同步电动机的调速和继电保护

摘要： 　　应用新的直流调速装置能够保持同步电动机固有的启动特性，避免调速过程中的电流漂移的问题。应用新的保护装置减少了大量中间继电器的运用，集保护、测量、控制、通讯的功能可满足系统全部应用要求。 关键词： 调速；励磁；保护 1 引言 　　原来电气系统主电机启动方式为异步启动，变频机组提供变频电源（频率8Hz,电压1200V）,当转差率S<0.05时，励磁装置立即投励，主电机进入同步运行。在以往的电气系统运行的过程中，主要出现三点问题： a)由于使用异步启动方式，启动时冲击电流过大，瞬态冲击电流为426～497A。 b)励磁装置在主电机运行的过程中出现漂移问题，励磁电流漂移量超过整定值的80％，使电气系统的运行稳定性及可靠性差，降低主电机的使用寿命。 c)原主电机继电保护单元采用分离元件构成，故障率高，并且器件的稳定性差，不易更换。 　　随着原有的直流调速装置和继电保护装置的慢慢老化，我们应用新的直流调速装置和保护装置代替原有的装置，经过调试后能够顺利地运行，比原来的装置更加稳定、可靠。 2　电动机的调速和保护 　　设备的动力电机为同步电动机，额定功率3200kW，额定转速3000r/min，额定电压6kV，额定电流355A。改造后的同步电机变频调速原理与以前一样，由变频机组提供变频电源给同步电机作三相定子电源（频率变化范围为0.8～50Hz，电压变化范围96～6000V，根据交流同步电动机恒转矩调速特性，要求提供的变频电源U/f＝常数），将原有的分离式励磁装置替换为西门子公司全数字直流调速装置（型号为6RA7078-6DS22），为同步电动机提供励磁。解决了老式励磁装置电流漂移等问题，提高了励磁装置稳定性及可靠性。 2.1 同步电动机励磁装置特性 　　由于西门子公司全数字直流调速装置一般运用在直流电动机或直流发电机调速,在对此装置的电枢电流工作特性大量考核下，决定采用此装置的电枢环节作为主电机的励磁系统。从电机空载及带载试验结果表明，此装置采用电枢电流（电流闭环）为主电机提供励磁电流，励磁电流完全满足要求。在主电机转速（380～2600 r/min）内，解决了以往励磁电流漂移问题，并且主电机在低频转速运行时，励磁电流运行可靠、稳定。其主要特点如下： a) 同步电动机转子回路采用三相全控电流桥固接励磁线路，保持了同步电动机固有的启动特性。 b) 通过电压继电器对励磁回路电压进行测量，在同步电动机启动和失步过程中，励磁回路感应电压超过额定值3倍时，驱动接触器闭合，接入灭磁电阻进行灭磁。 c) 通过对励磁电压的检测，提取反馈信号，实现电流闭环控制，保证在不同的工况下，输出稳定的励磁电流，使系统获得较好的动态指标。励磁电流初步设定为70％IN。 d) 采用极宽脉冲触发，可保证晶闸管在大电感的励磁回路可靠导通。 e) 装置具有丰富的外部可定义I/O接点和方便的通讯接口，应用灵活。 f)西门子全数字直流调速装置（型号6RA7078-6DS22）具体参数见表1。 2.2 动力电动机的启动 　　以往同步电动机的启动方式由变频机组提供（频率6～8Hz,电压960V）变频电源，同步电机采用异步启动，当励磁装置检测到转差率S<0.05时，投入励磁，电机进入同步运行。考虑到电机使用寿命，减小异步启动时的冲击，经过多方调研，并且结合实际情况，决定采用低频启动。先投入励磁，然后接入104#变频机组的同步发电机提供的频率0.8Hz、电压96V剩磁电源，为主电机建立旋转磁场，主电机开始缓慢启动。进过8～12秒，104#变频机组的直流发电机励磁装置中的晶闸管完全导通，此时同步发电机提供8Hz、960V定子电源，主电机转速达到120r/min运行。经过九次主电机带负载启动，说明这种启动方式完全可行，和以往异步启动相比，启动电流的大小根据转子静态位置略有不同，最大值不超过电机额定值的50%，减小了启动时对同步电机和电网冲击。在调试时发现启动瞬间电机有回转现象，这是因为电机定子产生的旋转磁场与转子静态时励磁电流所产生的转子磁场有一定的相位差所致，在满足负载启动特性的情况下，通过减小电机启动时的励磁电流，回转现象可得到改善。 2.3 同步电动机调速 　　主电机调速运行采用以往的变频调速原理，改变变频机组中直流发电机励磁装置晶闸管导通角α，即改变主电机定子电源频率，从而调节主电机转速。在调试过程中励磁装置出现三次跳闸，均是因为励磁装置进线熔断器（RD1、RD2、RD3）过载，熔丝熔断所致（见图1）。现场所用熔断器是延用的旧器件，资料显示现有的及两次更换的熔丝载流量与改造后的励磁装置不匹配，导致励磁装置三次跳闸。图1的配置有明显的重复，QF1、QF2均有热脱扣装置，对设备及线路已形成保护，如无特殊要求的话，QS、RD1、RD2、RD3属重复配置，拆除该部分器件，此类跳闸现象得以解决。 2.4 电动机保护装置 　　改造后的电动机保护由一台施耐德电气公司制造的电动机保护装置（型号为Sepam 2000 M07）来完成。该产品的四大功能即保护、测量、控制、通讯可满足本系统全部应用要求。与以往用分离式元件构成的主电机继电保护单元不同的是，减少了大量中间继电器的运用，采用数字量模块构成继电保护单元，界面友好，参数设置简单，其动作保护逻辑固化于装置内,在主电机运行时，可以在保护装置中实时监测主电机运行情况（电流、电压、功率），当主电机异常跳闸时，可以对引起主电机跳闸的超限参数进行显示及事故回放，并且可以通过专用接口于上位机进行数据访问等功能，经过几次空载及带载试验结果表明，该保护装置动作灵敏度相当高，运行可靠、稳定。大大的增加的主电机的运行安全性。其主要特点如下： 2.4.1保护 a) 热过载：保护设备因过负荷而引起的热损坏。具有一个可调的报警设置和一个可调的脱扣设置。 b) 相过电流：针对相间短路故障的三相设备保护。可以选择的时间延迟曲线有定时限、标准反时限、非常反时限、极反时限和超反时限。 c) 接地故障：接线和设备的接地故障保护。可以选择的时间延迟曲线有定时限、标准反时限、非常反时限、极反时限和超反时限。 d) 负序/不平衡：保护由于三相电源不平衡，相序错误或缺相造成的温度生高或由于相间过电流造成的温度生高。 e) 转子堵转/启动时间过长：防止电动机在过载或电压不足情况下启动，在拖动设备堵转时也能保护电动机。转子堵转保护仅在经过相当于正常启动时间的延迟后才有效。 f) 相欠电流：用于出现吸空之后的水泵保护。水泵吸空之后导致电动机空载，本保护通过检测对应空载的延迟欠电流而实现。 g) 每小时启动次数：保护因频繁启动而导致的过热。包括三个检测即每小时启动次数、连续热启动次数、连续冷启动次数。当达到允许的限制时，保护装置在预先设定的时间内不允许电动机启动。 h) 正序欠电压：保护电动机由于电源电压不足或不平衡而引起的不良运行。 i) 旋转方向：保护电动机由于电源电压相序改变而引起的旋转方向改变。 j) 方向性接地故障：用于由长电缆供电的电动机的高灵敏性接地故障保护。 k) 反相有功功率：保护同步电动机，防止其在拖动负荷的时候作发电机运行。 l) 无功功率过载：同步电动机失步保护，防止其因无功功率过载而失去同步。 m) 温度监视：通过安装在电动机内的Pt100型铂电阻测温装置检测电动机机轴或绕组的异常温升来保护电动机。具有一个报警设置和一个跳闸设置。 n) 电动机差动：针对由绝缘损坏引起的内部故障，提供一种快速、高灵敏性的电动机保护。该保护基于差动电流百分比原理实现。为了在高灵敏性下保持稳定性，采用了启动电流闭锁。 2.4.2 测量 a) 电流：可以测量三相电路中的任意一相电流值。最大需量电流：测量三相最大平均电流值。平均电流值是按一定时间周期进行计算，时间周期可调。 b) 电压：测量电路中的线电压和相电压值。 c) 有功功率/无功功率：在平衡和不平衡的三相网络中测量有功功率和无功功率。 d) 最大需量有功/无功功率：测量三相最大平均有功/无功功率，平均值是按一定时间周期进行计算的，时间周期可调。 e) 功率因数：测量所吸收功率的功率因数，带有正负号（容性或感性）。 f) 频率：通过正序电压或线电压测量频率值。 g) 累计有功电能/无功电能：显示单元可显示四种累计有功/无功电能（有功电能、反向有功电能、无功电能、反向无功电能），电源故障时数据自动保存。 h) 跳闸电流：当发出跳闸命令时，会记录此时的三相电流和剩余电流值，可用它们了解故障电流及断路器的触头磨损的程度。 i) 真实有效值电流：测量单相的均方根电流值，可达四倍额定电流。 j) 干扰记录：记录发出“触发故障记录器”命令前后的电气信号和逻辑信息。 k) 使用热容量：测量由负载作用下的相对热容量（相对于额定热容量）。 l) 启动禁止延时/禁止前的启动次数：根据“每小时启动次数”保护功能的状态指示禁止启动的剩余时间和禁止启动前的启动次数。 m) 温度：测量每个RTD的温度。 n) 相序：用于检验接线，可以给出相序的方向（反时针或顺时针）。 o) 不平衡度/不平衡电流：以百分数形式给出不平衡度，帮助确定整定值。 p) 启动时间和电流：用于检测启动时间和启动电流，以调整过电流保护设定值。 q) 差动电流和通过电流：用于检查电流传感器的接线，确定跳闸原因。 2.4.3 控制与监视 a) 分闸/合闸控制：用于控制配备了不同类型分/合闸线圈的断路装置。 b) 锁定继电器：存储跳闸命令，在得到用户命令时才能重新恢复使用。 c) 禁止合闸