确保高压变频器电路中差动保护的可靠性分析

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摘要：通过差动保护原理、变频电流互感器的应用、微机差动保护装置原理等方面，逐一分析了差动保护在变频系统中应用的可行性。结合具体的工程解决方案实例，提出了在大容量电机加装了高压变频器后如何实现差动保护的正常应用。

关键词：微机差动保护；变频电流互感器；高压变频器

1 差动保护应用于高压变频器的原理分析

现以某企业风机改造为例加以分析

1.1 原有工频差动保护在变频器上应用的弊端

某企业风机在变频改造前就装设了差动保护，配置情况见图1。差动保护两侧的电流互感器（CT）分别放置于6 kV开关柜内（CT1）和电动机中性点（CT3）。

加装了变频后配置情况见图2。

这样就会存在一系列的问题：

1.1.1差动保护两侧的CT在变频器运行时所处的电源频率不一致，电流的相位和幅值都差别很大，即使在正常运行情况下，差流依然很大，差动保护经常误动。

1.1.2工频CT在低频情况下容易引起CT饱和，电流测量值偏差较大。

1.1.3现有工频微机差动保护装置的通用技术条件中额定频率为50 Hz。微机保护装置的数字信号处理是基于傅里叶变换的，傅里叶变换有一个基波频率，只能计算整数次谐波分量，微机保护装置一般设置有低通滤波器，傅里叶变换的基波频率跟踪范围是45～55 Hz，远小于变频器频率变换范围，这样保护装置对采集来的电流量进行计算会产生较大的偏差，所以工频微机型差动保护不适用于变频回路[1]。

1.2 变频差动保护在变频器上应用的原理

针对以上的弊端，下面从原理上一一进行探讨解决。

1.2.1差动保护两侧的CT在变频器运行时所处的电源频率不一致的问题，可以从CT装设的位置上进行改进解决。

1.2.2工频CT在电源频率变化时的特性，技术人员和相关研究单位进行了分析，重点对CT在不同频率情况下的特性做了EMTP（电力系统电磁暂态分析软件）仿真和实验。

从所测试的数据可知，提供的变频电流互感器在运行频率范围内能正确反应变频二次电流，2组对应的差动CT电流传变特性一致，完全满足差动保护的要求[5]。再次，使用现有工频微机差动保护装置实现变频电流差动保护的主要难点是要能适应宽范围变化的频率，而且要能克服电流中的高次谐波的影响。

1.2.3目前常用的微机差动保护包括相量差动和采样值差动。相量差动的原理是利用离散傅里叶算法根据一个周波的采样点计算出流入、流出电流的实部、虚部，进而计算出差动电流和制动电流构成判据。由于变频电机的频率在变化，因此难以获得相应的相量数据，因而常规的相量差动无法适应变频电机的情况。

采样值差动无需计算整个周波的相量值，而是根据每一个采样点的输入输出电流平衡的原理，利用采样值电流之和按照一定的动作判据构成，当在连续R个采样点中，有S个满足动作判据则保护动作，通过设定R、S的值可以实现差动保护的功能。特别是三采样值幅值算法可以认为与频率无关，但应用的前提是信号中没有谐波和直流分量。在变频供电模式下，由于电力电子器件的使用，使得谐波的分量有所增加，造成三采样值的幅值计算误差增大，同时三采样值算法无法获得被检测信号的相位信息，因此三采样值算法也不能满足变频电动机差动保护的要求[2]。

通过HHT变换，可以获得非平稳信号的各个频率分量的幅值和相位信息，选取其中能量最大（幅值最大）的频率成分作为信号的主频率，考虑变频电动机的实际运行情况，可以认为主频率成分占据信号的主要成分，其他频率分量可以视为谐波分量。

取电动机首端和尾端三相电流的HHT变换的主成分频率分量进行相量差动计算，形成基于HHT变换的差动保护原理。

变频电机差动保护方法，该差动保护方法根据变频输出端电流互感器CT2采集的三相电流和电动机中性点电流互感器CT3的三相电流进行差动电流和制动电流的计算，进而形成分相的电流差动保护，判定为电动机故障时，差动保护装置发出跳闸命令给断路器，切断供电。由于是分相的电流差动，下面介绍其中一相的差动保护实现方法。

利用HHT变换将变频输出端的电流通过经验模态分解分解成数个固有模态函数，然后利用希尔伯特变换构造解析信号，得出变频输出端电流的瞬时频率和幅值。

对于电流信号 ，可以构造它的解析信号如下：

再计算相位的变化率进而得到该信号的频率信息 [4]。

考虑变频电动机的实际运行情况，可以认为主频率成分占据信号的主要成分，其他频率分量可以视为谐波分量。选取其中能量最大（以幅值最大为能量大小判定依据）的频率作为信号的主频率。

本步骤可以获取变频输出端CT2处电流的主频率成分的相量，记为Im。

重复上述步骤，根据主频率提取变频电机中性点获取中性点CT3电流的主频率分量的幅值和相位，记为In。

基于HHT算法变换原理的变频差动保护完全可以正确反应各种不同频率下的电机故障[3]。

2 差动保护在高压变频器上的应用方案

这次在4200 kW风机电机上进行了增加6 kV高压变频器的节能改造，差动保护的配置情况如图3所示。

2.1 变频保护装置的配置方案

2.1.1原常规综合保护装置仍保留，主要作为电流保护，保护范围为CT1处到变频器干式变。

2.1.2加装了变频器后，原有的电动机差动保护取消，因原构成差动保护的2组电流互感器分处于常规50 Hz和经变频器变频调节后的宽频率电源两个系统，无法实现差动保护。所以需要在变频器的后端增加新的变频电动机差动保护。新的电动机差动保护也可适用于工频50 Hz情况。并且还提供了完善的变频后备保护，如变频运行速断过流、过流、负序过流、热过负荷等保护，用于对变频运行的电动机各种故障的检测。

2.1.3原开关柜的工频CT1仍保留，用于原常规保护的保护电流互感器；

2.1.4变频器的下端即机端位置，需要增加新的变频CT2，用于变频差动保护，考虑在变频运行时与中性点侧的变频CT3一起构成变频差动保护；另外，此机端变频CT2还用于变频后备保护，对变频情况下的电动机提供完善的后备保护。

2.2 保护装置的安装位置

2.2.1变频电机差动保护装置放置在变频器控制柜柜门上；

2.2.2机端新增的CT2装设在变频器的旁路柜中，连接在变频器的输出侧；

2.2.3原中性点侧工频电流互感器用新的变频CT3替换，用于变频差动，此时需要拆除原有的工频电流互感器。

3 结束语

该风机在变频差动保护装设后，设备一直运行正常。在各种运行频率情况下，差动保护无异常信号。可以说，这次变频差动的应用是成功的，一举改变了变频系统被迫退出差动保护的历史，极大得完善了变频系统中大容量电机的保护功能。

参考文献：

[1]李健；朱彪；梅兴虎；贾胜超；；应用高压变频器后电动机继电保护新问题[J]；江苏电器；2008年10期

[2]袁伯诚.变频电机电流互感器的设计[R].四方电气集团有限公司.

[3]袁荣湘，陈德树，马天皓，张哲，尹项根；采样值电流差动保护原理的研究[J]；电力自动化设备；2000年01期

[4]李云天，高 磊，赵 妍.基于HHT的电力系统低频振荡分析[J].中国电机工程学报，2006，26（14）：24-30.

[5]李 卫. CSC-236的RTDS及动态模拟测试[R]. 四方电气集团有限公司.

作者简介：

程艳霞（1965-），女，电气工程师，学历，本科，专业，电气安全管理。