高压变频电动机差动保护的应用研究

赵觉，陈正辉

（浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 乐清 325600）

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。变频器的投入使用，导致电动机原本的电流、电压发生改变，而电动机中原本设置的差动保护由于不适应经过变频器改变后的电动机低频电源，因此，就容易产生继电保护问题。

1 高压变频器差动保护的基本原理

高压电动机使用变频器后导致前后电源不同，无法通过单一差动保护实现。目前电厂的变频电动机多采用双保护配置方案。

1.1 电动机工频、变频分设差动保护

图1 为工频、变频方设置差动保护配置方式，除了要在变频器和电动机连接外设置一个差动保护87b，更要在电动机两侧设置独立的差动保护87a。当电动机做变频运行时，可将87a作为主体保护，变频器和电动机连接电缆的保护可由变频器自带速断保护承担。当电动机做工频运行时，可将87b作为主体保护。

图1 工频、变频方设置差动保护示意图

1.2 磁平衡差动保护

如图2所示的磁平衡差动保护方案和以上提到的第一个保护方案类似，均需对电动机工频、变频分设差动保护，在此基础上，将电动机原有的保护原理纵差变为磁平衡方式，利用电流继电器对电动机输入输出电流进行检测。

图2 磁平衡差动保护示意图

2 高压变频器差动保护的应用

上章提及的两种从电动机整体回路设计上设置保护的保护方案，虽能起到很好的保护效果，但需至少两台装置来完成变频电机各工况下的保护功能，安装接线复杂，调试维护也不方便。本文提出了一种改进的变数据窗算法，能够很好地满足变频电动机保护的需求。

2.1 算法推导

一个频率为48.78Hz的正弦波形如图3所示，采用固定采样频率采样。

图3 f=48.78Hz 的正弦波（fs=1200Hz）

图中的示例是：采样频率fs=1200Hz，实际波形的频率f=48.78Hz，每周波采样点数Nf=fs/f=1200/48.78 = 24.6，向上取整N=ceil(Nf)=25。对于某一时刻，一个完整的周期结束于采样点(n-1)与(n)之间，如图4所示。

图4 最后一个采样点边界处理

对于连续周期函数x(t)，其频率f傅氏级数系数表达式是：

（1）

将其离散化，按梯形法积分，每周波采样点数不是整数时，采样周期结束于采样点(n-1)与(n)中间，如果不考虑边界处的处理，计算误差将会很大，所以边界处理是提高变数据窗算法精度的关键。

式中，xa(n)与xb(n)是图中两侧边界处的处理值。公式是对基波幅值的计算，将系数稍作修改即可计算出各次谐波的幅值，用于CT饱和与涌流判别。

采用该算法计算不同频率的模拟量只需要改变傅里叶算法的数据窗长，不需要改变装置的采样率。因此，可以在同一个装置里实现不同频率的模拟量的同时采集，为装置提供变频器及电动机组所有的保护提供算法的支持。

2.2 实例分析

浙江某电厂运用本文所述的研究成果，对凝泵变频保护进行改造，采用南京南瑞继保电气有限公司的PCS-9627D电动机保护装置，构建高压电动机工频、变频一体的保护方案。

本方案在高压柜开关出线端安装一组宽频互感器CT1，在变频器出线端和电动机中性点各装一组CT2、CT3（图5）。在电动机变频运行时，CT2与CT3构成差动保护。当变频器退出，电动机工频运行时，CT1与CT3构成差动保护，差动保护范围扩大。

图5 PCS-9627变频保护配置图

为验证装置在变频工况下的采样精度，通过广州昂立的AD661型继电保护测试仪对装置模拟各频率工况下的基波及谐波的采样精度测试。当通入频率f=20Hz的电流，每周波采样点数Nf=fs/f=1200/20=60，不需要边界处理，误差仅为0.2%；通入频率f=22Hz的电流，每周波采样点数 Nf=fs/f=1200/22=54.55，一个完整的周期结束于采样点54点与55点之间，此时，因边界处处理计算误差较大，为0.5%。各种频率下的变频工况电流采样精度分析结果见表1，可见采样误差均不大于0.5%，因此，适应微机型电动机保护装置对技术条件的要求。

表1 精度采样数据分析（部分）

为验证差动保护CT饱和及涌流闭锁判据，模拟装置通入基波频率为22Hz、叠加18%的2次谐波，20%的3次谐波，22%的5次谐波的电流，谐波精度测试结果见图6，图中上半部分为装置A相电流原始采样波形，图中下半部分为装置通过变数据窗算法计算出的2、3、5次谐波与基波含量百分比。

图6 谐波精度测试

由图可见，装置的谐波含量误差不超过±1%，满足微机型电动机保护装置通用技术条件的要求。当外部故障 CT 饱和时，差流中谐波含量很高，装置能够闭锁比率差动保护有效地防止误动。

为了验证装置在变频工况下的保护动作时间，采用继保测试仪，对装置进行变频工况下的动作时间测试，通入差流幅值大小为1.2倍差动速断定值电流，差动测试结果见表2。

表2 保护动作时间

变数据窗算法需要用一个周波的数据计算出电流幅值，所以当频率越低时，数据窗越长。当故障电流频率为20Hz时，数据窗长度为50ms，实际动作出口时间为70ms。从测试结果可知，在变频器工作频率范围内，采用该保护配置能准确快速动作，满足微机型电动机保护装置通用技术条件的要求。

3 结语

传统的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，本文采用基于变数据窗算法的方案，很好地满足工频、变频运行下的电动机差动保护需求，由此用1台装置实现电动机与变频器的全部保护。浙江某电厂在进行凝泵电动机的变频改造中，采用该算法的南瑞PCS-9627D电动机保护，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。