大型同步电动机变频启动电气系统调试常见问题及防范措施_刘冲.pdf

2023 1期大型同步电动机变频启动电气系统调试常见问题及防范措施刘冲，史振利，杨世强，周家根，罗忠新（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 ；华能南京金陵发电有限公司，江苏 南京 ；希望森兰科技股份有限公司，四川 成都 ）摘要：通过对大型同步电动机变频启动电气系统调试的分析，汇总了大型同步电动机变频启动电气系统调试过程中常见的设计、安装、逻辑配合、参数设置等问题，从各方面对其进行了原理性总结。为了避免同类问题发生，提出了一些防范措施，包括保护投退原则、开关联跳逻辑、励磁控制方式选择等，为大型同步电动机变频启动电气系统调试起到一定的借鉴作用，有效防止类似问题的发生。关键词：同步电动机；变频启动；系统调试；防范措施中图分类号：，（，；，；，）：，：；收稿日期：作者简介：刘冲（），硕士，从事发电厂电气系统调试工作。引言压 缩 空 气 储 能（，）是一种具有储能容量大、使用周期长、响应速度快等优点的大规模储能技术方案，同时较电池储能更加安全可靠，较抽水蓄能不那么依赖于地理环境，近年来引起国内外大型企业及研究机构的高度关注，国内也相继建成多个集成示范项目。其中压缩空气储能环节，因为压缩机空气流量及出口压力一般都比常规压缩机要大很多，及在项目装机容量和建设规模的要求，所以一般选择大型同步电动机作为压缩机的驱动。同时，同步电动机也以其优异的功角特性及良好的性能在动力拖动中有着广泛的应用。大型同步电动机的工作原理和启动特性决定其启动（即从转速至额定转速过程）须借助其他辅助方法来完成，而变频软启动（，）因其优越的控制性能而成为大型同步电动机启动方案的首选方式。本文通过对大型同步电动机变频启动电气系统的调试，总结了调试过程中遇到的几类常见问题，并对相应的问题和故障进行了原因分析，提出了优化方案指导及有效的防范措施，为相关的电气系统调试工作提供了一定的借鉴作用，也为设备运行人员提供了一定的运行指导，有效防止类似问题的发生。常见问题及原因分析 一拖二方式下二次控制逻辑与一次设备不对应一套变频软启动器依次拖动两台同步电动机的配置方式，称为一拖二启动方式。变频器出口开关、工频开关切换闭锁逻辑应与开关一次接线对应，如图所示。对于一电气设备电工技术中国电工网拖二配置方式，正常运行工况如下。高压进线柜LM 工频开关QF2QF2CT2差动保护后备保护软启进线开关QF1CT1启动过程后备保护MM 工频开关QF3差动保护后备保护QE3CT3限流并网柜RVFDL软启出线柜QF4LM 变频出线开关负载LPMPQF5MM 变频出线开关CT4 差动保护差动保护 CT5图 1 一拖二方式下变频软启动一次回路示意图（）首先由集控合 进线开关 。（）然后由后台或就地发出启动 变频器指令（对应启动 ），变频器经出线开关 拖动 电动机启动升速。（）在启动升速到工频（）后，经同期检测后发出合闸指令合 开关，电动机切至工频拖动，再发出分闸指令分开 开关，电动机启动完成，进入启动待机状态。（）对应电动机，重复（）、（）操作步骤完成启动及切换。某电厂一拖二方式下，调试阶段在进行同期工频切换功能带开关整组传动试验时，发现 电动机的同期切换合闸指令发出后电动机工频开关 合闸，分闸指令发出后 变频出线开关 不分闸。检查发现变频出线开关 收到分闸指令。同理，电动机的同期切换合闸指令发出后 电动机工频开关 合闸，分闸指令发出后变频出线开关 开关不分闸。检查发现 变频出线开关 收到分闸指令。传动过程发现一次电缆与开关连接对应的前提下，各开关设备与 控制柜的二次接线交叉接反，程序设计也为交叉，即 电动机的控制程序对应的是电动机的一次设备，而 电动机的控制程序对应的是 电动机的一次设备。通过调整二次设备状态信号（主要包括开关位置接点）及指令控制信号（开关分合闸指令）接线后，上述问题得到解决。操作台紧急停机按钮接线错误导致开关联跳某压缩空气储能电站变频软启动系统在启动过程中发现以下两个问题。（）任意合软启动进线开关与低压电动机工频电源开关中的一个开关，两个开关的综保装置面板合闸同时亮。（）在整组试验过程中，当电动机电源切工频（即合 ）后，依照启动工艺，退出变频软启装置，（透平压缩机综合控制系统）发出 分闸指令。此时，工频电源开关 也跟着一起跳开，导致电动机电源失电，电动机停转。检查 （合闸位置继电器）回路及跳闸回路（如图所示），发现如下问题。（）操作台紧急停机按钮设置为一控二（即一副接点外接两个开关的分闸回路），导致 开关（）的合位监视回路与 工频电源开关（）的合位监视回路，通过操作台紧急停机按钮外部接线短接在了一起（粗线所示）。（）同样，由 于 该 紧 急 停 机 回 路 存 在，当 切 至 工 频时，合闸后，闭合，发出 分闸指令，分 开关，此时正电由 分闸接点经 至 经外部短接线从 （）引至 工频电源开关综保柜的 、，再通过 导致 的 得电，开关误分闸。图 2 变频软启动开关及工频开关跳闸回路示意图控制电源正+ITCC 分闸保护跳闸压板BTJ414TBJ411409416TBJ1HWJ1QF1-1TQ1VFD 开关综保柜(QF1)控制电源负-操作台紧急停机按钮控制电源正+ITCC 分闸511保护跳闸压板BTJ514TBJ509TBJ2HWJ2516QF2-1TQ2控制电源负-LP 工频开关综保柜(QF2)417517 电流互感器二次接线错误导致不平衡电流动作跳机隔离变压器中性点电流互感器安装接线错误导致不平衡电流保护动作。变压器电流互感器若采用的是两 的接线，则只在、两相安装大变比 （或），大变比 二次再通过小型三相电流互感器，如图（）所示。如图（）所示，此时相电流为、相的向量求和再反转 ，即为滞后 相 。由此可得完整的正相序三相 电流为：?（?）（）但是如果、相在穿过三相电流互感器时，引入引出线接反，中间相本来应是向量求和，最后反接后成了向量求差，如图（）所示。如图（）所示，此时相为电工技术电气设备2023 1期CT1A 相CT2C 相S1S2S2S1A 相B 相C 相CT1A 相CT2C 相S1S2S2S1A 相B 相C 相（a）两 CT 接法的正确二次接线（c）现场两 CT 接法的错误二次接线（b）两 CT 接法下的电流二次向量（d）现场两 CT 错误接法下的电流二次向量Ib=Ic-IaIb=(Ia+Ic)IcIaIaIc图 3 两 CT 方式下二次接线与电流向量示意图相与 相电流向量差，大小为线电流大小，方向为超前 相 ，导致电流不平衡，当达到不平衡电流保护设定值时，保护将会误动作。由此可知，变压器运行前，要注意检查 配置接线的正确性，并在轻负荷情况下，检查保护装置三相电流是否平衡。有试验条件的也可在带载前通过一次通流试验进行检查。工频开关差动自动投入保护误动作经变频软启动装置拖动电动机时，工频开关未合闸，需提前退出工频综保的差动保护。如图所示，机尾（）是运行状态，有电流流过，但由于电动机未切换至工频运行柜，因此此时工频运行柜差动保护机端侧（）无电流流过，差动保护为单侧有流，投入后会导致保护误动作跳本开关，从而使得达到工频工况时跳闸指令一直在，造成工频切换失败。为了使切换到工频运行状态时差动保护能自动投入，可引入开关辅助触点实现。例如，将工频开关常开辅助触点串联至差动保护投退硬压板，可实现在电动机变频启动过程中，工频开关断开，开关辅助触点打开，差动保护退出；当切换至工频运行时，工频开关断开，开关辅助触点闭合，差动保护自动投入。某现场采用了上述原理设计，设计回路如图（）所示。但是实际运行中，当辅助触点触头和开关主触头不同步时，开关一次主触头合闸与二次辅助触点反馈存在时间差，如图（）所示。当辅助接点先闭合（时刻）时，开关主触头后接触（时刻）时，达到差动保护动作固有延时，可能造成差动保护动作。防范措施 二次回路完整性和正确性检查调试过程中，为了检验整个电气系统电流回路的完整性和准确性，需进行二次通流试验，测量 二次电流大小和相序，以避免电流互感器二次接线错误的问题。差动保护自动投入优化对差动保护自动投入回路做如下处理。如图所示，将原差动保护硬压板串接一个工频开关位置辅助接点增加为串接两个开关辅助接点，提高接点的可靠性。-KMQF差动保护投退压板XB8PCS差动保护投入真空断路器（a）差动保护自动投入配置I0t0t1t（b）开关二次辅助触头与主触头时间差图 4 差动保护自动投入原理示意图-KMQF1差动保护投退压板XB8PCS差动保护投入真空断路器QF2图 5 硬接线优化差动保护自投入功能如图所示，优化用于变频启动的电动机综保装置差动保护逻辑，即在差动保护投退逻辑中引入工频开关位置接点，并配置一个可设置的延时时间，用于躲过开关辅助触头与主触头闭合的时间差，从而使差动保护自动投入，减少电厂运行人员因频繁启停而对差动保护压板的频繁操作，同时提高了差动保护投入时的可靠性，避免了开关一次主触头合闸与二次辅助触点反馈存在时间差导致差动保护误动作。差动保护硬压板比率差动投入控制字工频开关位置接点(常开)差动保护投入延时t&1二次谐波闭锁三次谐波闭锁CT 断线闭锁差动控制字瞬时 CT 断线报警比率差动启动元件差动保护动作图 6 差动保护逻辑优化差动保护自投入功能IdaIrnIblsdRb1 励磁控制方式选择在变频启动过程中，励磁调节器设定启动方式为变频启动，励磁调节器调节方式为恒励磁电流模式。该方式下，励磁电流的输出值自动跟踪设定值，该设定值为变频器以 量给定。在变频启动方式下，励磁系统默电气设备电工技术中国电工网认控制对象为励磁机电流，通过调节环节使励磁机励磁电流基本保持恒定，使电动机在恒磁通下运行。如果选择主（电动机）励磁电流，调节器就需根据测量的励磁机电流、电压向量推算出主励磁机励磁电流，并作为反馈值进行励磁电流自动调节。需注意的是，若选择控制对象为主（电动机）励磁电流，就需准确提供励磁机的等值电路模型参数，否则只能设置为励磁机电流。在工频运行方式下，励磁调节器的调节方式一般有自动模式和手动模式，其中自动模式作为励磁调节器的正常工作模式。自动模式下的励磁调节器投入双闭环励磁调节器，内环为励磁电流调节，外环可由用户指定为恒功率因数或恒无功功率调节。一般推荐使用自动模式。而手动模式只是在试验阶段或功率参数测量回路故障或功率通道未选定之前使用。需注意的是，在自动模式下选用恒功率因数调节方式时，在电动机轻载运行工况下，电动机所需有功功率较小，由电动机的工作原理可知此时无功功率也较小。在这种运行工况下，功率因数调节器的有功、无功反馈值采样精度及调节器本身调节特性导致调节稳定性变差，在运行极限边界条件下，即有功功率和无功功率均为零时，功率因数调节器将无法正常工作而产生振荡。为了防止此类不正常调节情况的发生，一般调节器会在有功功率过小时配置无功功率限制功能，即当有功功率小于有功功率闭锁整定值时，功率因数调节器会自动运行无功功率调节。无功功率给定值将强制限制为有功功率闭锁整定值对应的无功功率值，此时功率因数不会跟踪功率因数设置值。这种现象不是表示功率因数调节失效，而是一种安全运行的强制手段。联合启动试运制度对包含大型同步电动机的压缩机系统联合启动试运调试过程中，要有完善的联合启动试运制度，并参照 火力发电建设工程启动试运及验收规程。联合启动试运过程中，严格按照启动措施及运行操作票执行，以有效防止漏项。在试验过程中，电气负责人应全面掌握各系统原理及试验方法，全局把握包括软启动进线柜、软启动器控制柜、工频运行柜、励磁调节柜等系统的协同运行状况。运行人员应严格按照操作票执行操作，对每项操 作 要 进 行 再 次 确 认，无 误 后 方 可 执 行，防 止 误操作。结语大型同步电动机是压缩空气储能电站重要的主设备之一，对应的软启动系统是其关键的电气系统。对于大型压缩空气储能电站的工程建设，国内目前还处在探索阶段。通过对国内某压缩空气储能电站建设调试过程的总结分析可知，压缩空气储能电站中大型同步电动机软启动系统调试对于机组储能环节的正常运行和安全生产具有非常重要的意义，直接影响压缩空气储能电站的整体工程周期。通过对某大型