應用變頻器的配電系統保護裝置如何設置

　　1 應用變頻器的配電系統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，配電系統為110 kV 進線，經主變10 kV 配電，配電系統裝有漏電保護，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，中性導線的阻抗在諧波下能產生大的中性線電壓降，此中性線電壓降以共模形式產生干擾，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，發生了與系統解列的事故，經與外商協商，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行。

　　事例2 隨著用戶各類變頻節能設備的廣泛應用，使浙江紹興地區電網的諧波污染問題日趨嚴重，影響了供電質量。2005 年，電網110 kV 大和變電所，發生主變壓器差動保護跳閘，經查找分析發現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，發現有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，經常發生跳閘事故。經供電局同意，提高了整定值，漏電保護不跳了，但上一級差動保護跳閘。因系統中諧波電流普遍存在，故諧波電流造成的電氣設備故障與日俱增，潛在的危害大，容易誘發事故。經調查，發現該供線段內的中外合資的友誼特種鋼有限公司，新建的年產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，并構成閃變干擾。為此，在該用戶配電設備安裝過程中，要求用戶配套加裝了響應時間約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備，這是主要的諧波源，故分別安裝了并聯濾波裝置。安裝之前，根據測試數據分析出 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定范圍，總諧波電流大小為305.9 A，系統功率因數在0.92 左右。在整個測試周期中，系統總電流在665.1~1 023.7 A之間波動，在某些時段內電流短時間的變化幅度特別大，這主要是由于生產工藝對速度、壓力等物理量的要求較嚴格所造成的，對應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能力提出了較高的要求。

　　懷化集團甲胺生產線改造工程在綜合考慮以上各方面因素后，選擇了上海ZRAF 系列并聯有源濾波器。使用并聯有源濾波裝置后，系統中的各項電能質量指標均達到考核標準，整個生產線的設備運行穩定，原有的變壓器和電機出現的溫度過高和噪聲較大現象均得到明顯改善，保護裝置也運行正常。懷化集團甲胺生產線因諧波電流影響所導致的各種電氣故障，在使用了并聯有源濾波裝置后得到了明顯改善。并聯有源濾波裝置針對變頻器類諧波源的治理效果具體體現為消除諧波電流、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量問題越來越受到社會的重視，并聯有源濾波裝置在治理電能質量問題方面將會有越來越多的應用。

　　事例4 上海浦東金融街電信樞紐工程，裝設有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，往往導致電纜過熱，漏電保護裝置按漏電電流躍20 mA 的規定經常跳閘，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，使系統解列，造成了更大的停電事故。

　　3 用好變頻器關鍵是治理諧波

　　3.1 設置交流電抗器

　　變頻器輸入側沒有裝設專用變壓器時，在輸入側接入交流電抗器（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，最好求出電壓畸變率與電壓降都在最佳值內。

　　3.2 設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諧濾波器和二次型高次濾波器，如圖5所示。調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設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。

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