高压电动机变频差动保护改造实践

高压电机变频差动保护改造的实践大唐珲春发电厂王济娟摘要：本文通过对大唐珲春发电厂增压风机电机变频差动保护改造的实践与应用介绍，对原本配有电流差动保护的高压电动机经过变频改造后一直以速断保护为主保护，不符合继电保护和安全自动装置技术规程的规定，其灵敏度不够的问题，给以了解决，保证机组设备的安全经济稳定运行。关键词：高压电动机变频差动保护电流互感器前言：

为了降低厂用电率，提高节能水平，一些火力发电厂采用了高压变频技术，对一些高压电动机的调节方式从机械节流改为变频调速。这种技术的实施，实现了高压电机的软启动，减少了磨损，降低厂用电率，达到了节能降耗的目的。但是，由于变频器的输入和输出电流在相位上没有必然的联系，这对电动机差动保护产生了重大影响，因此，研究电厂应用高压变频器对继电保护的影响，尤其是主保护的影响和解决措施，具有重要的现实意义和广阔前景。高压电机未改造前概述大唐珲春发电厂高压增压风机选用的是沈阳电机股份有限公司生产的YKK1000-14型电动机，其额定容量是2200千瓦，额定电压6000伏，额定电流300安，额定频率50赫兹，额定转速426转/分，功率因数0.742。在未进行变频改造前采用珠海万利达厂家生产的MMPR-320Hb-3x型保护装置，实现差动速断和比率差动保护，采用珠海万利达厂家生产的MMPR-310Hb-3X型保护装置实现了负序、堵转、过热、欠压、零序保护。分别在开关柜侧和中性点侧安装了LZZBJ9-10和LZZBJ9-10C2型号电流互感器实现保护功能，电流互感器变比为500/5，额定输出15伏安。改造前接线图:

高压电机的变频改造为了降低厂用电率，提高节能水平，实现高压电机的软启动，减少磨损，某厂对增压风机加装了高压变频装置，实现了变速调节。其采用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06/130型高压变频调速系统。该高压变频器以高可靠性、易操作、高性能为设计目标。其为“高-高”电压源型变频器，高压直接输入，高压直接输出，无需输出变压器。该系列高压变频器输入隔离变压器采用了移相变压器，使得输入波形接近正弦波，对电网谐波污染小；输出侧通过采用成熟的多重化正弦脉冲PWM调制技术，输出为多电平，使得变频器的输出电压波形非常接近正弦波，无需输出滤波器，可直接接高压电机。运行该高压变频器的主要组件包括：旁路柜、变压器柜、功率柜、控制柜。其具有如下特点：1、输入波形接近正弦波，对电网谐波污染小,无需考虑谐波抑制。2、输入功率因数高，在20～100%的负载范围内，功率因数≥0.96，无需功率因数补偿装置。3、提供正弦波输出波形，不需输出滤波器,对电机应无特殊要求。4、控制系统实现全数字控制，且控制系统和主电路通过光纤通讯进行联接，实现强弱电压完全隔离。5、变频器具备完善的故障自诊断，报警、参数显示和历史记录等功能，维修方便。增压风机变频改造后采用原保护配置存在的问题：原差动保护的一组CT装在开关出线侧，一组CT装在电机就地中性点侧，而变频器则是装在电源开关与电机之间的，在变频工作状态下，开关侧CT感受到的是50Hz的电流，而电机侧CT感受的则是变频后的电流，其频率、大小均不同，此时如果投入原差动保护，其保护范围不仅会缩小至变频器前的交流部分，而且原差动保护装置的差动原理只是基于频率为50HZ的交流电流基础上，由于电机侧的CT感受的不是恒50HZ的电流，就会造成差动保护误动作跳开电源开关，所以此时一些电厂采用的方法是将差动保护的压板退出，用速断保护作为电机变频运行时的主保护，这不符合继电保护和安全自动装置技术规程的规定，而且其灵敏度也不够。增压风机变频改造后现场实际的保护配置:为了解决高压电机变频改造后无差动主保护的缺陷，大唐珲春发电厂采用了北京四方生产的CSC-236D数字式变频电动机保护装置该保护装置为了保证内部故障时差动保护灵敏动作，同时防止外部故障时及电动机起动时暂态不平衡电流引起的误动，采用了三段式比率差动原理。该保护装置采用了能适用变频启动和工频启动两种不同启动方式，在电动机变频启动时，对应的有变频相量差动和采样值差动，当变频器异常，电动机工频启动时，提供差动速断和考虑电动机长启动的比率差动保护。该保护装置采用了与频率无关的算法，可在5HZ-65HZ宽频带及低频率范围内起到保护电动机各种故障的作用。该保护装置为了避免频率变化对傅氏算法的影响，采用了HHT（希尔伯特）变换的相量计算方法，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，取电动机首端三相电流的HHT变换的主成分频率分量进行相量计算。考虑到电动机在故障前可能轻负荷运行，三相电流幅值较小，达不到进行HHT变换的门槛电流，CSC-236D保护装置增设了采样值差动保护，即选取首端电流的一段数据窗W1，计算该数据窗的电流差分，形成新的数据窗W2，建立一个相关程度的隶属度函数来比较W1和W2的数据相关程度，当电机运行频率较大时，单位时间波形变化率较大，反之波形变化率小，根据情况，调整数据窗的宽度，计算该数据窗内采样值差动进入动作区的点数占总点数的百分比，当达到门槛值时采样差动保护动作。当电机切换到工频启动时，为了保证工频运行时差动保护有足够的灵敏度，又能可靠地躲过自启动过程中自启动电流导致的不平衡电流，工频运行差动保护设置有差动速断元件、比率差动元件、二次谐波闭锁、CT断线及差流越限检测和电动机启动过程判别功能。

现场增压风机改造后保护的接线图现场对CSC-236D保护装置进行不同频率的1A和5A模拟量采样，采样值如下：频率IAIBICINAINBINC50Hz1.008∠01.008∠-1201.008∠1201.008∠-1801.008∠601.008∠-6045Hz1.008∠01.008∠-1201.000∠1200.996∠-1801.000∠601.008∠-6040Hz1.008∠01.008∠-120.51.008∠120.51.000∠-1801.008∠601.008∠-6035Hz1.008∠01.008∠-119.51.008∠1211.008∠-1800.996∠601.000∠-60.2530Hz1.008∠01.008∠-1201.000∠120.51.008∠1801.008∠60.51.000∠-6025Hz1.008∠01.008∠-118.51.000∠120.51.000∠-1801.008∠60.51.008∠-60.2520Hz1.008∠01.008∠-1201.008∠1211.000∠-1801.008∠601.008∠-6015Hz1.000∠01.000∠-1201.008∠1221.008∠-1801.008∠61.251.016∠-59.510Hz1.008∠01.008∠-1201.000∠1211.000∠1801.016∠590.988∠-60.55Hz0.988∠00.988∠-1200.992∠121.50.996∠-1800.996∠59.250.984∠-60.25频率IAIBICINAINBINC50Hz5.031∠05.031∠-1205.000∠1205.031∠-1805.031∠605.00∠-6045Hz5.000∠05.000∠-1205.031∠120.55.063∠-1804.969∠60.755.063∠-59.9640Hz5.063∠05.031∠-1205.000∠1205.031∠-1805.031∠60.255.031∠-60.2535Hz5.031∠05.063∠-1205.031∠1215.031∠-1805.031∠59.755.000∠-59.530Hz5.000∠05.063∠-1205.000∠1205.031∠-1805.031∠60.255.031∠-59.7525Hz5.031∠05.031∠-1205.031∠1205.031∠-1805.063∠60.755.063∠-61.2520Hz5.031∠05.031∠-1205.031∠1205.000∠-1805.031∠60.255.031∠-60.2515Hz5.031∠05.031∠-1205.000∠1205.000∠-1804.969∠614.969∠-6110Hz5.094∠05.031∠-118.55.031∠119.55.000∠1805.000∠60.255.000∠-59.755Hz4.938∠05.031∠-1204.969∠120.55.063∠1805.000∠60.255.000∠-61.25现场以差动保护定值为Icd=0.25A，Ir1=0.5A，斜率分别为K1=0.2，K2=0.5，K3=0.7对装置进行了差动保护不同频率下的试验，其结果如下：频率差动动作曲线首端Im（A）尾端In（A）MMI显示f=50HZId=0.25Ir=0投工频运行开入A相0.127∠0°B相0.127∠-120°C相0.127∠120°A相0.125∠180°B相0.125∠60°C相0.125∠-60°Id=0.25Ir=0相量差动出口Id=0.3Ir=0.25投工频运行开入A相0.4∠0°B相0.4∠-120°C相0.4∠120°A相0.1∠180°B相0.1∠60°C相0.1∠-60°Id=0.3Ir=0.25相量差动出口Id=0.85Ir=1.5投工频运行开入A相1.915∠0°B相1.915∠-120°C相1.915∠120°A相1.075∠180°B相1.075∠60°C相1.075∠-60°Id=0.85Ir=1.5相量差动出口Id=1.1Ir=2投工频运行开入A相2.538∠0°B相2.538∠-120°C相2.538∠120°A相1.45∠180°B相1.45∠60°C相1.45∠-60°Id=1.1Ir=2相量差动出口频率差动动作曲线首端Im（A）尾端In（A）MMI显示f=45HZf=35HZf=25HZf=15HZId=0.25Ir=0A相0.127∠0°B相0.127∠-120°C相0.127∠120°A相0.125∠180°B相0.125∠60°C相0.125∠-60°Id=0.25Ir=0f=44.75/35/25/15HZ相量差动出口Id=0.3Ir=0.25A相0.393∠0°B相0.393∠-120°C相0.393∠120°A相0.1∠180°B相0.1∠60°C相0.1∠-60°Id=0.296Ir=0.24f=45/35/25/15HZ相量差动出口Id=0.85Ir=1.5A相1.913∠0°B相1.913∠-120°C相1.913∠120°A相1.075∠180°B相1.075∠60°C相1.075∠-60°Id=0.8516Ir=1.508f=44.75/35/25/15HZ采样差动出口Id=1.1Ir=2A相2.538∠0°B相2.538∠-120°C相2.538∠120°A相1.45∠180°B相1.45∠60°C相1.45∠-60°Id=1.1Ir=2f=44.75/35/25/15HZ采样差动出口可见，该保护装置在不同频率下，差动保护均能做为电机的主保护，保护电机安全稳定运行。增压风机变频改造后现场实际的电流互感器配置从改造后的增压风机主接线图中可以看出，在电源开关侧保留了未改造前的电流互感器，配置了速断保护等后备保护作为电源开关至变频器各类故障的保护。为了满足在变频运行时，电动机仍有完备的主后备保护，在变频器输出侧和电机侧各配置了针对CSC-236D保护装置专门研发设计的适用于变频电动机宽频率范围都有良好线性度的5P20级的LRDDBB-6/60型电流互感器，其变比为600/1，额定输出为15VA。此互感器在低频5HZ不饱和，在低频1HZ下达到10倍额定电流才开始饱和，满足10%误差曲线，在5HZ频率的额定电流情况下的误差不超过5%，完全满足变频电动机保护的需要。现场试验人员用OMICRONAnalyzer型进口CT测试仪分别对电机中性点侧和变频器输出侧安装的CT进行检测，因进口CT测试仪在检测的过程中就应用了不同频率检测原理，其检测数据见下表:一次电流二次电流变比直阻二次负担600A1A600/11.303欧姆77.74毫欧电流互感器10%误差数据:电流倍数1468101220253035404550电阻(欧姆)751.9197.8132.699.679.666.439.631.526.122.219.31715.2依据6KV短路电流为10.6364KA计算,其电流倍数M=10.6364KA/600=17.727,在此倍数下,其能负担的值远远大于实际的二次负载值,根据以上数据,可以看出电流互感器10%特性完全满