日期:２０２１ － ０１ － １９
图 ２ 变频电机配备工频差动保护方式
现场准备启动试转时ꎬ出现高压柜跳闸ꎬ微机保护告警ꎬ差
动 １ 段过流跳闸ꎮ 电检对电机及之间电缆进行检查ꎬ发现电流
互感器的接线均没有问题ꎬ于是对差动保护在变频电机应用中
该钢厂现场欲试转电机时ꎬ共进行以下操作:启动电机前ꎬ
微机综保差动保护控制字选择投入ꎬ即投入差动保护ꎬ然后检
查现场及高压控制室是否满足启动电机条件ꎬ待一切备妥后ꎬ
高压柜选择合闸启动电机ꎬ高压断路器跳闸ꎬ微机综保告警ꎬ差
动保护 １ 段过流ꎬ现场电检人员立即对设备及线路进行故障分
析排查ꎮ 检查结果发现ꎬ高压柜处的机端互感器和电机的中性
单元存在部分粗煤气没有进行变换ꎬ造成进低温甲醇洗单元的
温甲醇洗的重要因素ꎮ 净化气总硫超标是低温甲醇洗最常见
原料气有机硫的含量过高ꎬ从而导致净化气中有机硫含量过
从传质动力学角度分析ꎬ一般情况下ꎬ吸收塔中甲醇循环
于 ９９％ ꎮ 一般情况下ꎬ水冷器、机泵、循环冷却水、再沸器内漏ꎬ
成气中酸性气的脱除ꎬ保证了净化气中 ＣＯ２ 、总 Ｓ 含量达到工艺
原因ꎮ 实际工厂操作中发现ꎬ含水量控制在 ０. ５％ 以内对 Ｈ２ Ｓ
整个装置的负荷随之提高ꎬ装置的投资费用和装置能耗都会增
Ｉ ｒ 计算公示如下:
装置按相判别ꎬ任何一相满足以上动作判据时ꎬ比率差动
保护装置动作ꎮ
本差动保护是为了防止故障切换时频率突变所产生的差
流而导致保护误动ꎬ装置增加了采样值差动判据ꎬ采样值差动
采用与相量差动类似的制动特性ꎮ
５ 调试期间遇到的问题及注意事项
图 ３ 变频电动机差动保护改进方式
如图 ３ 所示ꎬ在开关柜内装设一组电流互感器( ＣＴ２) ꎬ在变
问题ꎮ 具体的改进配置如图 ３ 所示ꎮ
其中:Ｉ ｄ 为差动电流ꎻ Ｉ ｃｄ 为比率差动保护整定值ꎬ建议取为
(０. ５ ~ ０. ８ ) ＩＮꎻ Ｋ 为 比 率 制 动 系 数 整 定 值ꎬ 建 议 取 为 ０. ３ ~
０ ９ꎻ Ｉ ｒ 为制动电流ꎮ
假设 Ｉ ｍ 为电动机进线电流ꎬＩ ｎ 为电动机中性点电流ꎬ则 Ｉ ｄ 、
总硫含量上升至 ０. １ × １０ － ６ 左右ꎮ 甲醇中含水量过多会直接影
要求ꎮ 但从装置的技术经济性考虑ꎬ当甲醇的循环量过高时ꎬ
加ꎬ造成不必要的浪费ꎮ 另外ꎬ在理论数据的基础上ꎬ适当降低
甲醇流量ꎬ可提高单位体积甲醇中 ＣＯ２ 的饱和度ꎬ在后面 ＣＯ２
甲醇闪蒸时ꎬ单位体检甲醇可得到更低的冷量ꎬ即甲醇的温度
京:华北电力大学ꎬ２０１３.
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第 １０ 期
岳栋ꎬ等:低温甲醇洗装置净化气总硫含量超标的原因分析及对策
１１５
１. ３ 甲醇循环量
下ꎬ要求循环甲醇中含水量控制在 １％ 以下ꎬ保证甲醇的纯度大
量与进气量的液气比重越高ꎬ则气液接触越充分ꎬ有利于粗合
以及精馏操作稳定性不足等都是造成甲醇溶剂水含量过多的
作负荷ꎬ及时检测甲醇水分离塔顶甲醇蒸汽的含水量ꎬ保证甲
１. ５ 粗合成气中的有机硫含量
置含氨甲醇罐ꎬ定期抽取一部分热再生塔顶回流甲醇外排ꎬ避
ＣＯ２ 和 Ｈ２ Ｓ 的吸收率降低ꎬ因而导致净化气中总硫含量超标ꎮ
粗合成气中的硫来源为:粗煤气在气化反应中产生ꎬ在变
换单元ꎬ一部分 ＣＯＳ 可转换为 Ｈ２ Ｓꎮ 粗合成气中的硫主要分