中压脱硫引风机差动保护的应用
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摘 要：本文简述了烟气脱硫引风机的差动保护方案，对各种配置方案进行综合比较及分析，并结合案例提出了具体的工程解决方案。
关键词：微机差动保护;比率制动差动保护;磁平衡差动保护;变频差动保护
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.193
0 引言
总的来说，中国的环境污染形势依然严峻，污染防治工作还有很长的路要走。打好污染防治攻坚战，是十九大明确的重要任务，烟气脱硫脱硝除尘产业化发展是减少燃煤烟气SO2、NOx排放的重要基础。脱硫引风机作为脱硫脱硝装置重要设备，如果发生故障将可能导致脱硫装置停运、发电机组减负荷甚至非正常停机、锅炉熄火等事故。因此研究脱硫引风机的继电保护，尤其是主保护的影响以及相应的解决措施，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
1 中压电动机差动保护介绍
根据设计规程规定，电压为3kV及以上电动机应装设：电流速断保护、过负荷保护、低电压保护等;功率在2000kW及以上或电流速断保护灵敏系数不符合要求的2000kW以下电动机，应装设纵联差动保护[4]，其目的在于防止电动机本身的事故扩大并保证电网的可靠运行。
目前中压电动机的工频差动保护大致分为两种：一种为纵联差动保护，也称作比率制动差动保护，原理是检测断路器与电动机中性点侧的电流，通过算法（比如傅氏算法）计算两端电流的相位和幅值，判断电动机的内部故障，当二者之间产生差流，微机综合保护装置启动保护功能并出口跳电动机馈线断路器，这种保护方式要求电动机采用Y型接线方式，引出六个接线端子。第二种是磁平衡差动保护，是在电动机接线盒内设置磁平衡TA，通过该TA产生的不平衡电流值来判断电动机故障。这两种差动保护方式在脱硫项目上均有应用。
随着电子技术的发展和节能要求，中压变频器在电厂应用越来越多，但变频装置对于中压电动机的保护尤其是纵联差动保护影响最大，由于传统的差动保护装置设计用于工频运行电机，传统CT在低频时容易出现饱和现象，不能在宽频范围内测量电流，因此不能应用于变频（宽频）电动机。
笔者就脱硫脱硝工程中常见的一些引风机起动方式配套的差动保护方案及可能存在的问题，与大家共同商榷。
2 比率制动差动保护的应用
2.1 引风机直接起动带工频差动保护
阜新金山煤矸石热电有限公司#1-4机组需要新建炉后烟气脱硫装置，原引风机电机为6kV 1600kW，引风机馈线柜配置电流互感器为LZZBJ9-10 300/5 0.5/10P10，微机综合保护装置为NEP9809A，微机综合保护装置带电流速断过流、过流、负序过流、热过负荷等保护，配置情况见图1。脱硫改造后，引风机电机功率增加到2500kW，为了实现差动保护，在电动机中性点侧新增一组电流互感器CT2，同时在馈线断路器出口处更换了一组电流互感器CT1，两组电流互感器为同一制造商、同一型号和同一批次产品，以减少制造误差，互感器之间为纵差保护的保护区，同时将微机综合保护裝置替换为WDZ-5233（增设纵联差动保护），利用微机综合保护装置计算两组电流互感器的电流差而动作跳闸，见图2。
采用直接起动带工频差动保护的方案，接线较为简单，引风机电机在副接线盒内进行星点短接，可以在电机厂内完成。但是对于大功率电机来说，启动电流很大，这往往会导致母线段电压下降，因此需校验起动时的电压降。
2.2 引风机水电阻软起带工频差动保护
永安电厂脱硫改造项目引风机电机为6kV 3800kW，采用水电阻软起动系统，电动机的具体接线方法及差动保护方案如图3所示。
从图中可以看出，该方案要求在电机厂内制作时，将A、B、C三相绕组首尾端全部以接线端子方式引出，微机差动保护装置设置在中压馈线柜中。起动电动机时，首先软起柜合闸，电动机进入软起动方式。当软起动结束后，星点柜合闸对电动机进行星点短接，最后将软起柜隔离。
该方案缺点在于从配电间至现场电动机的电缆需要两倍，如配电间与现场电动机距离较远，则电缆投资增大;另外，该方案要求起动后将星点柜短接，也是缺点之一。其优点在于该方案及差动保护配置简单明了，电动机起动及运行过程中均有差动保护投入，且差动保护基本上可以保护电动机本体及电缆全长。
该方案在与引风机电机厂家配合时，需要求电机副接线盒中配置绝缘子以方便电缆连接。如果引风机馈线柜需要改造，改造方案与“直接起动带工频差动保护”的方案一致，不再赘述。
3 磁平衡纵差保护的应用
上海华谊能源化工有限公司脱硫改造项目引风机电机采用磁平衡纵差保护，具体接线见图4所示。
电动机同相线圈首尾一次电流回路同时穿过磁平衡差流电流互感器（TA），电动机正常运行时互感器二次侧不产生电流，微机综合保护装置不动作。当电动机相间短路或定子绕组短路时，互感器二次侧产生感应电流，当达到微机综合保护装置整定值时，保护出口断路器跳闸。该解决方案在一定程度上克服了纵联差动保护在电动机起动和外部短路时，由于两侧TA暂态特性不一致造成的误动作。
该方案存在的问题是：只适用于2000kW及以上中性点具有分相引线的电动机，需对电动机本体结构进行改造，现场实施存在较大困难。
4 变频电机差动保护的应用
内蒙古君正能源化工集团股份有限公司2×135MW机组超低排改造工程原引风机功率2100kW，已设置变频器，保护配置情况见图5。
存在下列问题：
（1）在变频器运行时，CT1的电源频率为工频，CT3为变频输出频率，因此电流的相位和幅值差别很大。即便在系统正常工作时，也会出现一定的差流，可能导致保护误动。 （2）当变频器输出电流频率很低时，工频电流互感器铁芯容易保护，测量偏差较大。
（3）现有工频微机差动保护装置的额定频率为50Hz，数字信号处理方式基于傅氏原理，傅氏变换基波频率跟踪范围是45～55Hz，远小于变频器频率变换范围，因此保护装置对采集来的电流量进行计算会产生较大偏差。
（4）目前进行变频改造的中压电机通常取消差动保护（为了避免正常运行时差动保护），采用电流速断作为主保护，这不符合国家继电保护规程要求。
由于频率范围的变化，传统的相量差动保护不能满足变频电机的应用，君正改造项目采用宽频电流互感器加变频差动保护装置的方案，保护配置方案见图6：
K1、K2在进线断路器、相邻断路器断开状态下操作，在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全。在正常运行中，工频和变频运行状况下均处于闭合状态;K3为旁路开关;增加变频器（或电动机机端）的一组CT2，对于CT2和CT3两组CT，满足在10～70Hz范围下均能线性变化。当电动机工频运行时，旁路开关K3闭合，K1、K2断开，差动保护采用CT1和CT3构成传统的相量差动保护。当电动机变频运行时，旁路开关K3断开，K1、K2闭合，差动保护使用CT2和CT3构成差动保护。变频情况下，微机综合保护装置采用基于采样值差动保护算法，以适应变频器从10Hz～70Hz的频率输出变化。
變频电机差动保护装置仍置于中压开关柜柜门上;机端新增的CT2装设在变频器的旁路柜（或电动机机端）中，并连接到变频器的输出端;中性点侧的电流互感器采用CT3，用于变频差动。
5 结束语
国家对涉及到民生的环保治理越来越重视，一方面加快现有燃煤机组超低排放改造的步伐，另一方面，非电行业污染物排放的关注正在增加，因此烟气脱硫治理装置特别是引风机的可靠运行非常重要。
本文通过四个项目实例，论述了针对不同起动方案的差动保护配置方法，希望通过本文能对烟气脱硫装置引风机的差动保护方案配置提供参考。
参考文献：
[1]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2010.
[2]中国航空工业规划设计院.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.
[3]袁伯诚.变频电机电流互感器的设计[R].北京：四方电气集团有限公司，2010.
[4]电力装置的继电保护和自动装置设计规范： GBT50062-2008[S]
作者简介：张智成（1982-），男，福建龙岩人，本科，工程师，研究方向：环保行业。
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