高壓變頻電動機差動保護的應用研究

趙覺，陳正輝

（浙江浙能樂清發電有限責任公司，浙江 樂清 325600）

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。變頻器的投入使用，導致電動機原本的電流、電壓發生改變，而電動機中原本設置的差動保護由于不適應經過變頻器改變后的電動機低頻電源，因此，就容易產生繼電保護問題。

1 高壓變頻器差動保護的基本原理

高壓電動機使用變頻器后導致前后電源不同，無法通過單一差動保護實現。目前電廠的變頻電動機多采用雙保護配置方案。

1.1 電動機工頻、變頻分設差動保護

圖1 為工頻、變頻方設置差動保護配置方式，除了要在變頻器和電動機連接外設置一個差動保護87b，更要在電動機兩側設置獨立的差動保護87a。當電動機做變頻運行時，可將87a作為主體保護，變頻器和電動機連接電纜的保護可由變頻器自帶速斷保護承擔。當電動機做工頻運行時，可將87b作為主體保護。

圖1 工頻、變頻方設置差動保護示意圖

1.2 磁平衡差動保護

如圖2所示的磁平衡差動保護方案和以上提到的第一個保護方案類似，均需對電動機工頻、變頻分設差動保護，在此基礎上，將電動機原有的保護原理縱差變為磁平衡方式，利用電流繼電器對電動機輸入輸出電流進行檢測。

圖2 磁平衡差動保護示意圖

2 高壓變頻器差動保護的應用

上章提及的兩種從電動機整體回路設計上設置保護的保護方案，雖能起到很好的保護效果，但需至少兩臺裝置來完成變頻電機各工況下的保護功能，安裝接線復雜，調試維護也不方便。本文提出了一種改進的變數據窗算法，能夠很好地滿足變頻電動機保護的需求。

2.1 算法推導

一個頻率為48.78Hz的正弦波形如圖3所示，采用固定采樣頻率采樣。

圖3 f=48.78Hz 的正弦波（fs=1200Hz）

圖中的示例是：采樣頻率fs=1200Hz，實際波形的頻率f=48.78Hz，每周波采樣點數Nf=fs/f=1200/48.78 = 24.6，向上取整N=ceil(Nf)=25。對于某一時刻，一個完整的周期結束于采樣點(n-1)與(n)之間，如圖4所示。

圖4 最后一個采樣點邊界處理

對于連續周期函數x(t)，其頻率f傅氏級數系數表達式是：

（1）

將其離散化，按梯形法積分，每周波采樣點數不是整數時，采樣周期結束于采樣點(n-1)與(n)中間，如果不考慮邊界處的處理，計算誤差將會很大，所以邊界處理是提高變數據窗算法精度的關鍵。

式中，xa(n)與xb(n)是圖中兩側邊界處的處理值。公式是對基波幅值的計算，將系數稍作修改即可計算出各次諧波的幅值，用于CT飽和與涌流判別。

采用該算法計算不同頻率的模擬量只需要改變傅里葉算法的數據窗長，不需要改變裝置的采樣率。因此，可以在同一個裝置里實現不同頻率的模擬量的同時采集，為裝置提供變頻器及電動機組所有的保護提供算法的支持。

2.2 實例分析

浙江某電廠運用本文所述的研究成果，對凝泵變頻保護進行改造，采用南京南瑞繼保電氣有限公司的PCS-9627D電動機保護裝置，構建高壓電動機工頻、變頻一體的保護方案。

本方案在高壓柜開關出線端安裝一組寬頻互感器CT1，在變頻器出線端和電動機中性點各裝一組CT2、CT3（圖5）。在電動機變頻運行時，CT2與CT3構成差動保護。當變頻器退出，電動機工頻運行時，CT1與CT3構成差動保護，差動保護范圍擴大。

圖5 PCS-9627變頻保護配置圖

為驗證裝置在變頻工況下的采樣精度，通過廣州昂立的AD661型繼電保護測試儀對裝置模擬各頻率工況下的基波及諧波的采樣精度測試。當通入頻率f=20Hz的電流，每周波采樣點數Nf=fs/f=1200/20=60，不需要邊界處理，誤差僅為0.2%；通入頻率f=22Hz的電流，每周波采樣點數 Nf=fs/f=1200/22=54.55，一個完整的周期結束于采樣點54點與55點之間，此時，因邊界處處理計算誤差較大，為0.5%。各種頻率下的變頻工況電流采樣精度分析結果見表1，可見采樣誤差均不大于0.5%，因此，適應微機型電動機保護裝置對技術條件的要求。

表1 精度采樣數據分析（部分）

為驗證差動保護CT飽和及涌流閉鎖判據，模擬裝置通入基波頻率為22Hz、疊加18%的2次諧波，20%的3次諧波，22%的5次諧波的電流，諧波精度測試結果見圖6，圖中上半部分為裝置A相電流原始采樣波形，圖中下半部分為裝置通過變數據窗算法計算出的2、3、5次諧波與基波含量百分比。

圖6 諧波精度測試

由圖可見，裝置的諧波含量誤差不超過±1%，滿足微機型電動機保護裝置通用技術條件的要求。當外部故障 CT 飽和時，差流中諧波含量很高，裝置能夠閉鎖比率差動保護有效地防止誤動。

為了驗證裝置在變頻工況下的保護動作時間，采用繼保測試儀，對裝置進行變頻工況下的動作時間測試，通入差流幅值大小為1.2倍差動速斷定值電流，差動測試結果見表2。

表2 保護動作時間

變數據窗算法需要用一個周波的數據計算出電流幅值，所以當頻率越低時，數據窗越長。當故障電流頻率為20Hz時，數據窗長度為50ms，實際動作出口時間為70ms。從測試結果可知，在變頻器工作頻率范圍內，采用該保護配置能準確快速動作，滿足微機型電動機保護裝置通用技術條件的要求。

3 結語

傳統的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，本文采用基于變數據窗算法的方案，很好地滿足工頻、變頻運行下的電動機差動保護需求，由此用1臺裝置實現電動機與變頻器的全部保護。浙江某電廠在進行凝泵電動機的變頻改造中，采用該算法的南瑞PCS-9627D電動機保護，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。