高压变频电动机保护的研究及应用

陈朝晖，李中玉

（1.台州发电厂，浙江 台州 318016；2.浙能中煤舟山煤电有限责任公司，浙江 舟山 316131）

近年来，发电企业通过对6 kV及以上电压等级大功率电动机进行变频调速技术改造，取得了很好的节能效果和经济效益。但变频装置的应用对传统电动机保护装置及保护配置带来很大的影响，目前所配置的微机型电动机差动保护和综合保护，保护范围、工作原理以及设计选用的TA（电流互感器）等，都已经不符合高压变频电动机系统实际要求，严重威胁着电气一次设备的安全可靠运行。因此系统地研究变频电动机的保护、配置和实现方法具有非常重要的现实意义。

通过分析高压变频调速系统的组成及各组成设备的工作特性，结合工程实例，提出配置各自独立、保护范围相互交叉的新型保护配置方案。

1 变频调速系统的保护配置及存在问题

1.1 变频调速系统

变频器是利用电力半导体的通断作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置。目前应用在发电厂中的高压电机变频器一般都采用高-高结构，整个系统由移相变压器、变频器、电机三部分设备组成。为确保变频器元件故障不影响机组发电，大多设置旁路运行模式，加装变频器后的高压变频系统的电气接线如图1所示。

图1 高压变频系统接线原理

1.2 保护的配置

发电厂大容量电动机保护由传统的微机型综合保护和差动保护构成，装设在高压开关柜内。综合保护提供速断保护、负序保护、零序保护、长启动保护、堵转保护、低电压保护和过负荷保护，根据电动机及系统运行特点灵活配置反应各种故障及异常的保护。

传统的微机差动保护和综合保护装置都是基于工频运行的电动机设计，在加装了变频设备后，对应的电动机保护已不能同时满足电动机工频、变频两种运行工况要求。且原装设的TA能否满足低频运行时电流正确传输，也需分析计算。

1.3 变频工况下存在的问题

（1）高压电动机在变频工况下无主保护。电动机差动保护基于电动机机端和中性点电流构成的相量，计算差动电流和制动电流。当变频运行时，2组TA分处于变频器的两侧，运行频率不同。不同频率的电流无法实现电气量差动保护，会导致差动保护误动，变频运行时需退出差动保护。

（2）高压电动机在变频工况下无可靠的后备保护。高压变频调速系统的等效阻抗发生很大的变化，由于变频器的交-直-交环节中直流隔离作用，使综合保护的范围缩小到变频器前的交流部分，变频器输出电缆及电动机基本处于无保护状态，只能依赖变频器内的保护。而高压变频器配置的保护是针对变频器功率元器件，而不是电动机，无法保证在任何情况下都能反应电动机的各种故障，况且其定值及其特性在现场无法校核检验。

（3）常规配置的TA存在低频饱和现象。传统的电磁式TA是利用电磁感应原理通过铁心耦合实现一、二次电流变换，由于铁心具有磁饱和特性，不适合在宽频工况下运行，特别是在低频工况下非常容易饱和，从而影响保护装置动作的正确性。

2 高压变频调速系统电动机保护整体方案分析

2.1 移相变压器保护配置

在电动机变频调速工作整个过程中，移相变压器始终工作在50 Hz，故移相变压器可看成常规变压器设备。按《继电保护及安全自动装置技术规程》要求，根据变压器额定电压和额定容量，配置常规的基于50 Hz的变压器微机综合保护即可。

2.2 变频单元保护配置

变频器是一个复杂的大功率电力电子装置，其运行可靠性受电磁干扰、元器件质量、环境温度、空气洁净度等影响很大，因此变频器必须配置完善的保护功能，变频器保护一般集成在变频器内控制电路中，应配置以下几种保护功能：

（1）过流保护：变频器内部控制回路、驱动回路受干扰或其他原因误动作，就会造成逆变器上、下桥臂直通短路事故。短路电流导致逆变器的开关元件烧毁，需在极短的时间内封锁PWM（脉冲宽度调制）驱动信号输出，停止逆变器工作，同时将电源输入的高压开关跳开。

（2）过载保护：电动机过载会使逆变器输出电流达1.5倍额定电流以上，造成IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的损坏。过载保护应具有反时限特性，并应配置合适的过载保护。

（3）过电压保护：变频器输入电压长时间过高或电动机快速减速时，造成再生功率直流电路电压降升高。当电压超过IGBT的安全工作电压时，会损坏IGBT，需立即关闭逆变器。

（4）欠压保护：当输入电源发生低电压、缺相、断相，或者变频器内部电容损坏时，IGBT会使其驱动功率不足而造成元件损坏，需立即关闭逆变器。

2.3 电动机保护配置及算法

保护配置仍要遵循《继电保护及安全自动装置技术规程》规定，取消原常规的电动机差动保护和构成差动保护的常规TA后，在变频器输出端增加能适应频率宽范围调整的差动保护，同时在变频器输出端和电动机中性点处分别装设能适应频率宽范围调整的TA，实现差动保护和后备保护。保留原综合保护，作为变频器退出而旁路运行时的保护，也可作为变频运行时移相变压器的保护。又因变频调速改善了电动机的工作环境，避免了一些异常运行方式，可考虑不再配置长延时、堵转、过负荷、低电压的保护。

变频系统下电动机保护的主要技术难点是采样电流频率的不确定性和存在大量谐波分量。传统的继电保护算法中，三采样值算法与频率无关，但该算法受谐波分量影响大，计算结果离散值大且无法检测信号的相位信息，故三采样值算法不适用于变频电机保护。目前有一种HHT（希尔伯特-黄变换）理论，可以获得非平稳信号的各个频率分量的幅值和相位信息，选取其中幅值最大的频率成分作为信号的主频率，考虑变频电动机的实际运行情况，可以认为主频率成分占据信号的主要成分，其他频率分量可以视为谐波分量。取变频器输出端和电动机中性点三相电流HHT变换的主成分频率分量进行相量计算，形成基于HHT变换的差动保护和后备保护。

2.4 对TA的要求

为满足变频电动机保护的数据采样正确性，必须解决TA低频铁心饱和问题，另外现场的高压开关柜、电动机中心点TA箱一般都存在空间小、结构紧凑特点，且变频系统一般采用每相2 mm×120 mm及以上动力电缆，这就对穿心式TA提出体积小、穿线孔直径大及绝缘强度高的要求，常规TA较难满足要求。电子式TA使用低功率铁心线圈，其额定功率远远小于常规TA，可作为首选。

3 变频调速系统电动机保护应用实例

3.1 脱硫增压风机TA及保护原配置情况

台州发电厂8号炉脱硫增压风机电动机额定容量为3 300 kW；额定电压6 kV；变频器为罗克韦尔公司的PowerFlex 7000装置，移相变压器为ZTSFG-4600/6干式变压器。

脱硫增压风机TA及保护配置如图2所示。在脱硫增压风机6 kV开关柜中装设有3组TA（1LH，2LH，3LH），电动机的中性点TA箱中装设1组TA（4LH），并在开关柜中装设了常规的CSC系列的差动保护装置和综合保护装置。工频运行时，差动保护和综合保护装置均投入；变频运行工况下，差动保护退出运行，仅保留综合保护运行。

3.2 电动机保护改造方案

北京四方继保股份有限公司和台州发电厂联合开展了“变频电动机的保护研究和改造”科技项目，开发研制了基于就地采样的CSC236D数字式变频电动机保护装置，JLSGB-6型变频电动机电子式TA及配套的就地采集单元设备，并成功地应用到台州发电厂8号炉脱硫增压风机上。

脱硫增压风机变频电动机保护改造整体方案如图3所示。在6 kV开关柜和电动机的中性点TA箱分别加装1组JLSGB-6型电子式TA（6LH和7LH），在变频输出至电动机的电缆安装处变频旁路刀闸柜内也加装1组JLSGB-6型TA（5LH），3组TA通过就地采样装置完成采样后，经过光纤传输到变频保护装置。

图2 脱硫增压风机改造前TA及保护配置

图3 脱硫增压风机改造后TA及保护配置

加装1台CSC-236D数字式变频电动机保护装置。装置能提供频率在5～65 Hz宽范围变动的差动保护，还能根据旁路柜的变频器进线闸刀和出线闸刀的状态变化自动切换至工频差动保护。当检测到变频运行时，由5LH和6LH电流互感器构成变频差动保护；当检测到工频运行时，由6LH和7LH电流互感器构成工频差动保护。

保留6 kV开关柜内原配置的综合保护，考虑在工频和变频工况下综合保护的对象不同，应设置2套定值，一套保护定值适用工频运行时，作为6 kV电源电缆和电动机的后备保护；另一套适用变频运行时，作为6 kV电源电缆和移相变压器的保护；CSC-236D装置提供变频过流保护、负序保护和采样值热过负荷保护，作为变频器输出电缆和电动机的后备保护，电流采样取自5LH。变频器功率单元由集成在变频器控制电路的保护来实现。

3.3 现场调试

利用测试仪向保护装置施加数字模拟量，从装置液晶界面查看模拟量的幅值、相序、通道正确；对装置所提供的各个保护功能校验，校验结果保护功能良好，精度满足要求。

在全开脱硫烟气进、出口挡板和脱硫烟气旁路挡板，增压风机前导叶开至70%的模式下，监测脱硫增压风机工频、变频启动过程中对应的差动保护可靠不误动；电动机带载后，在工频、不同频率工况下检查保护装置的动作行为和各侧电流的采样值，均正确。

4 结语

电动机的高压变频调速已经非常普及，而与之相应的继电保护新技术研究却才刚刚开始。本文介绍的保护配置还需完善，新型保护装置及其TA还有待运行时间的考验，相信经继电保护科技人员的努力，完善的保护配置方案及先进、可靠、稳定的新型保护装置将会很快推广应用，为高压变频调速电动机的安全运行提供保障。

[1]GB/T 14285-2006继电保护和安全自动技术规程[S].北京：中国电力出版社，2006.

[2]王维俭.电气主设备继电保护原理和应用[M].北京：中国电力出版社，1996.