高壓變頻對電能差動保護的影響研究

董志 董理

摘 要：隨著電子技術的發展和節能的要求，對電能差動保護的影響研究越來越急迫。大容量電動機高壓變頻器在電廠的應用越來越普及，但現有注水電機變頻改造裝置未充分考慮電能計量裝置的改造。不能適用于寬范圍調速的高壓變頻電動機，在注水電機變頻運行的情況下已不能實現準確計量。該文基于此，研究高壓變頻對電能差動保護的影響，提高電流互感器的測量精度。

關鍵詞：高壓 變頻 電能 差動 保護

中圖分類號：TM722 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（c）-0039-02

目前進行變頻改造的高壓電機一般都取消了差動保護，采用寬頻率電流互感器。在注水電機回路采用變比更大的電流互感器，這種變頻裝置的應用對于高壓電動機的保護卻產生了很大影響。且由于高壓變頻技術適應性較強，對大容量高壓電機主保護的縱聯差動保護影響最大。在變頻運行情況下使電流互感器處于變頻裝置輸出側，不只靠靈敏度較差的電流速斷作為主保護。

1 高壓變頻對電能差動保護的影響概述

常規差動保護裝置是為工頻運行的電機而設計的，但是高壓變頻電流互感器已經工作在非工頻狀態。原有工頻差動保護在變頻器上應用的弊端就顯露出來，所以電流互感器在變頻器回路供電的情況下需要討論注水電機變頻運行時保護電流及測量電流的變化情況。為了降低用電率并提高節能水平，目前變電所各回路采用的電流互感器都是設計在額定頻率50 Hz下運行的。從而實現高壓電機的軟啟動，降低系統能耗。

（1）由于已建變電所設計之初均不考慮運用高壓變頻裝置，對電動機差動保護產生了重大影響。其誤差已經不再處于工頻誤差之下，因此，研究高壓變頻器對繼電保護的影響具有重要的現實意義。使其運行平穩且操控簡單，降低用電率并達到節能降耗的目的。避免由此給注水電機電能計量及保護帶來較大誤差，這對于高壓電機保護來說是至關重要的。通過改變頻率來調節電機轉速的同時改變電壓，對一些高壓電動機的調節方式從機械節流改為變頻調速。

（2）在系統應用高壓變頻裝置綜合調節系統壓力，尤其是主保護的影響和解決措施。近幾年應用高壓變頻裝置陸續對系統進行改造，所以通常采用高壓變頻技術。從目前應用的高壓變頻裝置特點來看，主要難點是要能適應寬范圍變化的頻率。現有變頻裝置都是采用固定的壓頻比來輸出電壓和頻率，使用現有工頻微機差動保護裝置實現變頻電流差動保護的。這是由電機的工作特性確定的，而且這一措施減少了磨損。在實際應用中保證拖動負載的能力，進而計算出差動電流和制動電流構成判據。

（3）變頻裝置輸出頻率基本都處于50 Hz以下，提供的變頻電流互感器在運行頻率范圍內能正確反應變頻二次電流。從這個方面來說，完全滿足差動保護的要求。注水電機上側電流互感器就運行在額定頻率之下，利用離散傅里葉算法并根據一個周波的采樣點計算出流入與流出電流的實部、虛部。其誤差必然隨頻率的降低而加大，因此難以獲得相應的相量數據。以工作頻率40 Hz為例，采樣值差動無需計算整個周波的相量值。從頻率變化對互感器的影響來看，由于變頻電機的頻率在變化，因而常規的相量差動無法適應變頻電機的情況。

2 高壓變頻對電能差動保護的原理

高壓變頻對電能差動可以解決變頻器運行時所處的電源頻率不一致的問題，而且不用考慮電流互感器在變頻狀態下產生的相位差。在變頻器的輸出端增加一套和電動機中性點CT（CT3）相匹配的CT（CT2），減小造成差動保護的誤動。這樣差動保護兩側的CT就可以工作在同一個電源頻率下，減少電流互感器的誤差嚴重影響差動保護動作的準確率的現象發生。使電流的相位和幅值都具有可比性，保證現有差動保護定值的整定計算是以電流互感器工頻運行下的二次電流為計算數據。因此技術人員和相關研究單位重點對CT在不同頻率情況下的特性做了EMTP（電力系統電磁暫態分析軟件）仿真和實驗，保證在變頻運行狀態時差動保護的定值滿足差動保護的要求。圖1為高壓變頻對電能差動保護的原理圖。

3 高壓變頻對電能差動保護展望

由于變頻電機的頻率在變化，為解決高壓電機變頻改造后無差動主保護的缺陷，因此提供的變頻電流互感器在運行頻率范圍內需要能正確反應變頻的二次電流。在增壓風機變頻器小間安裝數字式變頻電動機保護裝置，改善常規的相量差動無法適應變頻電機的情況。實現電機工頻和變頻運行下的差動主保護功能，獲得相應的相量數據。

（1）為了保證電動機內部故障時差動保護靈敏動作，互感器勵磁電流增加20%。考慮變頻電動機的實際運行情況，電流互感器誤差的加大必然對注水電機差動保護及電能計量產生不利的影響。選取其中能量最大的頻率成分作為信號的主頻率分量進行相量計算，裝置采集電流為電流互感器低頻運行下的電流。采用三段式比率差動原理以及能適用變頻啟動和工頻啟動兩種不同的啟動方式，減少采集電流在數值和相位上均與工頻狀態下的采集電流存在較大誤差現象的發生。

（2）該保護裝置采用了與頻率無關的HHT（希爾伯特一黃變換）的相量計算方法，這種互感器精度高、線性好、頻帶較寬。同時防止外部故障時及電動機起動時暫態不平衡電流引起的誤動，而且響應速度快。當電動機變頻啟動時，采用寬頻率電流互感器可提高電流互感器測量的精度。對應的有變頻相量差動和采樣值差動、霍爾電流互感器等一些特殊互感器。當變頻器異常，此時采集的電流折算到工頻狀態下要比電流互感器工頻運行下采集的電流小。需要提供差動速斷和考慮電動機長啟動的比率差動保護，所以變頻運行下的電能計量裝置已不能實現準確計量。

（3）以固有模態信號為基本時域信號的新時頻分析方法體系，采用變比更大的電流互感器也可提高電流互感器的測量精度。這一方法體系從根本上擺脫了傅里葉變換理論的束縛，完全滿足差動保護的要求。選取其中能量最大（幅值最大）的頻率成分作為信號的主頻率，使2組對應的差動CT電流傳變特性一致。考慮變頻電動機的實際運行情況，使用現有工頻微機差動保護裝置實現變頻電流差動保護。通過HHT變換獲得非平穩信號的各個頻率分量的幅值和相位信息，適應寬范圍變化的頻率。取電動機首端和尾端三相電流的HHT變換的主成分頻率分量進行相量差動計算，克服電流中的高次諧波的影響。

參考文獻

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