高壓變頻對電能差動(dòng)保護(hù)的影響研究

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(dòng)保護(hù)的影響研究越來越急迫。大容量電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng) 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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)保護(hù)的影響概述

常規(guī)差動(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)機(jī)差動(dòng)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(dòng)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(dòng)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)變頻電流差動(dòng)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(dòng)負(fù)載的能力，進(jìn)而計(jì)算出差動(dòng)電流和制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)無法適應(yīng)變頻電機(jī)的情況。

2 高壓變頻對電能差動(dòng)保護(hù)的原理

高壓變頻對電能差動(dòng)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(dòng)機(jī)中性點(diǎn)CT（CT3）相匹配的CT（CT2），減小造成差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)。這樣差動(dòng)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(dòng)保護(hù)動(dòng)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(dòng)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(dòng)保護(hù)的定值滿足差動(dòng)保護(hù)的要求。圖1為高壓變頻對電能差動(dòng)保護(hù)的原理圖。

3 高壓變頻對電能差動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，改善常規(guī)的相量差動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏動(dòng)作，互感器勵(lì)磁電流增加20%。考慮變頻電動(dòng)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(dòng)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(dòng)原理以及能適用變頻啟動(dòng)和工頻啟動(dòng)兩種不同的啟動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)暫態(tài)不平衡電流引起的誤動(dòng)，而且響應(yīng)速度快。當(dāng)電動(dòng)機(jī)變頻啟動(dòng)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(dòng)和采樣值差動(dòng)、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(dòng)速斷和考慮電動(dòng)機(jī)長啟動(dòng)的比率差動(dòng)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(dòng)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(dòng)CT電流傳變特性一致?？紤]變頻電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，使用現(xiàn)有工頻微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)變頻電流差動(dòng)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(dòng)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(dòng)計(jì)算，克服電流中的高次諧波的影響。

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