變頻器電動機組保護裝置研究與應用

韓雪

引言

變頻器具有極佳的控制特征及節(jié)能效果，因此倍受社會各界的關注。當前，高壓變頻器已被廣泛應用于電廠與工礦企業(yè)中，亦或說多數(shù)企業(yè)開始就高壓電動機進行變頻調(diào)速改造。那么，如何同時實現(xiàn)高壓電動機的節(jié)能效率及運行的安全可靠性便變得尤為重要。依此研究背景，本文就變頻器電動機組保護裝置及其應用進行研究。

一、高壓變頻器電動機組及其對保護的影響

據(jù)研究結果表明，≥2MW的電動機均應設差動保護;電流速斷靈敏度低且<2MW的電動機也應設差動保護。多數(shù)電廠均選用變頻器電動機組配置的變頻電機，詳見圖1-1。

如圖1-1所示，變頻器電動機組的進線側、機端及中性點分別安裝一組CT?？紤]到在頻率與相位上的變頻器輸入、輸入電流之間沒有任何必然的聯(lián)系，因此切忌將變頻器列為差動保護。CT2、CT3共同形成差動保護，因此在變頻器退出或分支線路接入時，差動保護范圍均可明顯擴大。圖1-2為變頻器電動機組磁平衡差動

如圖1-2所示，變頻器電動機組的進線側、機端分別安裝一組CT，同時機端電纜及中性點引出電纜采用一進一出的方式從磁平衡式CT中穿過。磁平衡式CT是對差流的直接性反應，且磁平衡式CT的過流保護能實現(xiàn)對變頻器進行差動保護。由于交流采集模塊與算法的限制，當前的變頻電動機保護裝置僅能接入頻率相同的交流量，如此要求傳統(tǒng)微機型保護至少裝設兩臺裝置，方才能完成對變頻器電動機組的有效保護。為此，本文提出一種基于變數(shù)據(jù)窗算法的保護裝置，以彌補傳統(tǒng)保護方式的缺陷。

二、變頻器電動機組保護裝置的應用研究

本案所選保護裝置為PCS-9627D電動機保護裝置，以適應電壓等級為3～10kV的中高壓大型電動機，同時選用32位的DSP+ARM雙核處理器，以便在所有采樣間隔中采用復雜的算法來對采樣與保護展開實時計算。此外，此保護裝置也是基于雙重化采樣與互校技術的裝置，以提高保護采樣與保護行為的可靠性。本章節(jié)側重對變頻器電動機組保護裝置的應用進行研究。

PCS-9627D電動機保護裝置提供的保護功能有：非電量保護、低電壓保護、過電壓保護、零序過電壓/過電流保護、過熱保護、過負荷保護、接地保護、三段定時限負序過流保護、五段定時限過流保護、不平衡保護、短路保護、啟動耗時超限與堵轉保護、電流縱差保護及磁平衡差動保護，因此電動機保護裝置保護功能的完善對適應電動機與變頻器的保護需求具有重要作用。就傳統(tǒng)的保護裝置來講，變頻器上、下端電流分別為工頻50Hz及低頻運行，因此需裝設≥2臺保護裝置，以實現(xiàn)各種工況下變頻電動機的保護，同時也表現(xiàn)出安裝接線復雜、調(diào)試維護不便的缺點。為此，本文選用PCS-9627D裝置。此種基于變數(shù)據(jù)窗算法的保護裝置是按變頻器上端的電壓頻率來實現(xiàn)頻率跟蹤，同時在約1200Hz處微調(diào)電壓頻率，此時變頻器上端CT1在工頻工況工作，而變頻器下端的CT2/CT3則按變數(shù)據(jù)窗算法展開計算。研究表明，4組三相CT、1組三相電壓、1路零序電流均可同時接入PCS-9627D電動機保護裝置中，且以3組三相CT來保護計算。由于頻率測量的準確度會對變數(shù)據(jù)窗算法的計算精度造成直接性的影響，因此此保護裝置會選擇1組靈敏CT與CT2串聯(lián)起來，以實現(xiàn)頻率測量，如此即使在電動機機端電流相當小的情況下，亦能實現(xiàn)相當高的頻率測量精度。如此一來，僅采用1臺裝置也能實現(xiàn)在各種工況下電動機與變頻器的保護，從而使接線與調(diào)試維護難度大幅度降低。此外，在保護裝置運行中，電動機實際運行頻率用測量CT進行計算，然后再按實際運行頻率對基波幅值計算公式的系數(shù)與邊界處理值進行調(diào)整，并對電流諧波與基波幅值展開計算。

三、測試分析

為了驗證在變頻工況下PCS-9627D電動機保護裝置的采樣精度，現(xiàn)選用PW466型繼電保護測試儀就變頻器在各種頻率工況下實際運行的諧波、基波的采樣精度進行測試。當實際波形的頻率，則每周波采樣點數(shù)，此時無需進行邊界處理，誤差為0.2%;當，則每周波采樣點數(shù)為 ，此時一個完整的周期在采樣點54點到55點之間結束，誤差為0.5%。各種頻率下的變頻工況電流采樣精度測試結果見表3-1。

表3-1 采樣測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（局部）

如圖3-1可知，采樣誤差均≤0.5%，因此適應微機型電動機保護裝置對技術條件的要求。

為了驗證在變頻工況下PCS-9627D電動機保護裝置的動作時間，現(xiàn)選用博電測試儀就變頻工況下裝置的動作時間進行測試，且差流幅值為差動速斷定值的1.2倍，具體測試結果詳見表3-2。

變數(shù)據(jù)窗算法要求電流幅值用一個周波的數(shù)據(jù)來計算，因此頻率與數(shù)據(jù)窗的長度呈正相關。根據(jù)表3-2可知，若故障電流頻率是20Hz，則數(shù)據(jù)窗長度是50ms，此時實測差動速斷出口時間是70ms?？梢姡谧冾l器工作頻率要求范圍中，PCS-9627D電動機保護裝置的應用可實現(xiàn)快速動作，以適應微機型電動機保護裝置對技術條件的要求。

四、結語

當前，高壓變頻器逐漸被廣泛應用到工礦企業(yè)及電廠中，因此電氣技術人員務必重視對變頻器電動機組繼電保護的研究。為此，本文根據(jù)高壓變頻器電動機組對保護的影響，提出了采用變數(shù)據(jù)窗算法來解決變頻器電動機組保護的問題，由此實現(xiàn)用1臺裝置來實現(xiàn)電動機與變頻器的全部保護。研究表明，變數(shù)據(jù)窗算法的應用對變頻工況下諧波含量的準確計算及對變頻電動機差動保護的涌流、CT飽和辨別問題的有效處理具有重要作用。