董志 董理

摘 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能的要求，對電能差動保護(hù)的影響研究越來越急迫。大容量電動機(jī)高壓變頻器在電廠的應(yīng)用越來越普及，但現(xiàn)有注水電機(jī)變頻改造裝置未充分考慮電能計(jì)量裝置的改造。不能適用于寬范圍調(diào)速的高壓變頻電動機(jī)，在注水電機(jī)變頻運(yùn)行的情況下已不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量。該文基于此，研究高壓變頻對電能差動保護(hù)的影響，提高電流互感器的測量精度。

關(guān)鍵詞：高壓 變頻 電能 差動 保護(hù)

中圖分類號：TM722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（c）-0039-02

目前進(jìn)行變頻改造的高壓電機(jī)一般都取消了差動保護(hù)，采用寬頻率電流互感器。在注水電機(jī)回路采用變比更大的電流互感器，這種變頻裝置的應(yīng)用對于高壓電動機(jī)的保護(hù)卻產(chǎn)生了很大影響。且由于高壓變頻技術(shù)適應(yīng)性較強(qiáng)，對大容量高壓電機(jī)主保護(hù)的縱聯(lián)差動保護(hù)影響最大。在變頻運(yùn)行情況下使電流互感器處于變頻裝置輸出側(cè)，不只靠靈敏度較差的電流速斷作為主保護(hù)。

1 高壓變頻對電能差動保護(hù)的影響概述

常規(guī)差動保護(hù)裝置是為工頻運(yùn)行的電機(jī)而設(shè)計(jì)的，但是高壓變頻電流互感器已經(jīng)工作在非工頻狀態(tài)。原有工頻差動保護(hù)在變頻器上應(yīng)用的弊端就顯露出來，所以電流互感器在變頻器回路供電的情況下需要討論注水電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)保護(hù)電流及測量電流的變化情況。為了降低用電率并提高節(jié)能水平，目前變電所各回路采用的電流互感器都是設(shè)計(jì)在額定頻率50 Hz下運(yùn)行的。從而實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的軟啟動，降低系統(tǒng)能耗。

（1）由于已建變電所設(shè)計(jì)之初均不考慮運(yùn)用高壓變頻裝置，對電動機(jī)差動保護(hù)產(chǎn)生了重大影響。其誤差已經(jīng)不再處于工頻誤差之下，因此，研究高壓變頻器對繼電保護(hù)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。使其運(yùn)行平穩(wěn)且操控簡單，降低用電率并達(dá)到節(jié)能降耗的目的。避免由此給注水電機(jī)電能計(jì)量及保護(hù)帶來較大誤差，這對于高壓電機(jī)保護(hù)來說是至關(guān)重要的。通過改變頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)改變電壓，對一些高壓電動機(jī)的調(diào)節(jié)方式從機(jī)械節(jié)流改為變頻調(diào)速。

（2）在系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻裝置綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，尤其是主保護(hù)的影響和解決措施。近幾年應(yīng)用高壓變頻裝置陸續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行改造，所以通常采用高壓變頻技術(shù)。從目前應(yīng)用的高壓變頻裝置特點(diǎn)來看，主要難點(diǎn)是要能適應(yīng)寬范圍變化的頻率?，F(xiàn)有變頻裝置都是采用固定的壓頻比來輸出電壓和頻率，使用現(xiàn)有工頻微機(jī)差動保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)變頻電流差動保護(hù)的。這是由電機(jī)的工作特性確定的，而且這一措施減少了磨損。在實(shí)際應(yīng)用中保證拖動負(fù)載的能力，進(jìn)而計(jì)算出差動電流和制動電流構(gòu)成判據(jù)。

（3）變頻裝置輸出頻率基本都處于50 Hz以下，提供的變頻電流互感器在運(yùn)行頻率范圍內(nèi)能正確反應(yīng)變頻二次電流。從這個(gè)方面來說，完全滿足差動保護(hù)的要求。注水電機(jī)上側(cè)電流互感器就運(yùn)行在額定頻率之下，利用離散傅里葉算法并根據(jù)一個(gè)周波的采樣點(diǎn)計(jì)算出流入與流出電流的實(shí)部、虛部。其誤差必然隨頻率的降低而加大，因此難以獲得相應(yīng)的相量數(shù)據(jù)。以工作頻率40 Hz為例，采樣值差動無需計(jì)算整個(gè)周波的相量值。從頻率變化對互感器的影響來看，由于變頻電機(jī)的頻率在變化，因而常規(guī)的相量差動無法適應(yīng)變頻電機(jī)的情況。

2 高壓變頻對電能差動保護(hù)的原理

高壓變頻對電能差動可以解決變頻器運(yùn)行時(shí)所處的電源頻率不一致的問題，而且不用考慮電流互感器在變頻狀態(tài)下產(chǎn)生的相位差。在變頻器的輸出端增加一套和電動機(jī)中性點(diǎn)CT（CT3）相匹配的CT（CT2），減小造成差動保護(hù)的誤動。這樣差動保護(hù)兩側(cè)的CT就可以工作在同一個(gè)電源頻率下，減少電流互感器的誤差嚴(yán)重影響差動保護(hù)動作的準(zhǔn)確率的現(xiàn)象發(fā)生。使電流的相位和幅值都具有可比性，保證現(xiàn)有差動保護(hù)定值的整定計(jì)算是以電流互感器工頻運(yùn)行下的二次電流為計(jì)算數(shù)據(jù)。因此技術(shù)人員和相關(guān)研究單位重點(diǎn)對CT在不同頻率情況下的特性做了EMTP（電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析軟件）仿真和實(shí)驗(yàn)，保證在變頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)差動保護(hù)的定值滿足差動保護(hù)的要求。圖1為高壓變頻對電能差動保護(hù)的原理圖。

3 高壓變頻對電能差動保護(hù)展望

由于變頻電機(jī)的頻率在變化，為解決高壓電機(jī)變頻改造后無差動主保護(hù)的缺陷，因此提供的變頻電流互感器在運(yùn)行頻率范圍內(nèi)需要能正確反應(yīng)變頻的二次電流。在增壓風(fēng)機(jī)變頻器小間安裝數(shù)字式變頻電動機(jī)保護(hù)裝置，改善常規(guī)的相量差動無法適應(yīng)變頻電機(jī)的情況。實(shí)現(xiàn)電機(jī)工頻和變頻運(yùn)行下的差動主保護(hù)功能，獲得相應(yīng)的相量數(shù)據(jù)。

（1）為了保證電動機(jī)內(nèi)部故障時(shí)差動保護(hù)靈敏動作，互感器勵(lì)磁電流增加20%?？紤]變頻電動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，電流互感器誤差的加大必然對注水電機(jī)差動保護(hù)及電能計(jì)量產(chǎn)生不利的影響。選取其中能量最大的頻率成分作為信號的主頻率分量進(jìn)行相量計(jì)算，裝置采集電流為電流互感器低頻運(yùn)行下的電流。采用三段式比率差動原理以及能適用變頻啟動和工頻啟動兩種不同的啟動方式，減少采集電流在數(shù)值和相位上均與工頻狀態(tài)下的采集電流存在較大誤差現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）該保護(hù)裝置采用了與頻率無關(guān)的HHT（希爾伯特一黃變換）的相量計(jì)算方法，這種互感器精度高、線性好、頻帶較寬。同時(shí)防止外部故障時(shí)及電動機(jī)起動時(shí)暫態(tài)不平衡電流引起的誤動，而且響應(yīng)速度快。當(dāng)電動機(jī)變頻啟動時(shí)，采用寬頻率電流互感器可提高電流互感器測量的精度。對應(yīng)的有變頻相量差動和采樣值差動、霍爾電流互感器等一些特殊互感器。當(dāng)變頻器異常，此時(shí)采集的電流折算到工頻狀態(tài)下要比電流互感器工頻運(yùn)行下采集的電流小。需要提供差動速斷和考慮電動機(jī)長啟動的比率差動保護(hù)，所以變頻運(yùn)行下的電能計(jì)量裝置已不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量。

（3）以固有模態(tài)信號為基本時(shí)域信號的新時(shí)頻分析方法體系，采用變比更大的電流互感器也可提高電流互感器的測量精度。這一方法體系從根本上擺脫了傅里葉變換理論的束縛，完全滿足差動保護(hù)的要求。選取其中能量最大（幅值最大）的頻率成分作為信號的主頻率，使2組對應(yīng)的差動CT電流傳變特性一致。考慮變頻電動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，使用現(xiàn)有工頻微機(jī)差動保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)變頻電流差動保護(hù)。通過HHT變換獲得非平穩(wěn)信號的各個(gè)頻率分量的幅值和相位信息，適應(yīng)寬范圍變化的頻率。取電動機(jī)首端和尾端三相電流的HHT變換的主成分頻率分量進(jìn)行相量差動計(jì)算，克服電流中的高次諧波的影響。

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