高壓變頻器在電動機繼電保護中的運用論文
摘 要：電動機的傳統保護方式已經不能在適應現代電動機繼電保護的需求，針對這個問題，本文主要對高壓變頻器簡介、傳統電動機保護配置與變頻器電動機保護配置、高壓變頻器在電動機繼電保護中運用時產生的問題、變頻差動保護原理以及變頻器電動機差動保護進行了分析。
關鍵詞：高壓變頻器；電動機；繼電保護
1.高壓變頻器簡介
高壓變頻器的基本組成如圖1所示。高壓變頻器的種類很多，其主要包括直接變頻器（循環變頻器）和間接變頻器（脈沖調制型、負載換流型、中點鉗位型、飛跨電容型、H橋級聯型）。
2.傳統電動機保護配置與變頻器電動機保護配置
2.1傳統電動機保護配置
異步電動機的故障有定子繞組相間短路故障、繞組的匝間短路故障和單相接地故障；不正常運行狀態主要有過負荷、堵轉、起動時間過長、三相供電不平衡或斷相運行、電壓異常等。因此，對于高壓電動機，根據規程以差動保護或電流速斷為主保護，以過負荷保護、過流保護、負序保護、零序保護及低電壓保護等作為后備保護。
2.2變頻器電動機保護配置
為了確保系統的可靠性，工頻旁路一般都是用變頻器來進行，這樣也使電動機能夠正常工作。如圖3所示，在保證變頻器檢修時，開關K1、K2與主回路沒有接觸點，此時閉合開關K，電動機運行主要是通過旁路來進行。當按照此情況運行時，電動機由高壓母線工頻電壓直接驅動，開關出線以及電動機本體就是進線開關QF處保護裝置的保護對象。因此，電動機保護配置就需要根據常規電動機保護的要求進行，對于有差動保護要求的，需要增加電動機差動保護裝置。當斷開開關K3時，由變頻器拖動電動機時，開關出線以及變頻器就是進線開關QF處保護裝置的保護對象。目前，由整流變壓器等部分構成的變頻器是發電廠比較常用的，也就是說，開關出線以及整流變壓器是進線開關QF處保護裝置的保護對象。此時電動機的負荷與母線隔離后高壓變頻器的負荷相同，因此，高壓變頻系統的控制器能夠實現電動機的保護。當然也有些電動機無法實現差動保護，因為開關處電流與電動國際中性側電流頻率不同，此時步伐實現保護，只能選擇退出。
目前變頻器電動機保護配置方式主要存在兩個問題：(1)對于2000kW以上的電動機，需要配置差動保護。因此，在變頻器拖動電動機情況下，電動機差動保護退出，保護的可靠性受到影響。(2)任意時刻，變壓器保護裝置、電動機保護裝置只有一臺投入使用，降低了裝置的使用效率。
3.高壓變頻器在電動機繼電保護中運用時產生的問題
一般而言，高壓異步電動機應裝設縱聯差動保護。對6.3MVA及以上的變壓器應裝設本保護，用于保護繞組內及引出線上的相間短路故障；保護裝置宜采用三相三繼電器式接線，瞬時動作于變壓器各側斷路器跳閘，當變壓器高壓側無斷路器時，則應動作于發電機變壓器組總出口繼電器，使各側斷路器及滅磁開關跳閘。對2MVA及以上采用電流速斷保護靈敏性不符合要求的變壓器也應裝設本保護。
目前而言，工變頻互動方式是現場電動機加裝變頻器所采用的主要改造方式，其系統架構如圖2所示。
變頻器可以通過可編程邏輯控制器自動完成或者手動完成變頻與工頻之間的切換，但是條件是當變頻器出現故障或者工況要求進入工頻供電；在工頻運行時，如果變頻運行需要重新投入進行，那么工頻與變頻狀態的切換就可以通過自動或者手動完成。
當電動機處于工頻運行工況時，那么對于現場使用要求，常規電動機保護對此要求是能夠滿足的；當電動機處于變頻運行工況時，由于變頻器裝置的加入，在頻率、相位上，變頻器的輸入和輸出電流之間的關系不大，如果其保護配置還是按照原來的方法進行，那么要想實現保護功能就受到了阻礙。因此，在具有高壓變頻器的電動機中，只需對電動機進行單獨保護就行，不應將變頻器納入差動保護的范圍。差動保護范圍為：始端電流互感器應置于變頻器的輸出端，而非電源開關側，末端電流互感器置于電動機的中性點側。
電動機在變頻運行工況時，變頻器輸出頻率范圍一般可以達到0.5~120Hz，現場實際調頻運行范圍一般在15~50Hz。而目前常用的.微機保護裝置均是根據行業標準設計的，即采用固定頻率50Hz進行數字采樣計算，如何讓微機保護裝置能夠適用于大范圍頻率運行是變頻電動機保護必須解決的問題。同時，考慮到在變頻器電源輸出側不方便裝VT，如何實時測量電動機運行頻率也是需要解決的難題。
4變頻差動保護原理
裝置的寬頻率運行采用實時頻率測量、實時頻率跟蹤、實時電流互感器補償的方式來實現引風機變頻工況的差動保護。裝置采用了電壓和電流相結合的測頻模式，當電壓不能接在裝置外回路時，此時采用電流測頻。同時軟件過零點測頻算法和實時頻率跟蹤相結合是裝置的頻率測量的采用的主要方法，并且在此基礎上，采用了幅值自動補充功能，主要是考慮到了不同頻率下幅頻特性的不一致，從而在不同范圍內使裝置具有可靠的采樣精度得以保證，裝置的正確可靠動作也得到了進一步的實現。
5．變頻器電動機差動保護
高壓變頻器在電動機中的運用，在此情況下，如圖3所示，由于電動機機端CT1與CT3兩處的電流頻率不同，而導致傳統的電動機差動保護無法使用。目前磁平衡差動保護的應用主要存在以下問題：（1）目前發電廠使用的電動機基本上都無法提供磁平衡差動所需要的中性側電纜引出。(2)磁平衡差動的電流是在變頻器下方，非工頻電流。對于微機保護，按照工頻50Hz整定的定值不適用于非工頻情況。由于差動保護的兩側電流必須為同一頻率下電流。可考慮在變頻器下方、電動機上方加裝一組CT，即CT2，此組CT可安裝于變頻器柜中，由CT2和CT3兩組電流構成差動保護。常規差動保護為相量差動，其原理是用傅里葉算法，根據一個周波的采樣點計算出流入和流出電流的實虛部，再計算出差動和制動電流的幅值、相位后用相量比較的方式構成判據。由于電流非50 Hz工頻，因此在進行傅里葉計算時需要通過頻率跟蹤保證計算結果的正確。由于變頻器下方無電壓引入，因此通過常規的電壓跟蹤頻率方式無法實現。有廠家提出利用電流跟蹤頻率，但由于電流跟蹤頻率存在較大的誤差，容易引起保護的誤動、拒動，在實際中并不采用。
對于差動保護中采用的采樣值差動，微機保護中所有通道采樣均為電流在同一時刻的瞬時值:當被保護設備沒有橫向內部故障時，各采樣電流值之和為零；當發生內部故障時，各采樣電流值之和不為零。采樣值差動保護就是利用采樣值電流之和按一定的動作判據構成。
與常規相量差動保護相比，采樣值差動具有動作速度快、計算量少等特點，是微機差動保護領域的一個突破，己應用于母差、變壓器等保護中。采樣值差動不涉及傅氏計算，變頻器所帶來的諧波也不會影響其計算精度，因此，對工作于25~50Hz的高壓變頻電動機，其差動保護可以利用該算法實現。
總而言之，就目前高壓變頻器在電動機繼電保護中的運用而言，實現差動保護主要采用值差動保算法來進行，可以最終使用一臺裝置來實現變壓器與電動機保護裝置的功能，這樣不僅使高壓變頻器在電動機繼電保護中實現了相應的功能，而且也使成本節省了很多。
參考文獻：
1. Science and Technology Information, 2011, (16)
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