變頻電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的研究與應(yīng)用

張延林 ，王鵬 ，韓英杰 ，樊予勝 ，劉政

(1.國(guó)家電投集團(tuán)河南公司技術(shù)信息中心，鄭州 450000；2.國(guó)家電投集團(tuán)河南公司，鄭州 450000；3.國(guó)家電投集團(tuán)河南公司開封分公司，河南 開封 475000；4.江蘇金智科技股份有限公司，南京 211100)

變頻電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的研究與應(yīng)用

張延林1，王鵬1，韓英杰2，樊予勝3，劉政4

(1.國(guó)家電投集團(tuán)河南公司技術(shù)信息中心，鄭州 450000；2.國(guó)家電投集團(tuán)河南公司，鄭州 450000；3.國(guó)家電投集團(tuán)河南公司開封分公司，河南 開封 475000；4.江蘇金智科技股份有限公司，南京 211100)

隨著變頻器在廠用電中的應(yīng)用，高壓電動(dòng)機(jī)的變頻改造及變頻差動(dòng)保護(hù)需求日益增多。以凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)變頻改造為例，介紹了差動(dòng)保護(hù)改造方案和所采用的非工頻頻率跟蹤采樣值差動(dòng)算法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了采樣性能及保護(hù)可靠性，可為高壓變頻電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)改造提供參考。

高壓電動(dòng)機(jī)；變頻器；頻率跟蹤；采樣值差動(dòng)保護(hù)

0 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，在電廠廠用電等方面發(fā)揮著巨大的節(jié)能作用，但變頻裝置的應(yīng)用給高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)帶來(lái)了重大影響。工頻運(yùn)行下的常規(guī)差動(dòng)保護(hù)通常采用基于傅立葉算法的相量差動(dòng)，而變頻運(yùn)行時(shí)電力傳輸頻率及能量發(fā)生不確定變化且諧波分量變大，原有的傅立葉算法將受到很大影響，導(dǎo)致測(cè)量及判斷不準(zhǔn)，因此進(jìn)行高壓電動(dòng)機(jī)變頻控制改造時(shí)，原電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)將不再適用。目前電廠的做法通常是取消原有差動(dòng)保護(hù)，改用靈敏度相對(duì)較差的電流速斷保護(hù)，或利用變頻器本身的保護(hù)功能代替原來(lái)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)，這樣就增加了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。為此，本文介紹一種適用于變頻模式下的頻率跟蹤采樣值差動(dòng)算法，并在實(shí)際高壓電機(jī)變頻改造中予以應(yīng)用，形成完整的高壓變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)方案。

1 頻率跟蹤采樣值差動(dòng)

1.1 采樣值差動(dòng)

根據(jù)基爾霍夫定律，未發(fā)生電動(dòng)機(jī)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，被保護(hù)對(duì)象各支路電流瞬時(shí)值之和為零；當(dāng)橫向短路故障發(fā)生時(shí)，則在原有各支路中新增加了一個(gè)支路，原有各支路與新增故障支路的電流瞬時(shí)值之和為零，故原有各支路的電流瞬時(shí)值之和就不再為零，此故障支路電流即為差動(dòng)電流。采樣值差動(dòng)即是利用該差動(dòng)電流，在每個(gè)周波的所有采樣點(diǎn)均進(jìn)行差動(dòng)判別，為躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電流影響，采用非線性制動(dòng)特性，動(dòng)作特性曲線如圖1所示。

圖1 采樣值比率差動(dòng)動(dòng)作特性曲線

圖1所示的動(dòng)作特性曲線采用了三折線比率差動(dòng)原理，第3條折線斜率固定為1。比率差動(dòng)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)不停機(jī)時(shí)投入，保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為

式中：Id為差動(dòng)電流，A；Icdqd為比率差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流整定值，A；Ie為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行額定電流二次值，A；Ih為制動(dòng)電流，A；K為比率制動(dòng)系數(shù)。

采樣值差動(dòng)[4-9]在每個(gè)采樣點(diǎn)都進(jìn)行上述判據(jù)的判別，隨時(shí)間的變化，每個(gè)采樣點(diǎn)的制動(dòng)效果也不相同，為保證無(wú)故障發(fā)生時(shí)制動(dòng)較差的采樣點(diǎn)差動(dòng)保護(hù)能夠可靠制動(dòng)，且在發(fā)生故障時(shí)能夠正確可靠動(dòng)作，通常采用“R-S多次重復(fù)判別”方法，即在連續(xù)的R個(gè)采樣點(diǎn)均進(jìn)行差動(dòng)判別，若有S次滿足動(dòng)作條件，則認(rèn)定動(dòng)作有效，因此，即便某幾個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)壞點(diǎn)，差動(dòng)保護(hù)仍不會(huì)動(dòng)作。本研究采用24點(diǎn)采樣，即每個(gè)周波進(jìn)行等間隔24點(diǎn)采樣，并以固定的R，S進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)的可靠性判別。變頻運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)基頻頻率的跟蹤，保持24點(diǎn)采樣和R-S的選擇不變，差動(dòng)保護(hù)仍可可靠應(yīng)用。

1.2 頻率跟蹤

本研究提出兩路電流測(cè)頻通道，分別為專用測(cè)頻通道和保護(hù)測(cè)頻通道，以滿足小電流和大電流時(shí)的測(cè)頻精度。專用測(cè)頻通道電流引自電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)電流互感器(CT)的一個(gè)繞組，裝置會(huì)自動(dòng)根據(jù)電流大小切換測(cè)頻通道。裝置在小電流(即保護(hù)電流小于CT二次額定電流In)時(shí)，使用專用通道進(jìn)行測(cè)頻，而當(dāng)保護(hù)電流大于In時(shí)，則使用保護(hù)通道進(jìn)行測(cè)頻。

通過(guò)上述2種算法的配合，對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算，相對(duì)于單一的測(cè)頻算法具有測(cè)頻門檻更低、測(cè)頻精度更高等優(yōu)點(diǎn)。

2 變頻電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)方案

某發(fā)電集團(tuán)運(yùn)用本文所述的研究成果，對(duì)2臺(tái)凝結(jié)水泵機(jī)組進(jìn)行變頻改造，構(gòu)建高壓電動(dòng)機(jī)工頻、變頻一體的保護(hù)方案。

鑒于2臺(tái)高壓凝結(jié)水泵機(jī)組原都各自配置工頻保護(hù)，且2臺(tái)機(jī)組互為備用(任意時(shí)刻僅有1臺(tái)凝結(jié)水泵運(yùn)行)，為節(jié)約改造成本，提高改造效率，在原有保護(hù)基礎(chǔ)上增加電動(dòng)機(jī)工頻及變頻差動(dòng)保護(hù)方案，形成主后備一體的工頻及變頻下的綜合保護(hù)方案。具體方案如圖2所示：增加1臺(tái)高壓變頻器，通過(guò)回路開關(guān)的配合，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)每臺(tái)高壓電機(jī)的工頻及變頻運(yùn)行，并通過(guò)在變頻器出口、#1高壓電動(dòng)機(jī)中性側(cè)和#2高壓電機(jī)中性側(cè)分別安裝1組(3相)寬頻互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)工頻及變頻運(yùn)行下的頻率跟蹤及差動(dòng)電流、制動(dòng)電流的計(jì)算，從而構(gòu)成各自獨(dú)立的綜合保護(hù)方案。

圖2 工程改造方案

保護(hù)裝置通過(guò)變頻器出口處的開關(guān)合位節(jié)點(diǎn)判別機(jī)組當(dāng)前所處的運(yùn)行模式為工頻模式或變頻模式，以#1凝結(jié)水泵高壓電動(dòng)機(jī)為例。

(1)QF3閉合，QF2，QF5斷開，#1高壓電機(jī)工頻運(yùn)行。由QF3側(cè)的電流互感器和CT2的采樣構(gòu)成差動(dòng)，此時(shí)#1機(jī)組的原保護(hù)配置提供后備保護(hù)。

(2)QF3斷開，QF2，QF5閉合，#1高壓電機(jī)變頻運(yùn)行。由CT1和CT2的采樣構(gòu)成差動(dòng)，并取開關(guān)QF5的跳位節(jié)點(diǎn)作為差動(dòng)保護(hù)的閉鎖判據(jù)，即當(dāng)QF5在跳位時(shí)，退出#1機(jī)組的差動(dòng)保護(hù)，此時(shí)高壓變頻器提供后備保護(hù)功能。

(3)QF1閉合，QF2，QF4斷開，#2高壓電機(jī)工頻運(yùn)行。由QF1側(cè)的電流互感器和CT4的采樣構(gòu)成差動(dòng)，此時(shí)#2機(jī)組的原保護(hù)配置提供后備保護(hù)。

(4)QF1斷開，QF2，QF4閉合，#2高壓電機(jī)變頻運(yùn)行。由CT3和CT4的采樣構(gòu)成差動(dòng)，并取開關(guān)QF4的跳位節(jié)點(diǎn)作為差動(dòng)保護(hù)的閉鎖判據(jù)，即當(dāng)QF4在跳位時(shí)，退出#1機(jī)組的差動(dòng)保護(hù)，此時(shí)高壓變頻器提供后備保護(hù)功能。

通過(guò)上述改造，即可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠、完整的高壓變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 采樣精度試驗(yàn)

采用博電ZD661型繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行采樣精度試驗(yàn)(CT二次額定電流為5 A)，測(cè)試記錄見表1。

由表1可見，頻率在10～70 Hz內(nèi)變化時(shí)，在CT有效測(cè)量范圍內(nèi)，頻率測(cè)量相對(duì)誤差幾乎為0(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位有效數(shù)字)，保護(hù)電流測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)0.100%，具有非常高的測(cè)量精度。

3.2 保護(hù)精度試驗(yàn)

根據(jù)圖1的保護(hù)動(dòng)作特性曲線整定比率差動(dòng)保

護(hù)定值如下：Icdqd=0.5Ie，K=0.5，其中Ie=1.00 A。以40 Hz頻率為例，保護(hù)動(dòng)作記錄見表2。

表1 采樣精度測(cè)試記錄

表2 比率差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)記錄

依據(jù)表2繪制差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)分布圖(如圖3所示)，其中折線為動(dòng)作特性曲線，▲點(diǎn)為保護(hù)未動(dòng)作點(diǎn)(0.95倍定值)，●點(diǎn)為保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)(1.05倍定值及2.00倍定值)。

圖3 比率差動(dòng)動(dòng)作點(diǎn)分布

從表2和圖3中可以看出，比率差動(dòng)保護(hù)在0.95倍定值時(shí)可靠不動(dòng)作，在1.05倍定值時(shí)可靠動(dòng)作，比率差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間小于50 ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

傅里葉算法的向量差動(dòng)無(wú)法很好地解決變頻運(yùn)行下的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)，本文研究的基于頻率跟蹤的采樣值差動(dòng)算法能夠精確跟蹤系統(tǒng)頻率，很好地滿足工頻、變頻運(yùn)行下的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)需求。某發(fā)電集團(tuán)采用該算法進(jìn)行凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的變頻改造，利用原有保護(hù)配置，采用集約、經(jīng)濟(jì)的改造方案，解決了高壓電動(dòng)機(jī)在工頻及變頻下的保護(hù)問(wèn)題，在廠用電高壓變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)中具有很好的示范效果和推廣價(jià)值。

[1]張超,張艷艷,黃生睿.大容量變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)的影響[J].繼電器,2007,35(17):9-11.

[2]丁寧,張潔,仲偉.高壓變頻器電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置[J].電子科技,2011,24(8):114-115,118.

[3]董智君.高壓大功率變頻器在火力發(fā)電廠的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].電工技術(shù)雜志,2003(4):6-8,11.

[4]胡玉峰,陳德樹,尹項(xiàng)根.采樣值差動(dòng)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(10):40-44.

[5]袁榮湘,陳德樹,馬天皓,等.采樣值電流差動(dòng)保護(hù)原理的研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2000,20(1):1-3.

[6]楊經(jīng)超,尹項(xiàng)根,陳德樹,等.采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(9):71-77.

[7]陳德樹，馬天皓，劉沛，等. 采樣值電流差動(dòng)微機(jī)保護(hù)的一些問(wèn)題[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,1996(4)：3-8.

[8]尹項(xiàng)根，陳德樹，張 哲，等.故障分量差動(dòng)保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1999，23(11)：13-17.

[9]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2002.

[10]李小玲，袁繼敏.電力信號(hào)頻率跟蹤測(cè)量的兩種軟件實(shí)現(xiàn)方法[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(S1):65-68.

[11]曾院輝,李延新.一種軟件頻率跟蹤方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(21):92-94.

[12]樊大偉，張承學(xué)，鄧恒，等.電力系統(tǒng)中基于微控制器的自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集[J].繼電器，2001,29(10)：26-29.

[13]陳劍，文玉梅，李平.頻率測(cè)量的軟件方法及其在無(wú)線傳感器中的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù)，2002,21(8)：18-20.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-02-09；

2017-03-29

TN 773

B

1674-1951(2017)04-0008-03

張延林(1981—)，男，陜西延安人，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)和勵(lì)磁管理工作(E-mail:zyl_0652@126.com)。