趙覺(jué)，陳正輝

（浙江浙能樂(lè)清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂(lè)清 325600）

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，在電廠(chǎng)廠(chǎng)用電等方面發(fā)揮著巨大的節(jié)能作用，但變頻裝置的應(yīng)用給高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)帶來(lái)了重大影響。變頻器的投入使用，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)原本的電流、電壓發(fā)生改變，而電動(dòng)機(jī)中原本設(shè)置的差動(dòng)保護(hù)由于不適應(yīng)經(jīng)過(guò)變頻器改變后的電動(dòng)機(jī)低頻電源，因此，就容易產(chǎn)生繼電保護(hù)問(wèn)題。

1 高壓變頻器差動(dòng)保護(hù)的基本原理

高壓電動(dòng)機(jī)使用變頻器后導(dǎo)致前后電源不同，無(wú)法通過(guò)單一差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)。目前電廠(chǎng)的變頻電動(dòng)機(jī)多采用雙保護(hù)配置方案。

1.1 電動(dòng)機(jī)工頻、變頻分設(shè)差動(dòng)保護(hù)

圖1 為工頻、變頻方設(shè)置差動(dòng)保護(hù)配置方式，除了要在變頻器和電動(dòng)機(jī)連接外設(shè)置一個(gè)差動(dòng)保護(hù)87b，更要在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)設(shè)置獨(dú)立的差動(dòng)保護(hù)87a。當(dāng)電動(dòng)機(jī)做變頻運(yùn)行時(shí)，可將87a作為主體保護(hù)，變頻器和電動(dòng)機(jī)連接電纜的保護(hù)可由變頻器自帶速斷保護(hù)承擔(dān)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)做工頻運(yùn)行時(shí)，可將87b作為主體保護(hù)。

圖1 工頻、變頻方設(shè)置差動(dòng)保護(hù)示意圖

1.2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)

如圖2所示的磁平衡差動(dòng)保護(hù)方案和以上提到的第一個(gè)保護(hù)方案類(lèi)似，均需對(duì)電動(dòng)機(jī)工頻、變頻分設(shè)差動(dòng)保護(hù)，在此基礎(chǔ)上，將電動(dòng)機(jī)原有的保護(hù)原理縱差變?yōu)榇牌胶夥绞剑秒娏骼^電器對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)示意圖

2 高壓變頻器差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用

上章提及的兩種從電動(dòng)機(jī)整體回路設(shè)計(jì)上設(shè)置保護(hù)的保護(hù)方案，雖能起到很好的保護(hù)效果，但需至少兩臺(tái)裝置來(lái)完成變頻電機(jī)各工況下的保護(hù)功能，安裝接線(xiàn)復(fù)雜，調(diào)試維護(hù)也不方便。本文提出了一種改進(jìn)的變數(shù)據(jù)窗算法，能夠很好地滿(mǎn)足變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)的需求。

2.1 算法推導(dǎo)

一個(gè)頻率為48.78Hz的正弦波形如圖3所示，采用固定采樣頻率采樣。

圖3 f=48.78Hz 的正弦波（fs=1200Hz）

圖中的示例是：采樣頻率fs=1200Hz，實(shí)際波形的頻率f=48.78Hz，每周波采樣點(diǎn)數(shù)Nf=fs/f=1200/48.78 = 24.6，向上取整N=ceil(Nf)=25。對(duì)于某一時(shí)刻，一個(gè)完整的周期結(jié)束于采樣點(diǎn)(n-1)與(n)之間，如圖4所示。

圖4 最后一個(gè)采樣點(diǎn)邊界處理

對(duì)于連續(xù)周期函數(shù)x(t)，其頻率f傅氏級(jí)數(shù)系數(shù)表達(dá)式是：

（1）

將其離散化，按梯形法積分，每周波采樣點(diǎn)數(shù)不是整數(shù)時(shí)，采樣周期結(jié)束于采樣點(diǎn)(n-1)與(n)中間，如果不考慮邊界處的處理，計(jì)算誤差將會(huì)很大，所以邊界處理是提高變數(shù)據(jù)窗算法精度的關(guān)鍵。

式中，xa(n)與xb(n)是圖中兩側(cè)邊界處的處理值。公式是對(duì)基波幅值的計(jì)算，將系數(shù)稍作修改即可計(jì)算出各次諧波的幅值，用于CT飽和與涌流判別。

采用該算法計(jì)算不同頻率的模擬量只需要改變傅里葉算法的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)，不需要改變裝置的采樣率。因此，可以在同一個(gè)裝置里實(shí)現(xiàn)不同頻率的模擬量的同時(shí)采集，為裝置提供變頻器及電動(dòng)機(jī)組所有的保護(hù)提供算法的支持。

2.2 實(shí)例分析

浙江某電廠(chǎng)運(yùn)用本文所述的研究成果，對(duì)凝泵變頻保護(hù)進(jìn)行改造，采用南京南瑞繼保電氣有限公司的PCS-9627D電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，構(gòu)建高壓電動(dòng)機(jī)工頻、變頻一體的保護(hù)方案。

本方案在高壓柜開(kāi)關(guān)出線(xiàn)端安裝一組寬頻互感器CT1，在變頻器出線(xiàn)端和電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)各裝一組CT2、CT3（圖5）。在電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，CT2與CT3構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)變頻器退出，電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，CT1與CT3構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)范圍擴(kuò)大。

圖5 PCS-9627變頻保護(hù)配置圖

為驗(yàn)證裝置在變頻工況下的采樣精度，通過(guò)廣州昂立的AD661型繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)裝置模擬各頻率工況下的基波及諧波的采樣精度測(cè)試。當(dāng)通入頻率f=20Hz的電流，每周波采樣點(diǎn)數(shù)Nf=fs/f=1200/20=60，不需要邊界處理，誤差僅為0.2%；通入頻率f=22Hz的電流，每周波采樣點(diǎn)數(shù) Nf=fs/f=1200/22=54.55，一個(gè)完整的周期結(jié)束于采樣點(diǎn)54點(diǎn)與55點(diǎn)之間，此時(shí)，因邊界處處理計(jì)算誤差較大，為0.5%。各種頻率下的變頻工況電流采樣精度分析結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)采樣誤差均不大于0.5%，因此，適應(yīng)微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置對(duì)技術(shù)條件的要求。

表1 精度采樣數(shù)據(jù)分析（部分）

為驗(yàn)證差動(dòng)保護(hù)CT飽和及涌流閉鎖判據(jù)，模擬裝置通入基波頻率為22Hz、疊加18%的2次諧波，20%的3次諧波，22%的5次諧波的電流，諧波精度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6，圖中上半部分為裝置A相電流原始采樣波形，圖中下半部分為裝置通過(guò)變數(shù)據(jù)窗算法計(jì)算出的2、3、5次諧波與基波含量百分比。

圖6 諧波精度測(cè)試

由圖可見(jiàn)，裝置的諧波含量誤差不超過(guò)±1%，滿(mǎn)足微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置通用技術(shù)條件的要求。當(dāng)外部故障 CT 飽和時(shí)，差流中諧波含量很高，裝置能夠閉鎖比率差動(dòng)保護(hù)有效地防止誤動(dòng)。

為了驗(yàn)證裝置在變頻工況下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，采用繼保測(cè)試儀，對(duì)裝置進(jìn)行變頻工況下的動(dòng)作時(shí)間測(cè)試，通入差流幅值大小為1.2倍差動(dòng)速斷定值電流，差動(dòng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

變數(shù)據(jù)窗算法需要用一個(gè)周波的數(shù)據(jù)計(jì)算出電流幅值，所以當(dāng)頻率越低時(shí)，數(shù)據(jù)窗越長(zhǎng)。當(dāng)故障電流頻率為20Hz時(shí)，數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度為50ms，實(shí)際動(dòng)作出口時(shí)間為70ms。從測(cè)試結(jié)果可知，在變頻器工作頻率范圍內(nèi)，采用該保護(hù)配置能準(zhǔn)確快速動(dòng)作，滿(mǎn)足微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置通用技術(shù)條件的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的傅里葉算法的向量差動(dòng)無(wú)法很好地解決變頻運(yùn)行下的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)，本文采用基于變數(shù)據(jù)窗算法的方案，很好地滿(mǎn)足工頻、變頻運(yùn)行下的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)需求，由此用1臺(tái)裝置實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與變頻器的全部保護(hù)。浙江某電廠(chǎng)在進(jìn)行凝泵電動(dòng)機(jī)的變頻改造中，采用該算法的南瑞PCS-9627D電動(dòng)機(jī)保護(hù)，解決了高壓電動(dòng)機(jī)在工頻及變頻下的保護(hù)問(wèn)題，在廠(chǎng)用電高壓變頻電動(dòng)機(jī)保護(hù)中具有很好的示范效果和推廣價(jià)值。