第３８卷第ｌ２期 华电技术 Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．１２ ２０１６年１２月 Ｈｕａｄｉａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ．２０１６ 高压变频系统电动机保护方案研究 杨青松，李玉平，张玮，康丰，李进 （南京国电南自电网自动化有限公司，南京２１１ｌＯＯ） 摘要：针对高压变频电动机改造的特点，采用基于频率跟踪的相量差动和采样值差动的双重判据构成差动保护。介绍 了变频电动机保护的配置方案，阐述了过零点检测算法和傅氏算法相结合的频率跟踪方法。对研制的保护装置进行仿 真实验，实验结果表明该装置能够在不同频率下对变频电动机提供快速可靠的保护。 关键词：高压变频电动机；保护；频率跟踪；采样值差动；过零点检测 中图分类号：ＴＭ ７７４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—１９５１（２０１６）１２—０００６—０３ ０引言 １变频电动机保护工作原理 随着厂网分家、竞价上网等的逐步实施，发 为了确保变频器发生故障时不影响高压电动机 电厂降低厂用电率势在必行。变频调速以其优异的 的运行，变频改造基本采用变频器加工频旁路的结 调速、启动和制动性能，在发电厂的风机类和泵类负 构。高压变频系统主要包括移相变压器、变频器和 载中得到广泛应用¨』。对发电厂辅机进行高压变 旁路柜３部分（如图１所示），其中移相变压器起到 频改造，能够实现电机软启动，减小电机启动电流， 系统隔离的作用，变频器将工频电源变换成另一频 减少对电机定子绕组绝缘层的冲击和机械磨损 ； 率的电源，旁路柜用于变频／工频运行方式的切换。 同时，传统的机械节流调节方式经济性较差，将其改 电动机工频运行时，旁路开关ＧＤ３闭合，ＧＤ１，ＧＤ２ 为变频调速，能够有效降低厂用电率，提高系统电机 断开；变频运行时，旁路开关ＧＤ３断开，ＧＤ１，ＧＤ２ 效率 。 闭合。在进行切换控制的过程中，变频器输出端绝 相对于变频改造带来的经济效益，保证辅机设备 对不允许与电源直接相连，即ＧＤ２和ＧＤ３之间形 安全可靠运行也是发电厂重点关注的问题。不论何 成了互锁操作。装置通过识别ＧＤ２，ＧＤ３的开入位 种形式的变频器，在运行中均会产生不同程度的谐波 置，判别电动机的运行状态，自动切换保护功能。 电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行 Ｊ， 给电动机带来发热等问题，对设备的长期运行产生一 定的影响。在以往的高压变频调速系统中，变频工况 下的继电保护主要针对的是变频器的电力电子器件， 对电动机的保护相对薄弱 』，因此研究变频电动机保 护装置具有非常重要的工程价值。 本文研究的保护装置能够实现电动机变频运行 时的差动及后备保护，同时实现工频运行时的差动 保护。装置采用电流跟踪频率方式，实时检测电动 机的运行频率并调整采样频率，保证每周波采样点 数不变。差动保护采用基于频率跟踪的相量差动和 采样值差动相“与”的动作判据，后备保护的配置包 括过电流、负序、电过负荷和热过负荷等。本文介绍 了变频电动机保护在高压变频系统的应用方法，详 图１高压变频系统电动机保护配置示意 细阐述了频率跟踪以及差动保护算法。研制了变频 常规的工频差动保护是在断路器的电动机侧以 电动机保护样机，样机软硬件调试成功后利用实时 及电动机的中性点处安装一次电流互感器（ＣＴ），计 数字仿真仪（ＲＴＤＳ）进行了仿真实验。 算两侧构成的差流，判断电动机的内部故障。电动 机加装变频器后，ＣＴ１，ＣＴ３采集到的电流频率不一 收稿日期：２０１６—１０—２５；修回日期：２０１６—１１—１４ 致，无法形成差动回路，此时可在变频器的输出端和 第１２期 杨青松，等：高压变频系统电动机保护方案研究 ・７・ 电动机中性点处增加能够适应宽频变化的差动保 ｒ，Ｒ ＝，Ｒ ＋（ｉ（ｎ）一ｉ（１＂ｔ一Ⅳ））× 护。传统的一次ｃＴ在低频时的故障电流达到２０ 倍额定电流，很容易出现饱和现象，不能在宽频范围 内正确变换电流。为了正确获得变频运行时电动机 的机端和中性点电流，ＣＴ２，ＣＩ３必须选用专门的宽 ，Ｉ ＝｛ ｓｉｎ（２，ｒｒｎ／Ｎ） ， Ｌ，Ｉ ＋（ （ｎ）一ｉ（ 一Ⅳ））ｃｏｓ（２￣ｎ／Ｎ） 式中：ｉ（ｎ）为当前最新采样值；ｉ（ｎ—Ｎ）为１个周波 前的采样值；， ，，Ｉ 为基于当前点的一周波采样 值经傅氏变换求得的基波电流相量的实部、虚部； Ｉｓ ，Ｉｉ ｏｌｄ为基于前一点的一周波采样值求得的基波 电流相量的实部、虚部。 频ｃＴ，且需满足ＴＡ箱内空问小、结构紧凑等要求。 为了判别变频运行时电机的各种故障，可根据ＣＴ２ 检测的电流配置过电流、负序、电过负荷和热过负荷 等后备保护。 ２频率跟踪 电动机在变频工况下的实际运行频率一般为 １５—５Ｏ Ｈｚ，按照行业标准，电动机保护的频率范围 为１０～７０ Ｈｚ＿６ Ｊ。装置通过频率跟踪和变频采样方 式实现宽频范围的保护，首先要准确检测电动机的 运行频率。由于变频器输出端一般不装设一次电压 互感器（ ），选择变频器输出端和电动机中性点处 的三相电流作为频率测量信号。电流跟踪频率方式 的主要技术难点在于采样电流频率不确定且含有大 量的谐波分量。 电力系统频率测量的方法主要分为硬件测频法 和软件测频法。硬件测频一般采用过零比较器、方 波形成电路及捕获口模块，该方法对信号滤波要求 比较高，且占用硬件资源，增加硬件成本。目前，软 件测频法理论比较成熟，过零点检测算法、最小二乘 算法、卡尔曼滤波算法、傅氏算法、三点测频法等已 被广泛应用于电力系统频率的测量和计算 Ｊ。本 装置采用过零点检测算法和傅氏测频算法相结合的 算法，快速准确地跟踪电动机的运行频率。 过零点检测算法通过记录过零点的时刻来计算 相邻两个过零点的时间间隔，从而得到信号的半个 周期。对信号进行采样处理后，未必能检测到采样 值为零的时刻 ｊ，通常在过零点附近做斜率处理， 即判断前一点采样值小于零、当前点采样值大于等 于零或前一点采样值大于等于零、当前点采样值小 于零，经过这两个点做一条斜线，确定过零点的准确 时刻。该算法易于实现，计算量小，在半个周波内即 可得到信号的瞬时频率，适合用于频率的快速跟踪。 但是变频器的输出电流富含谐波，过零点附近采样 值的波动将影响其测频精度。基于傅氏算法的测频 方法能够有效抑制谐波及直流分量的影响，计算精 度较高。因此，可以通过零点检测算法快速跟踪频 率，待电动机以稳定的频率运行后，再采用傅氏测频 算法准确测得频率。 装置采用全波傅氏算法计算变频器输出端三相 电流的正序分量，其递归形式如下 当电动机的频率不发生变化时，正序电流的相 位保持初始相位不变；当电动机的频率发生ａｆ变化 时，则每个周波会产生２仃△厂的相位差。通过测量 正序电流相位的变化量，计算出频率的变化量，准确 测得电动机运行频率，进一步调整保护装置的采样 频率，提高电机稳定运行时保护的计算精度。 ３差动保护 差动保护是大型高压电气设备广泛采用的一种 保护方式。根据国家继电保护规程的规定，２ ＭＷ及 以上的电动机均应设差动保护，２ ＭＷ以下且速断保 护灵敏度较低的电动机也应装设差动保护 Ｊ。传 统的电动差动保护采用工频相量差动检测电动机的 内部短路故障，其原理是采用某种算法（如傅氏算 法）计算出电动机机端和中性点电流若干个采样值 的相应基频分量的幅值／相位或实部／虚部，然后求 出两侧电流的相量和作为差动电流，再根据采用的 动作特性判据构成差动保护。 变频运行后，电动机的两侧电流非工频信号，此 时可用基于频率跟踪的相量差动代替工频相量差 动。装置实时跟踪电动机的运行频率并调整采样频 率，频率变化时保持每周波采样点数不变，因此每个 采样点的傅氏系数仍是固定的。在此基础上，用差 分半波傅氏算法进行差动电流与制动电流的相量计 算，再按照比率制动特性进行相量的比较。差分半 波傅氏算法能够有效抑制直流分量和谐波分量，同 时兼顾相量差动的计算精度和动作速度。 实际情况下，相量计算的结果一定程度上会受 到电流频率宽频率变化的影响 。为防止频率突 变时相量差动产生较大的差流而导致保护误动，装 置增加了采样值差动判据。根据基尔霍夫电流定 律，直接对同一时刻电动机机端和中性点电流的采 样值进行差动判别，再由多次判别的结果决定是否 发出跳闸动作。采样值差动采用非线性的制动特 性，以躲过电动机启动过程中或正常运行时的不平 衡电流，表达如下 ｆ ｆ ｉ ｆ＋ｆ ｉ ｆ≥ －，ｄ ’ Ｌ ｆ ｉ ＋ｉ Ｉ≥ ２（ｆ ｉ ｆ＋ｆ ｉ ｆ） ・８・ 华电技术 第３８卷 式中： 为电动机首端电流的采样值； 为相同时刻 电动机中性点电流的采样值； 为采样值差动制动 电流门槛与相量差动动作电流门槛的比例系数；Ｋｚ 为采样值差动制动系数。 由于电动机运行频率变化时每周波的采样点数 不变，可固定按照连续的 点中有．ｓ点满足采样值 差动判据，则采样值差动满足动作条件。采样值差 动不涉及傅氏计算，频率发生突变时不会影响其判 别精度，抗干扰能力强。本装置用基于频率跟踪的 相量差动和采样值差动相“与”作为动作条件，大大 提高了电动机差动保护的可靠性。此外，保护装置 对电流采样信号进行基于工频设计的滤波处理，需 根据测量频率对采样点幅值进行软件补偿。 ４实验研究 本装置采用ＭＰＣ８２４７的硬件核心以及Ｖｘ． Ｗｏｒｋｓ的嵌入式操作系统。ＭＰＣ８２４７为双核结构，ｖ，螺 释怅 《、嫣诤碧粗 包括ＰｏｗｅｒＰＣ ６０３ｅ内核和３２位精简指令集（ＲＩＳＣ）０５●Ｏ Ｏ５０５０５０Ｏ ０ 加 Ｏ Ｏ ｍ ０ Ｏ Ｏ ００ ｍ 的通信处理模块（ＣＰＭ），ＣＰＭ和内核通过双口随机 存取存储器（ＲＡＭ）互通信息。由于ＣＰＭ分担了嵌 入式ＰｏｗｅｒＰＣ核的低级外围工作任务，可以使内核 专注于更高级的处理任务。ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统提供 多任务调度、中断管理、实时的系统资源以及任务间 通信，可快速实时处理大容量的信息。 为验证装置变频运行工况下差动保护的可靠 性，搭建仿真模型进行了ＲＴＤＳ实验验证。图２为 变频电动机在２５ Ｈｚ运行时发生单相故障的电流波 形，故障发生约４５ ｍｓ后保护装置切除故障。图３ 为６０ Ｈｚ时发生单相故障的电流波形，差动保护切 除故障的时间为故障发生约３５ ｍｓ后。经过多次试 验，保护未出现误动或拒动现象。可见，采用双重判 据后，差动保护能够快速可靠地切除不同频率下的 故障。对装置的其他保护功能进行校验，动作时间 和精度均能满足要求。 发生：故障 图２变频电机在２５ Ｈｚ下发生单相故障时的电流波形 图３变频电机在６０ Ｈｚ下发生单相故障时的电流波形 ５结论 传统的工频相量差动不适用于高压变频系统， 本文采用基于频率跟踪的相量差动和采样值差动构 成双重动作判据，实现变频电动机的差动保护。实 验证明，该保护装置可为变频电动机提供快速可靠 的保护，相信经过进一步完善，能够在电厂中得到推 广使用。 参考文献： ［１］张本昌．变频器在火力发电厂中的应用［Ｊ］．电力自动化 设备，２００９，２９（５）：１３６—１３８． ［２］冯晓媛．高压异步电动机变频改造中出现的问题及处理 ［Ｊ］．冶金动力，２００９（４）：１０—１１． ［３］张超，张艳艳，黄生睿．大容量变频器对电动机继电保护 的影响［Ｊ］．继电器，２００７，３５（１７）：９—１１． ［４］聂娟红，焦斌，张玲华．变频电动机运行现状及装设变频 保护的必要性［ｃ］／／中国水力发电工程学会继电保护专 业委员会．中国水力发电工程学会继电保护专业委员会 ２０１１年年会暨学术研讨会论文集，２０１１：８８—９２． ［５］丁宁，张洁，仲伟．高压变频电动机保护配置［Ｊ］．电子科 技，２０１１，２４（８）：１１４—１１５，１１８． ［６］电动机保护装置通用技术条件：ＤＩＭＴ ７４４—２０ｌ２［Ｓ］． ［７］方存洋，陈玉兰，潘汉广．一种实用的软件测频算法［Ｊ］． 电力自动化设备，２００７，２７（１２）：３６—３９． ［８］孔辉，叶菲，王杰贵．一种改进的过零检测分析方法［Ｊ］． 航天电子对抗，２００７，２３（４）：５０—５２． ［９］继电保护和安全自动技术装置规程：ＧＢ／Ｔ １４２８５－－２００６ ［Ｓ］． ［１Ｏ］李建，朱彪，梅兴虎，等．应用高压变频器后电动机继电 保护新问题［Ｊ］．江苏电器，２００８（１０）：２１—２３． （本文责编：刘芳） 作者简介： 杨青松（１９９０一），男，江苏盐城人，助理工程师，工学硕 士，从事电力系统继电保护（Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｎｇｓｏｎｇ—ｙａｎｇ＠ｓａｃ— ｃｈｉｎａ．ｃｏｍ）。
