高压变频对电能差动保护的影响研究

董志 董理

摘 要：随着电子技术的发展和节能的要求，对电能差动保护的影响研究越来越急迫。大容量电动机高压变频器在电厂的应用越来越普及，但现有注水电机变频改造装置未充分考虑电能计量装置的改造。不能适用于宽范围调速的高压变频电动机，在注水电机变频运行的情况下已不能实现准确计量。该文基于此，研究高压变频对电能差动保护的影响，提高电流互感器的测量精度。

关键词：高压 变频 电能 差动 保护

中图分类号：TM722 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）05（c）-0039-02

目前进行变频改造的高压电机一般都取消了差动保护，采用宽频率电流互感器。在注水电机回路采用变比更大的电流互感器，这种变频装置的应用对于高压电动机的保护却产生了很大影响。且由于高压变频技术适应性较强，对大容量高压电机主保护的纵联差动保护影响最大。在变频运行情况下使电流互感器处于变频装置输出侧，不只靠灵敏度较差的电流速断作为主保护。

1 高压变频对电能差动保护的影响概述

常规差动保护装置是为工频运行的电机而设计的，但是高压变频电流互感器已经工作在非工频状态。原有工频差动保护在变频器上应用的弊端就显露出来，所以电流互感器在变频器回路供电的情况下需要讨论注水电机变频运行时保护电流及测量电流的变化情况。为了降低用电率并提高节能水平，目前变电所各回路采用的电流互感器都是设计在额定频率50 Hz下运行的。从而实现高压电机的软启动，降低系统能耗。

（1）由于已建变电所设计之初均不考虑运用高压变频装置，对电动机差动保护产生了重大影响。其误差已经不再处于工频误差之下，因此，研究高压变频器对继电保护的影响具有重要的现实意义。使其运行平稳且操控简单，降低用电率并达到节能降耗的目的。避免由此给注水电机电能计量及保护带来较大误差，这对于高压电机保护来说是至关重要的。通过改变频率来调节电机转速的同时改变电压，对一些高压电动机的调节方式从机械节流改为变频调速。

（2）在系统应用高压变频装置综合调节系统压力，尤其是主保护的影响和解决措施。近几年应用高压变频装置陆续对系统进行改造，所以通常采用高压变频技术。从目前应用的高压变频装置特点来看，主要难点是要能适应宽范围变化的频率。现有变频装置都是采用固定的压频比来输出电压和频率，使用现有工频微机差动保护装置实现变频电流差动保护的。这是由电机的工作特性确定的，而且这一措施减少了磨损。在实际应用中保证拖动负载的能力，进而计算出差动电流和制动电流构成判据。

（3）变频装置输出频率基本都处于50 Hz以下，提供的变频电流互感器在运行频率范围内能正确反应变频二次电流。从这个方面来说，完全满足差动保护的要求。注水电机上侧电流互感器就运行在额定频率之下，利用离散傅里叶算法并根据一个周波的采样点计算出流入与流出电流的实部、虚部。其误差必然随频率的降低而加大，因此难以获得相应的相量数据。以工作频率40 Hz为例，采样值差动无需计算整个周波的相量值。从频率变化对互感器的影响来看，由于变频电机的频率在变化，因而常规的相量差动无法适应变频电机的情况。

2 高压变频对电能差动保护的原理

高压变频对电能差动可以解决变频器运行时所处的电源频率不一致的问题，而且不用考虑电流互感器在变频状态下产生的相位差。在变频器的输出端增加一套和电动机中性点CT（CT3）相匹配的CT（CT2），减小造成差动保护的误动。这样差动保护两侧的CT就可以工作在同一个电源频率下，减少电流互感器的误差严重影响差动保护动作的准确率的现象发生。使电流的相位和幅值都具有可比性，保证现有差动保护定值的整定计算是以电流互感器工频运行下的二次电流为计算数据。因此技术人员和相关研究单位重点对CT在不同频率情况下的特性做了EMTP（电力系统电磁暂态分析软件）仿真和实验，保证在变频运行状态时差动保护的定值满足差动保护的要求。图1为高压变频对电能差动保护的原理图。

3 高压变频对电能差动保护展望

由于变频电机的频率在变化，为解决高压电机变频改造后无差动主保护的缺陷，因此提供的变频电流互感器在运行频率范围内需要能正确反应变频的二次电流。在增压风机变频器小间安装数字式变频电动机保护装置，改善常规的相量差动无法适应变频电机的情况。实现电机工频和变频运行下的差动主保护功能，获得相应的相量数据。

（1）为了保证电动机内部故障时差动保护灵敏动作，互感器励磁电流增加20%。考虑变频电动机的实际运行情况，电流互感器误差的加大必然对注水电机差动保护及电能计量产生不利的影响。选取其中能量最大的频率成分作为信号的主频率分量进行相量计算，装置采集电流为电流互感器低频运行下的电流。采用三段式比率差动原理以及能适用变频启动和工频启动两种不同的启动方式，减少采集电流在数值和相位上均与工频状态下的采集电流存在较大误差现象的发生。

（2）该保护装置采用了与频率无关的HHT（希尔伯特一黄变换）的相量计算方法，这种互感器精度高、线性好、频带较宽。同时防止外部故障时及电动机起动时暂态不平衡电流引起的误动，而且响应速度快。当电动机变频启动时，采用宽频率电流互感器可提高电流互感器测量的精度。对应的有变频相量差动和采样值差动、霍尔电流互感器等一些特殊互感器。当变频器异常，此时采集的电流折算到工频状态下要比电流互感器工频运行下采集的电流小。需要提供差动速断和考虑电动机长启动的比率差动保护，所以变频运行下的电能计量装置已不能实现准确计量。

（3）以固有模态信号为基本时域信号的新时频分析方法体系，采用变比更大的电流互感器也可提高电流互感器的测量精度。这一方法体系从根本上摆脱了傅里叶变换理论的束缚，完全满足差动保护的要求。选取其中能量最大（幅值最大）的频率成分作为信号的主频率，使2组对应的差动CT电流传变特性一致。考虑变频电动机的实际运行情况，使用现有工频微机差动保护装置实现变频电流差动保护。通过HHT变换获得非平稳信号的各个频率分量的幅值和相位信息，适应宽范围变化的频率。取电动机首端和尾端三相电流的HHT变换的主成分频率分量进行相量差动计算，克服电流中的高次谐波的影响。

参考文献

[1] GB/T 14285-2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[2] 石成柱，仉志华，郑金善.油田抽油机电动机保护器缺相误原因分析及相应对策[J].电气时代，2010（6）：78-79.