变频电动机差动保护的研究与应用

时间：2024-07-28

张延林，王鹏，韩英杰，樊予胜，刘政

(1.国家电投集团河南公司技术信息中心，郑州 450000；2.国家电投集团河南公司，郑州 450000；3.国家电投集团河南公司开封分公司，河南开封 475000；4.江苏金智科技股份有限公司，南京 211100)

变频电动机差动保护的研究与应用

张延林1，王鹏1，韩英杰2，樊予胜3，刘政4

随着变频器在厂用电中的应用，高压电动机的变频改造及变频差动保护需求日益增多。以凝结水泵电动机变频改造为例，介绍了差动保护改造方案和所采用的非工频频率跟踪采样值差动算法，并通过试验验证了采样性能及保护可靠性，可为高压变频电动机差动保护改造提供参考。

高压电动机；变频器；频率跟踪；采样值差动保护

0 引言

随着变频调速技术的快速发展，各种高压变频器不断出现，在电厂厂用电等方面发挥着巨大的节能作用，但变频装置的应用给高压电动机的保护带来了重大影响。工频运行下的常规差动保护通常采用基于傅立叶算法的相量差动，而变频运行时电力传输频率及能量发生不确定变化且谐波分量变大，原有的傅立叶算法将受到很大影响，导致测量及判断不准，因此进行高压电动机变频控制改造时，原电流纵联差动保护将不再适用。目前电厂的做法通常是取消原有差动保护，改用灵敏度相对较差的电流速断保护，或利用变频器本身的保护功能代替原来的电动机保护，这样就增加了电动机的运行风险[1-3]。为此，本文介绍一种适用于变频模式下的频率跟踪采样值差动算法，并在实际高压电机变频改造中予以应用，形成完整的高压变频电动机保护方案。

1 频率跟踪采样值差动

1.1 采样值差动

根据基尔霍夫定律，未发生电动机区内故障时，被保护对象各支路电流瞬时值之和为零；当横向短路故障发生时，则在原有各支路中新增加了一个支路，原有各支路与新增故障支路的电流瞬时值之和为零，故原有各支路的电流瞬时值之和就不再为零，此故障支路电流即为差动电流。采样值差动即是利用该差动电流，在每个周波的所有采样点均进行差动判别，为躲过正常运行时的不平衡电流影响，采用非线性制动特性，动作特性曲线如图1所示。

图1 采样值比率差动动作特性曲线

图1所示的动作特性曲线采用了三折线比率差动原理，第3条折线斜率固定为1。比率差动保护在电动机不停机时投入，保护动作判据为

式中：Id为差动电流，A；Icdqd为比率差动保护启动电流整定值，A；Ie为电动机运行额定电流二次值，A；Ih为制动电流，A；K为比率制动系数。

采样值差动[4-9]在每个采样点都进行上述判据的判别，随时间的变化，每个采样点的制动效果也不相同，为保证无故障发生时制动较差的采样点差动保护能够可靠制动，且在发生故障时能够正确可靠动作，通常采用“R-S多次重复判别”方法，即在连续的R个采样点均进行差动判别，若有S次满足动作条件，则认定动作有效，因此，即便某几个采样点出现坏点，差动保护仍不会动作。本研究采用24点采样，即每个周波进行等间隔24点采样，并以固定的R，S进行差动保护的可靠性判别。变频运行时，通过对基频频率的跟踪，保持24点采样和R-S的选择不变，差动保护仍可可靠应用。

1.2 频率跟踪

本研究提出两路电流测频通道，分别为专用测频通道和保护测频通道，以满足小电流和大电流时的测频精度。专用测频通道电流引自电动机中性点电流互感器(CT)的一个绕组，装置会自动根据电流大小切换测频通道。装置在小电流(即保护电流小于CT二次额定电流In)时，使用专用通道进行测频，而当保护电流大于In时，则使用保护通道进行测频。

通过上述2种算法的配合，对系统频率进行实时跟踪计算，相对于单一的测频算法具有测频门槛更低、测频精度更高等优点。

2 变频电动机差动保护方案

某发电集团运用本文所述的研究成果，对2台凝结水泵机组进行变频改造，构建高压电动机工频、变频一体的保护方案。

鉴于2台高压凝结水泵机组原都各自配置工频保护，且2台机组互为备用(任意时刻仅有1台凝结水泵运行)，为节约改造成本，提高改造效率，在原有保护基础上增加电动机工频及变频差动保护方案，形成主后备一体的工频及变频下的综合保护方案。具体方案如图2所示：增加1台高压变频器，通过回路开关的配合，可独立实现每台高压电机的工频及变频运行，并通过在变频器出口、#1高压电动机中性侧和#2高压电机中性侧分别安装1组(3相)宽频互感器来实现工频及变频运行下的频率跟踪及差动电流、制动电流的计算，从而构成各自独立的综合保护方案。

图2 工程改造方案

保护装置通过变频器出口处的开关合位节点判别机组当前所处的运行模式为工频模式或变频模式，以#1凝结水泵高压电动机为例。

(1)QF3闭合，QF2，QF5断开，#1高压电机工频运行。由QF3侧的电流互感器和CT2的采样构成差动，此时#1机组的原保护配置提供后备保护。

(2)QF3断开，QF2，QF5闭合，#1高压电机变频运行。由CT1和CT2的采样构成差动，并取开关QF5的跳位节点作为差动保护的闭锁判据，即当QF5在跳位时，退出#1机组的差动保护，此时高压变频器提供后备保护功能。

(3)QF1闭合，QF2，QF4断开，#2高压电机工频运行。由QF1侧的电流互感器和CT4的采样构成差动，此时#2机组的原保护配置提供后备保护。

(4)QF1断开，QF2，QF4闭合，#2高压电机变频运行。由CT3和CT4的采样构成差动，并取开关QF4的跳位节点作为差动保护的闭锁判据，即当QF4在跳位时，退出#1机组的差动保护，此时高压变频器提供后备保护功能。

通过上述改造，即可实现经济、可靠、完整的高压变频电动机保护。

3 应用试验

3.1 采样精度试验

采用博电ZD661型继电保护测试仪进行采样精度试验(CT二次额定电流为5 A)，测试记录见表1。

由表1可见，频率在10～70 Hz内变化时，在CT有效测量范围内，频率测量相对误差几乎为0(小数点后保留两位有效数字)，保护电流测量相对误差不超过0.100%，具有非常高的测量精度。

3.2 保护精度试验

根据图1的保护动作特性曲线整定比率差动保

护定值如下：Icdqd=0.5Ie，K=0.5，其中Ie=1.00 A。以40 Hz频率为例，保护动作记录见表2。

表1 采样精度测试记录

表2 比率差动保护试验记录

依据表2绘制差动保护动作点分布图(如图3所示)，其中折线为动作特性曲线，▲点为保护未动作点(0.95倍定值)，●点为保护动作点(1.05倍定值及2.00倍定值)。

图3 比率差动动作点分布

从表2和图3中可以看出，比率差动保护在0.95倍定值时可靠不动作，在1.05倍定值时可靠动作，比率差动动作时间小于50 ms。

4 结束语

傅里叶算法的向量差动无法很好地解决变频运行下的电动机差动保护，本文研究的基于频率跟踪的采样值差动算法能够精确跟踪系统频率，很好地满足工频、变频运行下的电动机差动保护需求。某发电集团采用该算法进行凝结水泵电动机的变频改造，利用原有保护配置，采用集约、经济的改造方案，解决了高压电动机在工频及变频下的保护问题，在厂用电高压变频电动机保护中具有很好的示范效果和推广价值。

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