變頻電動機差動保護的研究與應用

張延林 ，王鵬 ，韓英杰 ，樊予勝 ，劉政

(1.國家電投集團河南公司技術信息中心，鄭州 450000；2.國家電投集團河南公司，鄭州 450000；3.國家電投集團河南公司開封分公司，河南 開封 475000；4.江蘇金智科技股份有限公司，南京 211100)

變頻電動機差動保護的研究與應用

張延林1，王鵬1，韓英杰2，樊予勝3，劉政4

(1.國家電投集團河南公司技術信息中心，鄭州 450000；2.國家電投集團河南公司，鄭州 450000；3.國家電投集團河南公司開封分公司，河南 開封 475000；4.江蘇金智科技股份有限公司，南京 211100)

隨著變頻器在廠用電中的應用，高壓電動機的變頻改造及變頻差動保護需求日益增多。以凝結水泵電動機變頻改造為例，介紹了差動保護改造方案和所采用的非工頻頻率跟蹤采樣值差動算法，并通過試驗驗證了采樣性能及保護可靠性，可為高壓變頻電動機差動保護改造提供參考。

高壓電動機；變頻器；頻率跟蹤；采樣值差動保護

0 引言

隨著變頻調速技術的快速發展，各種高壓變頻器不斷出現，在電廠廠用電等方面發揮著巨大的節能作用，但變頻裝置的應用給高壓電動機的保護帶來了重大影響。工頻運行下的常規差動保護通常采用基于傅立葉算法的相量差動，而變頻運行時電力傳輸頻率及能量發生不確定變化且諧波分量變大，原有的傅立葉算法將受到很大影響，導致測量及判斷不準，因此進行高壓電動機變頻控制改造時，原電流縱聯差動保護將不再適用。目前電廠的做法通常是取消原有差動保護，改用靈敏度相對較差的電流速斷保護，或利用變頻器本身的保護功能代替原來的電動機保護，這樣就增加了電動機的運行風險[1-3]。為此，本文介紹一種適用于變頻模式下的頻率跟蹤采樣值差動算法，并在實際高壓電機變頻改造中予以應用，形成完整的高壓變頻電動機保護方案。

1 頻率跟蹤采樣值差動

1.1 采樣值差動

根據基爾霍夫定律，未發生電動機區內故障時，被保護對象各支路電流瞬時值之和為零；當橫向短路故障發生時，則在原有各支路中新增加了一個支路，原有各支路與新增故障支路的電流瞬時值之和為零，故原有各支路的電流瞬時值之和就不再為零，此故障支路電流即為差動電流。采樣值差動即是利用該差動電流，在每個周波的所有采樣點均進行差動判別，為躲過正常運行時的不平衡電流影響，采用非線性制動特性，動作特性曲線如圖1所示。

圖1 采樣值比率差動動作特性曲線

圖1所示的動作特性曲線采用了三折線比率差動原理，第3條折線斜率固定為1。比率差動保護在電動機不停機時投入，保護動作判據為

式中：Id為差動電流，A；Icdqd為比率差動保護啟動電流整定值，A；Ie為電動機運行額定電流二次值，A；Ih為制動電流，A；K為比率制動系數。

采樣值差動[4-9]在每個采樣點都進行上述判據的判別，隨時間的變化，每個采樣點的制動效果也不相同，為保證無故障發生時制動較差的采樣點差動保護能夠可靠制動，且在發生故障時能夠正確可靠動作，通常采用“R-S多次重復判別”方法，即在連續的R個采樣點均進行差動判別，若有S次滿足動作條件，則認定動作有效，因此，即便某幾個采樣點出現壞點，差動保護仍不會動作。本研究采用24點采樣，即每個周波進行等間隔24點采樣，并以固定的R，S進行差動保護的可靠性判別。變頻運行時，通過對基頻頻率的跟蹤，保持24點采樣和R-S的選擇不變，差動保護仍可可靠應用。

1.2 頻率跟蹤

本研究提出兩路電流測頻通道，分別為專用測頻通道和保護測頻通道，以滿足小電流和大電流時的測頻精度。專用測頻通道電流引自電動機中性點電流互感器(CT)的一個繞組，裝置會自動根據電流大小切換測頻通道。裝置在小電流(即保護電流小于CT二次額定電流In)時，使用專用通道進行測頻，而當保護電流大于In時，則使用保護通道進行測頻。

通過上述2種算法的配合，對系統頻率進行實時跟蹤計算，相對于單一的測頻算法具有測頻門檻更低、測頻精度更高等優點。

2 變頻電動機差動保護方案

某發電集團運用本文所述的研究成果，對2臺凝結水泵機組進行變頻改造，構建高壓電動機工頻、變頻一體的保護方案。

鑒于2臺高壓凝結水泵機組原都各自配置工頻保護，且2臺機組互為備用(任意時刻僅有1臺凝結水泵運行)，為節約改造成本，提高改造效率，在原有保護基礎上增加電動機工頻及變頻差動保護方案，形成主后備一體的工頻及變頻下的綜合保護方案。具體方案如圖2所示：增加1臺高壓變頻器，通過回路開關的配合，可獨立實現每臺高壓電機的工頻及變頻運行，并通過在變頻器出口、#1高壓電動機中性側和#2高壓電機中性側分別安裝1組(3相)寬頻互感器來實現工頻及變頻運行下的頻率跟蹤及差動電流、制動電流的計算，從而構成各自獨立的綜合保護方案。

圖2 工程改造方案

保護裝置通過變頻器出口處的開關合位節點判別機組當前所處的運行模式為工頻模式或變頻模式，以#1凝結水泵高壓電動機為例。

(1)QF3閉合，QF2，QF5斷開，#1高壓電機工頻運行。由QF3側的電流互感器和CT2的采樣構成差動，此時#1機組的原保護配置提供后備保護。

(2)QF3斷開，QF2，QF5閉合，#1高壓電機變頻運行。由CT1和CT2的采樣構成差動，并取開關QF5的跳位節點作為差動保護的閉鎖判據，即當QF5在跳位時，退出#1機組的差動保護，此時高壓變頻器提供后備保護功能。

(3)QF1閉合，QF2，QF4斷開，#2高壓電機工頻運行。由QF1側的電流互感器和CT4的采樣構成差動，此時#2機組的原保護配置提供后備保護。

(4)QF1斷開，QF2，QF4閉合，#2高壓電機變頻運行。由CT3和CT4的采樣構成差動，并取開關QF4的跳位節點作為差動保護的閉鎖判據，即當QF4在跳位時，退出#1機組的差動保護，此時高壓變頻器提供后備保護功能。

通過上述改造，即可實現經濟、可靠、完整的高壓變頻電動機保護。

3 應用試驗

3.1 采樣精度試驗

采用博電ZD661型繼電保護測試儀進行采樣精度試驗(CT二次額定電流為5 A)，測試記錄見表1。

由表1可見，頻率在10～70 Hz內變化時，在CT有效測量范圍內，頻率測量相對誤差幾乎為0(小數點后保留兩位有效數字)，保護電流測量相對誤差不超過0.100%，具有非常高的測量精度。

3.2 保護精度試驗

根據圖1的保護動作特性曲線整定比率差動保

護定值如下：Icdqd=0.5Ie，K=0.5，其中Ie=1.00 A。以40 Hz頻率為例，保護動作記錄見表2。

表1 采樣精度測試記錄

表2 比率差動保護試驗記錄

依據表2繪制差動保護動作點分布圖(如圖3所示)，其中折線為動作特性曲線，▲點為保護未動作點(0.95倍定值)，●點為保護動作點(1.05倍定值及2.00倍定值)。

圖3 比率差動動作點分布

從表2和圖3中可以看出，比率差動保護在0.95倍定值時可靠不動作，在1.05倍定值時可靠動作，比率差動動作時間小于50 ms。

4 結束語

傅里葉算法的向量差動無法很好地解決變頻運行下的電動機差動保護，本文研究的基于頻率跟蹤的采樣值差動算法能夠精確跟蹤系統頻率，很好地滿足工頻、變頻運行下的電動機差動保護需求。某發電集團采用該算法進行凝結水泵電動機的變頻改造，利用原有保護配置，采用集約、經濟的改造方案，解決了高壓電動機在工頻及變頻下的保護問題，在廠用電高壓變頻電動機保護中具有很好的示范效果和推廣價值。

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(本文責編：劉芳)

2017-02-09；

2017-03-29

TN 773

B

1674-1951(2017)04-0008-03

張延林(1981—)，男，陜西延安人，工程師，從事發電廠繼電保護和勵磁管理工作(E-mail:zyl_0652@126.com)。