变频器电动机组保护装置研究与应用

韩雪

引言

变频器具有极佳的控制特征及节能效果，因此倍受社会各界的关注。当前，高压变频器已被广泛应用于电厂与工矿企业中，亦或说多数企业开始就高压电动机进行变频调速改造。那么，如何同时实现高压电动机的节能效率及运行的安全可靠性便变得尤为重要。依此研究背景，本文就变频器电动机组保护装置及其应用进行研究。

一、高压变频器电动机组及其对保护的影响

据研究结果表明，≥2MW的电动机均应设差动保护;电流速断灵敏度低且<2MW的电动机也应设差动保护。多数电厂均选用变频器电动机组配置的变频电机，详见图1-1。

如图1-1所示，变频器电动机组的进线侧、机端及中性点分别安装一组CT。考虑到在频率与相位上的变频器输入、输入电流之间没有任何必然的联系，因此切忌将变频器列为差动保护。CT2、CT3共同形成差动保护，因此在变频器退出或分支线路接入时，差动保护范围均可明显扩大。图1-2为变频器电动机组磁平衡差动

如图1-2所示，变频器电动机组的进线侧、机端分别安装一组CT，同时机端电缆及中性点引出电缆采用一进一出的方式从磁平衡式CT中穿过。磁平衡式CT是对差流的直接性反应，且磁平衡式CT的过流保护能实现对变频器进行差动保护。由于交流采集模块与算法的限制，当前的变频电动机保护装置仅能接入频率相同的交流量，如此要求传统微机型保护至少装设两台装置，方才能完成对变频器电动机组的有效保护。为此，本文提出一种基于变数据窗算法的保护装置，以弥补传统保护方式的缺陷。

二、变频器电动机组保护装置的应用研究

本案所选保护装置为PCS-9627D电动机保护装置，以适应电压等级为3～10kV的中高压大型电动机，同时选用32位的DSP+ARM双核處理器，以便在所有采样间隔中采用复杂的算法来对采样与保护展开实时计算。此外，此保护装置也是基于双重化采样与互校技术的装置，以提高保护采样与保护行为的可靠性。本章节侧重对变频器电动机组保护装置的应用进行研究。

PCS-9627D电动机保护装置提供的保护功能有：非电量保护、低电压保护、过电压保护、零序过电压/过电流保护、过热保护、过负荷保护、接地保护、三段定时限负序过流保护、五段定时限过流保护、不平衡保护、短路保护、启动耗时超限与堵转保护、电流纵差保护及磁平衡差动保护，因此电动机保护装置保护功能的完善对适应电动机与变频器的保护需求具有重要作用。就传统的保护装置来讲，变频器上、下端电流分别为工频50Hz及低频运行，因此需装设≥2台保护装置，以实现各种工况下变频电动机的保护，同时也表现出安装接线复杂、调试维护不便的缺点。为此，本文选用PCS-9627D装置。此种基于变数据窗算法的保护装置是按变频器上端的电压频率来实现频率跟踪，同时在约1200Hz处微调电压频率，此时变频器上端CT1在工频工况工作，而变频器下端的CT2/CT3则按变数据窗算法展开计算。研究表明，4组三相CT、1组三相电压、1路零序电流均可同时接入PCS-9627D电动机保护装置中，且以3组三相CT来保护计算。由于频率测量的准确度会对变数据窗算法的计算精度造成直接性的影响，因此此保护装置会选择1组灵敏CT与CT2串联起来，以实现频率测量，如此即使在电动机机端电流相当小的情况下，亦能实现相当高的频率测量精度。如此一来，仅采用1台装置也能实现在各种工况下电动机与变频器的保护，从而使接线与调试维护难度大幅度降低。此外，在保护装置运行中，电动机实际运行频率用测量CT进行计算，然后再按实际运行频率对基波幅值计算公式的系数与边界处理值进行调整，并对电流谐波与基波幅值展开计算。

三、测试分析

为了验证在变频工况下PCS-9627D电动机保护装置的采样精度，现选用PW466型继电保护测试仪就变频器在各种频率工况下实际运行的谐波、基波的采样精度进行测试。当实际波形的频率，则每周波采样点数，此时无需进行边界处理，误差为0.2%;当，则每周波采样点数为 ，此时一个完整的周期在采样点54点到55点之间结束，误差为0.5%。各种频率下的变频工况电流采样精度测试结果见表3-1。

表3-1 采样测试数据统计表（局部）

如图3-1可知，采样误差均≤0.5%，因此适应微机型电动机保护装置对技术条件的要求。

为了验证在变频工况下PCS-9627D电动机保护装置的动作时间，现选用博电测试仪就变频工况下装置的动作时间进行测试，且差流幅值为差动速断定值的1.2倍，具体测试结果详见表3-2。

变数据窗算法要求电流幅值用一个周波的数据来计算，因此频率与数据窗的长度呈正相关。根据表3-2可知，若故障电流频率是20Hz，则数据窗长度是50ms，此时实测差动速断出口时间是70ms。可见，在变频器工作频率要求范围中，PCS-9627D电动机保护装置的应用可实现快速动作，以适应微机型电动机保护装置对技术条件的要求。

四、结语

当前，高压变频器逐渐被广泛应用到工矿企业及电厂中，因此电气技术人员务必重视对变频器电动机组继电保护的研究。为此，本文根据高压变频器电动机组对保护的影响，提出了采用变数据窗算法来解决变频器电动机组保护的问题，由此实现用1台装置来实现电动机与变频器的全部保护。研究表明，变数据窗算法的应用对变频工况下谐波含量的准确计算及对变频电动机差动保护的涌流、CT饱和辨别问题的有效处理具有重要作用。