差动保护在高压变频器中的应用

1. 差动保护在高压变频器中的应用 江西大唐国际抚州发电有限公司 殷志勇

2. 0 引言 • 随着电子技术的发展和节能的要求，大容量电动机高压变频器在电厂的应用越来越普及。但变频装置的应用对于高压电动机的保护却产生了很大影响，尤其对大容量高压电机主保护的纵联差动保护影响最大，因为常规差动保护装置是为工频运行的电机而设计的，不能适用于宽范围调速的高压变频电动机，所以目前进行变频改造的高压电机一般都取消了差动保护，而只靠灵敏度较差的电流速断作为主保护，这对于高压电机保护来说是不够的，也不符合国家继电保护规程的规定。

3. 1 差动保护应用于高压变频器的原理分析 • 1.1 原有工频差动保护在变频器上应用的弊端 • 新昌电厂引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)。 图1 工频状态保护配置图

4. 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。 图2 变频状态保护配置图

5. 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。1.1.2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]。

6. 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，设想的改进示意图见图3。 图3 变频状态保护改造后配置图

7. 在变频器的输出端增加一套和电动机中性点CT（CT3）相匹配的CT(CT2)，差动保护的电流分别取至CT2和CT3，这样差动保护两侧的CT就可以工作在同一个电源频率下，电流的相位和幅值都具有了可比性。在变频器的输出端增加一套和电动机中性点CT（CT3）相匹配的CT(CT2)，差动保护的电流分别取至CT2和CT3，这样差动保护两侧的CT就可以工作在同一个电源频率下，电流的相位和幅值都具有了可比性。 • 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。 • 施加同样的电流幅值，在不同的频率下，CT测量到的电流和实际电流的波形比较见图4～图8。

8. 图4 50HZ下测量电流和真实电流波形比较

9. 图5 25HZ下测量电流和真实电流波形比较

10. 图6 10HZ下测量电流和真实电流波形比较

11. 图7 5HZ下测量电流和真实电流波形比较

12. 图8 2HZ下测量电流和真实电流波形比较

13. 从以上仿真分析可以看到，在施加相同的电流情况下，随着频率的降低，CT会逐渐饱和，且饱和程度加深，二次电流的误差越来越明显。从以上仿真分析可以看到，在施加相同的电流情况下，随着频率的降低，CT会逐渐饱和，且饱和程度加深，二次电流的误差越来越明显。 • 针对这样的情况，技术人员要求电流互感器厂家按变频电源的情况，提供了可以适用于变频电源的变频电流互感器，进行的测试表明，该CT在低频5 Hz不饱和，在低频1 Hz下达到10倍额定电流才开始饱和，满足10%误差曲线，在5 Hz频率的额定电流情况下的误差不超过5%，完全满足变频差动保护的需要，测试结果见图9～图13。

14. 图9 低频5 Hz下测试结果 图10 工频50 Hz下测试结果

15. 图11 5HZ下CT二次电流录波图 图12 30HZ下CT二次电流录波图

16. 图13 50HZ下CT二次电流录波图 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。

17. 目前常用的微机差动保护包括相量差动。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。目前常用的微机差动保护包括相量差动。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。 • 美籍华人Huang N E等人在对瞬时频率的概念进行了深入研究后，创立了希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transformers，HHT）的新方法，创造性地提出了固有模态信号的新概念以及将任意信号分解为固有模态信号组成的方法——经验模态分解法，从而赋予了瞬时频率合理的定义、物理意义和求法，初步建立了以瞬时频率为表征信号变化的基本量，以固有模态信号为基本时域信号的新时频分析方法体系，这一方法体系从根本上摆脱了傅里叶变换理论的束缚.

18. 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。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。

19. 通过模拟变频器模型控制系统于10~70 Hz固定频率稳定运行或频率变化过程运行，并在不同频率运行情况下模拟差动CT两侧（区内、区外）金属性故障、转换性故障和经过渡电阻故障等异常情况以考核变频差动保护装置的动作行为，部分测试结果见图14~图16。

20. 50 HZ情况下，区内金属性故障：装置正确动作，保护动作时间16~24 ms。

21. 10Hz情况下，区内金属性故障：装置正确动作，保护动作时间36~91 ms

22. 5 HZ情况下，区内金属性故障：装置正确动作。

23. 由此可见，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.由此可见，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.

24. 差动保护在高压变频器上的应用方案 • 新昌电厂这次在4200 kW引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17所示。

26. 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。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。

27. 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；2.1.3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。

28. 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

29. 新昌电厂引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。新昌电厂引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。

30. 谢谢！