應(yīng)用變頻器的配電系統(tǒng)保護裝置如何設(shè)置

1 應(yīng)用變頻器的配電系統(tǒng)諧波引起保護裝置誤跳閘的事實

事例1 成都國際雙流機場在機場改造時，隨成套設(shè)備由國外帶來100 多臺75 kW 以上空用晶閘管變頻器，配電系統(tǒng)為110 kV 進線，經(jīng)主變10 kV 配電，配電系統(tǒng)裝有漏電保護，由于晶閘管變頻器輸入電流中含有很高的諧波分量，其中輸入電流的5 次諧波達20%，7 次諧波達12%，總的諧波電流失真約為30%，3 的整數(shù)倍次諧波電流是零序電流，零序電流在中性線中是相互疊加的。

零序使供電系統(tǒng)中的中性線電流很大。當中性線上有較大的諧波電流時，中性導(dǎo)線的阻抗在諧波下能產(chǎn)生大的中性線電壓降，此中性線電壓降以共模形式產(chǎn)生干擾，有的中性線上的電流還會超過相電流。由于是電纜供電，分布電容較大，對高次諧波為低阻，故漏電流劇增，致使漏電保護經(jīng)常誤跳閘。機場管理人員會同成都市供電局提高了漏電保護整定值，漏電保護不跳閘，但上一級差動保護跳了，發(fā)生了與系統(tǒng)解列的事故，經(jīng)與外商協(xié)商，更換GTO變頻器為IGBT多重化變頻器，諧波達到國家標準要求，漏電保護、差動保護均按國家標準執(zhí)行。

事例2 隨著用戶各類變頻節(jié)能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使浙江紹興地區(qū)電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴重，影響了供電質(zhì)量。2005 年，電網(wǎng)110 kV 大和變電所，發(fā)生主變壓器差動保護跳閘，經(jīng)查找分析發(fā)現(xiàn)大和變電所主變壓器電流5 次諧波達到10%，之后再對10 kV 出線進行測試，發(fā)現(xiàn)有5 條10 kV 線路5次諧波電流超過10%，而其中諧波電流最大的安中線5 次諧波電流達20%。同樣還是由于諧波電流過大，而配電線路為電纜，分布電容大，對諧波電流為低阻抗，漏電流超過整定值，經(jīng)常發(fā)生跳閘事故。經(jīng)供電局同意，提高了整定值，漏電保護不跳了，但上一級差動保護跳閘。因系統(tǒng)中諧波電流普遍存在，故諧波電流造成的電氣設(shè)備故障與日俱增，潛在的危害大，容易誘發(fā)事故。經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該供線段內(nèi)的中外合資的友誼特種鋼有限公司，新建的年產(chǎn)200 kt不銹鋼帶鋼工程在冶煉過程中，特別是在熔化期，隨機且大幅度波動的無功功率會引起供電母線電壓的波動，其主要諧波源設(shè)備，包括20 t電弧爐3臺，25 t精煉爐2臺。通過對其電壓波動和閃變的評估，波動嚴重，并構(gòu)成閃變干擾。為此，在該用戶配電設(shè)備安裝過程中，要求用戶配套加裝了響應(yīng)時間約10 ms的SVC 補償裝置，TCR 部分容量為10 000 kvar。

該裝置投運后，各項指標符合國家標準要求。

事例3 湖南懷化集團甲胺生產(chǎn)線共有2 個低壓配電房NF71變和NF73變，其中NF71變分別有2 臺變壓器，容量均為1 600 kV·A，電壓等級為6.3 kV/0.4 kV，采用Yyn0 連接方式，阻抗電壓百分比為4.3%，2 臺變壓器長期單獨運行。NF73變也分別有2 臺變壓器，容量均為1 250 kV·A，電壓等級為6.3 kV/0.4 kV，采用Yyn0連接方式，阻抗電壓百分比分別為4.4%，2 臺變壓器長期單獨運行。因4臺變壓器下的主要負載都是變頻器和部分整流設(shè)備，這是主要的諧波源，故分別安裝了并聯(lián)濾波裝置。安裝之前，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析出5 次諧波電流為235.6 A(95%概率大值，下同)，7次諧波電流為161.2 A，5次、7 次諧波電流均已超出國標值所規(guī)定范圍，總諧波電流大小為305.9 A，系統(tǒng)功率因數(shù)在0.92 左右。在整個測試周期中，系統(tǒng)總電流在665.1~1 023.7 A之間波動，在某些時段內(nèi)電流短時間的變化幅度特別大，這主要是由于生產(chǎn)工藝對速度、壓力等物理量的要求較嚴格所造成的，對應(yīng)在這些時段中的諧波電流分量變化也非常大，這就對濾波裝置的快速響應(yīng)能力提出了較高的要求。

懷化集團甲胺生產(chǎn)線改造工程在綜合考慮以上各方面因素后，選擇了上海ZRAF 系列并聯(lián)有源濾波器。使用并聯(lián)有源濾波裝置后，系統(tǒng)中的各項電能質(zhì)量指標均達到考核標準，整個生產(chǎn)線的設(shè)備運行穩(wěn)定，原有的變壓器和電機出現(xiàn)的溫度過高和噪聲較大現(xiàn)象均得到明顯改善，保護裝置也運行正常。懷化集團甲胺生產(chǎn)線因諧波電流影響所導(dǎo)致的各種電氣故障，在使用了并聯(lián)有源濾波裝置后得到了明顯改善。并聯(lián)有源濾波裝置針對變頻器類諧波源的治理效果具體體現(xiàn)為消除諧波電流、降低電氣故障率、提高電能使用效率等。隨著變頻器日益廣泛的使用，諧波所造成的電能質(zhì)量問題越來越受到社會的重視，并聯(lián)有源濾波裝置在治理電能質(zhì)量問題方面將會有越來越多的應(yīng)用。

事例4 上海浦東金融街電信樞紐工程，裝設(shè)有100 多臺100 kW以上的晶閘管軟起動器，諧波電流大也影響保護電路。

2 變頻器使漏電保護誤跳閘原理

變頻器接入配電系統(tǒng)的主電路及等效電路如圖1 所示。

變頻器為諧波電流源，如圖2 所示。計算等效電路中受害點的諧波電壓

事例1 中成都雙流國際機場候機樓，裝設(shè)了由國外成套帶來的100 多臺75 kW以上的晶閘管變頻器，諧波電流很大，由于配電線路是電纜供電，存在分布電容，如圖3 所示，由于高次諧波電容阻抗很小，則有異常電流流入，往往導(dǎo)致電纜過熱，漏電保護裝置按漏電電流躍20 mA 的規(guī)定經(jīng)常跳閘，機場運行人員會同供電局把漏電保護整定值提高，雖然漏電保護不跳了，但真正漏電，對人身造成傷害，又怎么辦?該單位人身傷害雖未造成，但由于諧波電流大造成母線差動保護跳閘，使系統(tǒng)解列，造成了更大的停電事故。

3 用好變頻器關(guān)鍵是治理諧波

3.1 設(shè)置交流電抗器

變頻器輸入側(cè)沒有裝設(shè)專用變壓器時，在輸入側(cè)接入交流電抗器(ACL)使整流阻抗增大，可以抑制高次諧波電流。整流阻抗增大則整流重疊角U增大，使高次諧波電流變小。

計算出的電壓畸變率，不滿足國家標準要求的，必須按圖4 的曲線求出在輸入側(cè)加裝的電抗值來達到要求，但注意要增大阻抗，就要增加壓降，所以電壓降必須控制在2%以內(nèi)，最好求出電壓畸變率與電壓降都在最佳值內(nèi)。

3.2 設(shè)置交流有源和無源濾波器

通常在電力回路中使用的交流濾波器有調(diào)諧濾波器和二次型高次濾波器，如圖5所示。調(diào)諧濾波器適用于單一高次諧波的吸收，而高次濾波器則適用于多個高次諧波的吸收，一般兩者組合起來作為一個設(shè)備使用。交流濾波器是將來自變頻器的高次諧波分量與電源系統(tǒng)的阻抗分流，所以掌握電源阻抗是重要的。實際使用時采用在電源側(cè)設(shè)置電抗器來提高電源阻抗的方法。另外，交流濾波器的基波電力電容必須限制在容許值內(nèi)。

設(shè)計交流濾波器時，要知道高次諧波的產(chǎn)生量(含非理論諧波)和掌握系統(tǒng)操作條件(系統(tǒng)阻抗的變動及伴隨變壓器沖擊電流的濾波器過渡狀態(tài))，有必要在每個設(shè)置環(huán)境下進行計算。

3.3 整流器的多重化

如前所述，對于大容量晶閘管變頻器可以采取整流器的多重化，也就是將電源側(cè)整流器分兩個，在其輸入側(cè)裝設(shè)Y，y-d 或D，y-d 繞組變壓器，利用多重化抑制流向電源側(cè)的高次諧波。因為需要將整流器分開，所以在通用變頻器中不采用。

當設(shè)多臺變頻器，并且其輸入裝設(shè)有專用變壓器時，如圖6 所示，利用輸入變壓器使輸入電流的相位錯開，對于抑制高次諧波也是有效的。