高壓變頻器對電動機繼電保護的影響及解決措施

賀鵬程

（中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

引言

變頻技術是當前企業(yè)發(fā)展節(jié)能降耗的主要技術體系，尤其是在當前的工業(yè)生產領域，變頻技術的使用，可以為生產體系的節(jié)能優(yōu)化奠定基礎。當前，部分生產企業(yè)采取高壓電動機變頻調速技術來實現電動機系統(tǒng)的性能調控。但是結合實際情況來看，在增加了變頻器之后，原有的高壓電動機常規(guī)保護裝置，整體性能下降且無法提供全過程保護服務，因此越來越多的企業(yè)落實變頻調速技術的創(chuàng)新，致力于增強電動機繼電保護質量，確保可以為企業(yè)生產線的高質量創(chuàng)新奠定良好基礎。

1 變頻器的基本原理

在當前的企業(yè)生產過程中，發(fā)電企業(yè)、化工企業(yè)都涉及到了大量的機電設備，這其中水泵、引風機、送風機本身的耗能較大，而以節(jié)能環(huán)保為基礎構建的變頻調速體系，能夠結合系統(tǒng)的實際運行需求進行流量調節(jié)，科學地進行閥門調控，可以在系統(tǒng)運轉需求不高的時候降低能耗。比如在當前火電廠的電動機運轉過程中，以現代控制通信技術以及電力電子技術，將原有的工頻50 Hz的電源調整成直流電源，再將其進行斬波、還原，還原之后的交流電源頻率可以結合流體流量進行自動調節(jié)[1]，從而實現電動機轉速的調控。這樣能夠提高整體系統(tǒng)運行效率，同時也可以實現節(jié)能降耗。

2 高壓變頻器和繼電保護的矛盾問題

2.1 繼電保護配置

從具體的保護裝置結構角度來講，當前大部分的電動機選擇的是三相三繼電器式接線，在變壓器任意一側出現故障時，都可以進行瞬間動作，若變壓器高壓側無斷路器，那么瞬間動作則直接服務于變電機的變壓器組總出口繼電器，能夠在系統(tǒng)出現故障時快速地進行反應，實現開關的啟停。

目前，電動機的保護裝置為V形綜合保護系統(tǒng)，開關柜和電動機中性點側電流互感器，將直接提供差動保護電流。

2.2 變頻器應用后的問題分析

當前絕大部分的電動機變頻改造，主要原理是實現工頻和變頻的靈活切換，其具體架構見圖1。

在實際應用過程中，若變頻器出現了故障，那么整體系統(tǒng)會轉換成工頻供電的狀態(tài)，前期系統(tǒng)中的程序會執(zhí)行自動調控。而在工頻運行的過程中，需要重新投入變頻運行，這期間也可以通過手動或者自動的方式進行切換。

這兩種不同的狀態(tài)會導致機電保護本身的性能存在一定的變化，例如工頻運行狀態(tài)下的電動機繼電保護裝置可以正常執(zhí)行原有的保護行為，但是一旦系統(tǒng)切換成了變頻運行狀態(tài)，那么變頻器的輸入和輸出電流并不會存在直管聯系。若按照原有的繼電保護方法，必然無法滿足實際的保護需求。

因此從理論角度上來講，使用了變頻器的高壓電動機，不應該將變頻器納入到差動保護的范圍，單獨地進行電動機保護，可以實現原有的機電保護功能。

3 電動機繼電保護優(yōu)化方案

3.1 案例分析

某電廠的風煙系統(tǒng)中配備了兩臺引風機，在正常運行時，這兩臺設備都維持在運行工況中。出風扇的控制是由引風機的靜葉開度來完成的。在實際應用過程中，電動機轉速恒定，單純的依靠靜葉來完成風量調節(jié)效果不夠理想，僅能控制在60%~65%左右，導致引風機的電動機額外產生了大量的電能損失。而為了進一步增加用電效率，打造經濟化的機組運行體系，采用變頻調速器實現系統(tǒng)控制，進一步消除了風門以及葉片的截流損耗。

3.2 機電保護方案的改造

采用了變頻調速器之后，整體的發(fā)電機運行工況為變頻工況，在這樣的環(huán)境下，需要改造原有的機電保護方案，才能夠實現差動保護。

首先在引風機的斷路器出線側、變頻器出線側、電動機中性點，設置了三個電流互感器，分別為CT1，CT2，CT3，具體的結構見圖2。這其中CT1和CT2能夠打造電動機工頻狀態(tài)下的差動保護體系，CT2和CT3可以打造變頻狀態(tài)下的差動保護體系。

另外在電動機維持變頻工況時，可以直接通過QF2進行狀態(tài)檢測，促使系統(tǒng)自動退出前期的工頻差動保護，這樣能夠防止在變頻模式下出現誤動情況，從而滿足發(fā)電機正常運轉需求。另外變頻器到電動機的電纜保護主要以變頻器自帶的保護系統(tǒng)來完成，開關柜到變頻器電纜以及變頻器輸入變壓器的保護，由開關柜本身的保護裝置完成。

3.3 差動保護的具體原理

以變頻調控為基礎實現的差動保護，主要是通過實時頻率檢測、頻率跟蹤、電流互感器補償等方式來進行頻率控制。這其中頻率檢測以及頻率跟蹤還需要依賴現代化技術體系來實現，例如本工程中的電動機頻率差動保護便是以傅氏濾波測評算法來完成的。該種算法的整體濾波能力較強，同時可以依照不同階段的系統(tǒng)運行狀態(tài)進行幅值測量，實用性較高且精準性穩(wěn)定。

系統(tǒng)的測頻模式以電壓以及電流相結合的方式來設置，若裝置外回路不能接收到正常電壓時，則會啟用電流測頻技術進行作業(yè)。同時，裝置本身的頻率檢測，利用軟件過零點測算方法以及實時頻率跟蹤相結合的方式。這種方式可以考慮不同頻率下的實際特征，建立在差異性統(tǒng)計的基礎上，能夠實現精準采樣，也可以實現保護裝置的正確可靠動作，全面提升保護的精準性。

3.4 差動保護測試分析

由于電動機的運轉對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性有直接的決定作用，因此在進行變頻機電保護設置的過程中，也需要檢測其具體的應用效果，這樣才可以為系統(tǒng)的高效運轉奠定良好基礎。本工程的引風機變頻工況插動保護系統(tǒng)采取當前的信息技術作為依據，構建了嵌入式仿真模擬平臺ARM＋DSP結構，并且采取工業(yè)生產期間較為常見的多任務操作系統(tǒng)能夠打造高精度的模擬體系[2]，能夠實現每周期24點的高速采樣，并且進行同步數據計算。

對該系統(tǒng)進行檢測，使用的是PW40A型繼電保護測試儀，能夠結合變頻工況下的具體特性進行針對性測試。在測試方案中設定了5個不同的頻率，作為變量，分析電流的實際數值以及電壓采樣的數值，最終檢測差動速斷出口的具體時間。經過檢測之后確定電流采樣的數值范圍控制在4.95~4.99 A內，滿足基準電流5 A的標準；電壓采樣的范圍控制在52.8~57.65 V范圍內，同樣滿足基準電壓57 V的標準。接下來從實測差動速斷出口時間角度來講，頻率為15 Hz時，時間最大為103 ms，隨著頻率的不斷加大，時間逐漸降低，65 Hz時時間降到27 ms。

由此可以證明，變頻器的常規(guī)運行頻率為15~65 Hz采用的繼電保護裝置，可以結合系統(tǒng)的運行需求進行正確的交流采樣動作，迅速且精準度較高，能夠滿足具體的機電保護需求。

4 結語

在電動機中使用高壓變頻器不僅可以打造節(jié)能型生產體系，也可以有效提升整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。而以變頻工況作為主要的改造方向，打造科學的繼電保護體系，能夠進一步提升發(fā)電機的運行穩(wěn)定性和安全性。需要注意的是，選擇的技術體系必須要滿足實際應用需求，進一步采取大容量變頻器進行調速，機電保護體系的設置也要符合系統(tǒng)的實際運轉狀態(tài)，這樣才可以有效增強電動機系統(tǒng)保護力度，為生產體系建設奠定穩(wěn)定基礎。