应用变频器的配电系统保护装置如何设置

1 应用变频器的配电系统谐波引起保护装置误跳闸的事实

事例1 成都国际双流机场在机场改造时，随成套设备由国外带来100 多台75 kW 以上空用晶闸管变频器，配电系统为110 kV 进线，经主变10 kV 配电，配电系统装有漏电保护，由于晶闸管变频器输入电流中含有很高的谐波分量，其中输入电流的5 次谐波达20%，7 次谐波达12%，总的谐波电流失真约为30%，3 的整数倍次谐波电流是零序电流，零序电流在中性线中是相互叠加的。

零序使供电系统中的中性线电流很大。当中性线上有较大的谐波电流时，中性导线的阻抗在谐波下能产生大的中性线电压降，此中性线电压降以共模形式产生干扰，有的中性线上的电流还会超过相电流。由于是电缆供电，分布电容较大，对高次谐波为低阻，故漏电流剧增，致使漏电保护经常误跳闸。机场管理人员会同成都市供电局提高了漏电保护整定值，漏电保护不跳闸，但上一级差动保护跳了，发生了与系统解列的事故，经与外商协商，更换GTO变频器为IGBT多重化变频器，谐波达到国家标准要求，漏电保护、差动保护均按国家标准执行。

事例2 随着用户各类变频节能设备的广泛应用，使浙江绍兴地区电网的谐波污染问题日趋严重，影响了供电质量。2005 年，电网110 kV 大和变电所，发生主变压器差动保护跳闸，经查找分析发现大和变电所主变压器电流5 次谐波达到10%，之后再对10 kV 出线进行测试，发现有5 条10 kV 线路5次谐波电流超过10%，而其中谐波电流最大的安中线5 次谐波电流达20%。同样还是由于谐波电流过大，而配电线路为电缆，分布电容大，对谐波电流为低阻抗，漏电流超过整定值，经常发生跳闸事故。经供电局同意，提高了整定值，漏电保护不跳了，但上一级差动保护跳闸。因系统中谐波电流普遍存在，故谐波电流造成的电气设备故障与日俱增，潜在的危害大，容易诱发事故。经调查，发现该供线段内的中外合资的友谊特种钢有限公司，新建的年产200 kt不锈钢带钢工程在冶炼过程中，特别是在熔化期，随机且大幅度波动的无功功率会引起供电母线电压的波动，其主要谐波源设备，包括20 t电弧炉3台，25 t精炼炉2台。通过对其电压波动和闪变的评估，波动严重，并构成闪变干扰。为此，在该用户配电设备安装过程中，要求用户配套加装了响应时间约10 ms的SVC 补偿装置，TCR 部分容量为10 000 kvar。

该装置投运后，各项指标符合国家标准要求。

事例3 湖南怀化集团甲胺生产线共有2 个低压配电房NF71变和NF73变，其中NF71变分别有2 台变压器，容量均为1 600 kV·A，电压等级为6.3 kV/0.4 kV，采用Yyn0 连接方式，阻抗电压百分比为4.3%，2 台变压器长期单独运行。NF73变也分别有2 台变压器，容量均为1 250 kV·A，电压等级为6.3 kV/0.4 kV，采用Yyn0连接方式，阻抗电压百分比分别为4.4%，2 台变压器长期单独运行。因4台变压器下的主要负载都是变频器和部分整流设备，这是主要的谐波源，故分别安装了并联滤波装置。安装之前，根据测试数据分析出5 次谐波电流为235.6 A(95%概率大值，下同)，7次谐波电流为161.2 A，5次、7 次谐波电流均已超出国标值所规定范围，总谐波电流大小为305.9 A，系统功率因数在0.92 左右。在整个测试周期中，系统总电流在665.1~1 023.7 A之间波动，在某些时段内电流短时间的变化幅度特别大，这主要是由于生产工艺对速度、压力等物理量的要求较严格所造成的，对应在这些时段中的谐波电流分量变化也非常大，这就对滤波装置的快速响应能力提出了较高的要求。

怀化集团甲胺生产线改造工程在综合考虑以上各方面因素后，选择了上海ZRAF 系列并联有源滤波器。使用并联有源滤波装置后，系统中的各项电能质量指标均达到考核标准，整个生产线的设备运行稳定，原有的变压器和电机出现的温度过高和噪声较大现象均得到明显改善，保护装置也运行正常。怀化集团甲胺生产线因谐波电流影响所导致的各种电气故障，在使用了并联有源滤波装置后得到了明显改善。并联有源滤波装置针对变频器类谐波源的治理效果具体体现为消除谐波电流、降低电气故障率、提高电能使用效率等。随着变频器日益广泛的使用，谐波所造成的电能质量问题越来越受到社会的重视，并联有源滤波装置在治理电能质量问题方面将会有越来越多的应用。

事例4 上海浦东金融街电信枢纽工程，装设有100 多台100 kW以上的晶闸管软起动器，谐波电流大也影响保护电路。

2 变频器使漏电保护误跳闸原理

变频器接入配电系统的主电路及等效电路如图1 所示。

变频器为谐波电流源，如图2 所示。计算等效电路中受害点的谐波电压

事例1 中成都双流国际机场候机楼，装设了由国外成套带来的100 多台75 kW以上的晶闸管变频器，谐波电流很大，由于配电线路是电缆供电，存在分布电容，如图3 所示，由于高次谐波电容阻抗很小，则有异常电流流入，往往导致电缆过热，漏电保护装置按漏电电流跃20 mA 的规定经常跳闸，机场运行人员会同供电局把漏电保护整定值提高，虽然漏电保护不跳了，但真正漏电，对人身造成伤害，又怎么办?该单位人身伤害虽未造成，但由于谐波电流大造成母线差动保护跳闸，使系统解列，造成了更大的停电事故。

3 用好变频器关键是治理谐波

3.1 设置交流电抗器

变频器输入侧没有装设专用变压器时，在输入侧接入交流电抗器(ACL)使整流阻抗增大，可以抑制高次谐波电流。整流阻抗增大则整流重叠角U增大，使高次谐波电流变小。

计算出的电压畸变率，不满足国家标准要求的，必须按图4 的曲线求出在输入侧加装的电抗值来达到要求，但注意要增大阻抗，就要增加压降，所以电压降必须控制在2%以内，最好求出电压畸变率与电压降都在最佳值内。

3.2 设置交流有源和无源滤波器

通常在电力回路中使用的交流滤波器有调谐滤波器和二次型高次滤波器，如图5所示。调谐滤波器适用于单一高次谐波的吸收，而高次滤波器则适用于多个高次谐波的吸收，一般两者组合起来作为一个设备使用。交流滤波器是将来自变频器的高次谐波分量与电源系统的阻抗分流，所以掌握电源阻抗是重要的。实际使用时采用在电源侧设置电抗器来提高电源阻抗的方法。另外，交流滤波器的基波电力电容必须限制在容许值内。

设计交流滤波器时，要知道高次谐波的产生量(含非理论谐波)和掌握系统操作条件(系统阻抗的变动及伴随变压器冲击电流的滤波器过渡状态)，有必要在每个设置环境下进行计算。

3.3 整流器的多重化

如前所述，对于大容量晶闸管变频器可以采取整流器的多重化，也就是将电源侧整流器分两个，在其输入侧装设Y，y-d 或D，y-d 绕组变压器，利用多重化抑制流向电源侧的高次谐波。因为需要将整流器分开，所以在通用变频器中不采用。

当设多台变频器，并且其输入装设有专用变压器时，如图6 所示，利用输入变压器使输入电流的相位错开，对于抑制高次谐波也是有效的。