基于采樣值差動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)的變頻器電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)國(guó)家能源政策的要求，節(jié)能減排工作已全面展開(kāi)，而在大型火力發(fā)電廠，廠用電率的降低勢(shì)在必行。對(duì)于占廠用電絕大部分的高壓電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，節(jié)能領(lǐng)域的重要技術(shù)措施就是高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在電廠得到了廣泛應(yīng)用。目前的新建電廠，重要輔機(jī)如風(fēng)機(jī)、水泵等，一般均要求考慮配置變頻器拖動(dòng)；越來(lái)越多的已建電廠正在進(jìn)行或已完成高壓電動(dòng)機(jī)采用變頻器的改造。高壓電動(dòng)機(jī)采用采用變頻器拖動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)保護(hù)如何配置才能保證機(jī)組安全可靠的運(yùn)行，成為電廠、設(shè)計(jì)院、保護(hù)廠家關(guān)注的問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置

異步電動(dòng)機(jī)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(yùn)行狀態(tài)主要有過(guò)負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、三相供電不平衡或斷相運(yùn)行、電壓異常等。因此，對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)，根據(jù)規(guī)程以差動(dòng)保護(hù)或電流速斷為主保護(hù)，以過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、零序保護(hù)及低電壓保護(hù)等作為后備保護(hù)。

2 目前變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置

發(fā)電廠為保證系統(tǒng)的可靠性，高壓電動(dòng)機(jī)一般采用變頻器帶工頻旁路，以便即使在變頻器檢修時(shí)也可通過(guò)工頻旁路，保證電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。圖1為現(xiàn)場(chǎng)高壓電動(dòng)機(jī)變頻器改造的示意圖，其中K1、K2開(kāi)關(guān)保證變頻器檢修時(shí)，與主回路無(wú)接觸點(diǎn)，此時(shí)K3開(kāi)關(guān)閉合，電動(dòng)機(jī)通過(guò)旁路運(yùn)行。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)旁路運(yùn)行，此時(shí)由廠用電中高壓母線工頻電壓直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對(duì)象是開(kāi)關(guān)出線以及電動(dòng)機(jī)本體。因此，此時(shí)應(yīng)該按照常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求配置電動(dòng)機(jī)保護(hù)，有差動(dòng)保護(hù)要求的，需要配置電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)K3斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)由變頻器拖動(dòng)時(shí)，進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對(duì)象是開(kāi)關(guān)出線以及變頻器。由于目前發(fā)電廠使用的變頻器一般由整流變壓器、控制柜等部分構(gòu)成，即進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF處保護(hù)裝置的保護(hù)對(duì)象是開(kāi)關(guān)出線以及整流變壓器。此時(shí)電動(dòng)機(jī)成為與廠用電母線隔離后高壓變頻器的負(fù)荷，因而電動(dòng)機(jī)的保護(hù)應(yīng)由高壓變頻系統(tǒng)的控制器實(shí)現(xiàn)。對(duì)于6～10 kV整流變壓器，一般對(duì)其配置常規(guī)變壓器后備保護(hù)，在整定時(shí)和常規(guī)變壓器略有差異。此時(shí)電動(dòng)機(jī)常規(guī)差動(dòng)保護(hù)由于開(kāi)關(guān)處電流和電動(dòng)機(jī)中性側(cè)電流頻率不一致，無(wú)法進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)，只能退出。

目前一般變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置有：電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置、變壓器保護(hù)測(cè)控裝置。電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和變壓器保護(hù)裝置通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行功能的投退：即旁路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)為變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)方式，變壓器保護(hù)裝置投入，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置退出；當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)為工頻電網(wǎng)直接拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置投入，變壓器保護(hù)裝置退出。

目前此種保護(hù)配置方式主要存在兩個(gè)問(wèn)題：

（1）對(duì)于2 000 kW以上的電動(dòng)機(jī)，需要配置差動(dòng)保護(hù)。因此，在變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)情況下，電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)退出，保護(hù)的可靠性受到影響。

（2）任意時(shí)刻，變壓器保護(hù)裝置、電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置只有一臺(tái)投入使用，降低了裝置的使用效率。

3 變頻器電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)

在使用變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的情況下，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)無(wú)法使用的原因?yàn)椋弘妱?dòng)機(jī)機(jī)端CT為圖1中開(kāi)關(guān)柜處的CT1和電動(dòng)機(jī)中性側(cè)CT即CT3這兩處CT的電流頻率不相同。文獻(xiàn)提出采用磁平衡差動(dòng)保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際中存在幾個(gè)問(wèn)題：

（1）目前發(fā)電廠使用的電動(dòng)機(jī)基本上都無(wú)法提供磁平衡差動(dòng)所需要的中性側(cè)電纜引出。

（2）磁平衡差動(dòng)的電流是在變頻器下方，非工頻電流。對(duì)于微機(jī)保護(hù)，按照工頻50 Hz整定的定值不適用于非工頻情況。

由于差動(dòng)保護(hù)的兩側(cè)電流必須為同一頻率下電流。可考慮在變頻器下方、電動(dòng)機(jī)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(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。

常規(guī)差動(dòng)保護(hù)為相量差動(dòng)，其原理是用傅里葉算法，根據(jù)一個(gè)周波的采樣點(diǎn)計(jì)算出流入和流出電流的實(shí)虛部，再計(jì)算出差動(dòng)和制動(dòng)電流的幅值、相位后用相量比較的方式構(gòu)成判據(jù)。由于電流非50 Hz工頻，因此在進(jìn)行傅里葉計(jì)算時(shí)需要通過(guò)頻率跟蹤保證計(jì)算結(jié)果的正確。由于變頻器下方無(wú)電壓引入，因此通過(guò)常規(guī)的電壓跟蹤頻率方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。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(hù)的誤動(dòng)、拒動(dòng)，在實(shí)際中并不采用。

對(duì)于差動(dòng)保護(hù)中采用的采樣值差動(dòng)，為微機(jī)保護(hù)中所有通道采樣為電流在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值：當(dāng)被保護(hù)設(shè)備沒(méi)有橫向內(nèi)部故障時(shí)，各采樣電流值之和為零；當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，各采樣電流值之和不為零。采樣值差動(dòng)保護(hù)就是利用采樣值電流之和按一定的動(dòng)作判據(jù)構(gòu)成。

與常規(guī)相量差動(dòng)保護(hù)相比，采樣值差動(dòng)具有動(dòng)作速度快、計(jì)算量少等特點(diǎn)，是微機(jī)差動(dòng)保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)突破，己應(yīng)用于母差、變壓器等保護(hù)中。采樣值差動(dòng)不涉及傅氏計(jì)算，變頻器所帶來(lái)的諧波也不會(huì)影響其計(jì)算精度，因此，對(duì)工作于25～50 Hz的高壓變頻電動(dòng)機(jī)，其差動(dòng)保護(hù)可以利用該算法實(shí)現(xiàn)。

江蘇金智科技股份有限公司基于采樣值差動(dòng)原理開(kāi)發(fā)的變頻器電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)成功投運(yùn)，運(yùn)行一段時(shí)間以來(lái)，未出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)的情況，說(shuō)明采樣值差動(dòng)可以應(yīng)用于變頻器電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)。該差動(dòng)保護(hù)裝置電流輸入有3組CT，分別為開(kāi)關(guān)側(cè)CT1、變頻器下方電動(dòng)機(jī)上方增加的CT2、中性側(cè)CT3，同時(shí)引入工頻旁路開(kāi)關(guān)接點(diǎn)。當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)接點(diǎn)閉合時(shí)，此時(shí)為常規(guī)相量差動(dòng)，采用傅里葉算法，差動(dòng)電流為CT1和CT3電流；當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)接點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，此時(shí)為采樣值差動(dòng)，采用采樣值差動(dòng)算法，差動(dòng)電流為CT2和CT3電流。

4 變頻器電動(dòng)機(jī)后備保護(hù)

目前一般變頻器電動(dòng)機(jī)配置一臺(tái)電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置和一臺(tái)變壓器保護(hù)測(cè)控裝置，兩臺(tái)裝置之間通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行投退。由于任意時(shí)刻，兩臺(tái)裝置只有一臺(tái)投入使用，降低了裝置的使用效率。

變壓器保護(hù)主要功能包括過(guò)流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、接地保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)等；電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，主要包括過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、零序保護(hù)及低電壓保護(hù)等。

江蘇金智科技股份有限公司在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一臺(tái)全新的變頻器電動(dòng)機(jī)后備保護(hù)裝置，裝置中包含有變壓器保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，其中的變壓器保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能的投退通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)接點(diǎn)所形成的硬壓板進(jìn)行控制，這樣把原先兩臺(tái)裝置的功能集成到一臺(tái)裝置中，提高現(xiàn)場(chǎng)裝置的使用率。此后備保護(hù)裝置在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，受到了用戶的一致認(rèn)可。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于目前發(fā)電廠用高壓變頻器帶電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，傳統(tǒng)地采用傅里葉算法的相量差動(dòng)不太適用，可以采用采樣值差動(dòng)保算法實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)；可以將現(xiàn)有的兩臺(tái)變壓器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的功能集成在一臺(tái)裝置中，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)，這樣既滿足電動(dòng)機(jī)保護(hù)的要求，又節(jié)省了成本。