高压电动机变频运行方式下保护问题的研究

牟明朗 李 佳 罗明凤

（四川工商职业技术学院，四川 成都 611830）

高压电动机变频运行方式下保护问题的研究

牟明朗 李 佳 罗明凤

（四川工商职业技术学院，四川 成都 611830）

文章通过高压电动机变频调速中保护问题分析，指出高压电动机的综合保护的必要性，并对比了工频与变频运行下的不动情形，提出了合理的综合保护方案。

高压电动机；变频；调速；保护

1 高压变频电动机的保护

大功率(一般指超过200Kw)电动机、风机、泵等这类大功率电动机基本上都采用高压电动机（国内多为6KV，个别为10KV），对这种电动机的调速系统现一般采用的就是直接高压变频调速控制系统，就是用额定电压为6KV的高压变频器直接驱动6KV的电动机，实现变频调速，这样节能效果显著，还可以有效的抑制谐波、提高功率因数和总效率，稳定性也较好，因而得到了广泛的应用。

火电厂频繁的调峰任务使高压电机的启停次数增加，在启动过程中因受冲击而造成过热、绝缘损坏以至烧坏电机的情况逐年增加，严重影响电动机的机械寿命；另一方面，采用调整挡板、阀门的开度或空放回流的办法进行输出量的调节，导致辅机和驱动电动机长期运行在低效率工作区，造成大量节流损失，能源浪费严重。为降低厂用电率，对发电厂机组进行高压变频技术改造的更是非常的普遍。

本文以发电厂用的高压变频系统为例，谈谈高压电动机变频运行方式下保护问题。

对于高压变频电动机的保护措施，分为两个层面的：一是变频器自带的保护功能，二是综合的保护措施。

2 变频器一般都带有常规的保护功能

变频器生产厂家较多，且每个厂家的型号不同，造成不同的变频器在保护配置上有一些区别。一般来说，每种变频器都有以下几种保护功能：过流保护、欠压保护、过压保护和过载保护。

2.1 过流保护

变频器过流保护的对象主是变频器自身。控制电路、驱动回路误动作或误配线，都会造成逆变器上、下桥臂直通等短路事故。短路电流流过逆变器的开关元件会造成元件烧毁，因此必须在极短时间内封锁PWM驱动信号输出，使逆变器停止工作，同时还应使输入侧电源开关跳闸。短路电流的整定值一般设置为逆变器输出额定电流的2到3倍。超过逆变器额定电流2倍以上的电流，应立即采取保护措施。当逆变器发生内部短路时，电流变化非常快，必须快速检测出过流信号。一般采用霍尔元件快速检测电流，其检测点可设置在中间直流母线、逆变器输出电路、或IGBT元件上。

2.2 过载保护

变频器的过载保护是指由于电动机过载，逆变器的电流达到逆变器额定输出电流150%以上时，采取相应措施对IGBT施加的保护。一般情况下，过载保护具有反时限特性。过载电流越大，允许继续运行的时间越短，保护动作的时间也越短。过载保护按反时限特性整定：1到1.1倍额定电流下允许长期工作：1.1倍以上额定电流，动作延时时间按反比例变化。过载信号采用霍尔电流检测元件检测，信号数值取自中间直流母线。另外，电动机根据其发热情况是允许短时间过载的。由于发热时间常数较长，所以，电动机的所谓短时间过载，一般都在数分钟以上：而变频器所允许的过载能力，通常只有1分钟（过载150%）。因此当电动机过载时，变频器的过载保护先于电动机过载保护动作，即变频器可以对过载电动机进行保护，因此改造后不再考虑电动机的过载保护功能。

2.3 过压保护

过电压产生的原因主要有：①电网输入电压长时间过高；②减速太快，引起泵升电压过高。当电压超过IGBT的安全工作电压时，就可能造成IGBT的损坏，应关闭逆变器。过压信号采样点与欠压采样点相同。过电压保护的整定值为逆变器开关元件IGBT值1．7倍左右。

2.4 欠压保护

欠压产生的原因主要有：①输入交流电压长期低于标准值的90%以下，或发生缺相断相；②电容不足或电容损坏。从IGBT的特性可知，当电源电压较低时，会因其驱动功率不足而造成元件损坏。另外，当逆变器直流侧大电容两端出现欠压时，也应立即关闭逆变器，否则也会导致IGBT永久损坏。欠压保护整定值为逆变器开关元件IGBT值的90%。电压源型变频器采用大容量的高压电容器作为整流滤波环节。由于该电容具有一定的储能作用，因此变频器在电压降低情况下仍然具备一定的带载能力，而且在装置内滤波电容越大、负荷运行频率越低、输出功率越小，则可维持的时间越长。所以，欠压检测应该采用中间直流采样，即在大电容两端采样。这样既能在真正欠压缺相时，检出信号进行保护，又不至于因短时间欠压并未构成危险时而保护误动作，提高了变频器的抗干扰能力和运转的可靠性。

3 对于高压电机必须采用综合保护措施

对于低压电机而言，使用变频器自身的保护一般就够用了，可是对于高压电机和系统而言，安装综合保护是必须的。

3.1 变频器出现严重故障时，工频旁路可以使机组不停机

高压变频系统通常由6KV电源进线开关、移相变压器、高压变频器、6KV输出接触器和电动机构成。虽然火电厂重要辅机采用高压变频调速系统能节能降耗、实现软启动和减少磨损，但对于发电厂而言，设备运行的可靠性是绝对第一位的，高压变频器节能降耗所产生的效益与因厂用辅机故障停机而导致发电机组减负荷甚至非正常停机、锅炉熄火等事故所造成的损失是无法相提并论的。所以作为一种万全措施，变频器在发电厂应用中，还要配备工频旁路，一旦变频器出现严重故障或正常情况下例行检修维护时，通过旁路断路器，电动机可以直接挂在电网上运行，不影响机组的正常发电。

（1）高压电动机工频旁路的实现

高压电动机工频旁路原理是在变频器输入侧、工频旁路采用真空断路器小车，变频器输出侧采用高压限流熔断器+真空接触器，旁路控制方式为手/自动旁路。如下图

当电机功率较大(一般100kW以上)，尤其是高压变频器切换时，切换过程不仅要求变频器输出的电压和频率与电网一致，而且两者的相位也必须相同。如果相位相差较大，会造成对电网和变频器双方的冲击，不仅达不到软启动的效果，还会影响电网上其他设备的正常工作并损坏变频器。同步切换是指在检测电压的幅值、频率和相位后，控制高压变频器输出同频、同相、幅值可控的电压，实现变频器与电网之间相互平稳切换的方式。

发电厂中使用的各种电机容量较大，而且许多风机、水泵在生产过程中是不允许停机的，一旦发生故障会造成严重后果，所以在切换时多采用同步切换方式。

（2）高压电动机在工频方式下的保护配置方案

另外要注意当切换供电方式时，保护装置也要及时地切换保护配置和整定值选取。例如，假设变频供电时保护装置使用采样值差动保护，当切换到工频供电时，保护装置也需要停止采样值差动保护的运算，而将此采样电流值投入到工频供电时的常规电流差动保护的运算中。工频运行方式下，电动机的故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。由于电动机的微机保护主要通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障，绕组保护有：电流速断保护和纵联差动保护、零序电流保护、低电压保护、温度保护、过电流保护、长启动保护等实现电动机综合保护。

3.2 变频方式下电动机保护

（1）变频方式下电动机保护面临的问题

变频运行方式下电动机运行有以下几个方面区别于工频：

采用变频装置后，电动机实现了软启动，启动电流从零开始平滑上升，启动电流显著减小，只有额定电流的1.2～1.5倍（工频可达5倍左右） ，电动机可以在较小的电流下实现加速、减速，发热较小。但是，同时启动时间却有所延长。这对按照躲过启动电流整定的保护和按启动时间整定的保护会带来一定的影响。

目前主流的高压变频器为电压型，而电压型高压变频器一般都装设有移相变压器。在高压变频器、 电动机组启动瞬间，根据实验实测，移相变压器将会产生5-7倍励磁涌流。

变频器输出侧频率将根据现场运行情况不断调整和变化，输出侧电流的频率可在0.2～400Hz内变化 ，同时变频器输出侧电流存在一定谐波分量，尤其当电动机在低频段工作时，谐波分量更高。由于谐波电流的影响，电动机的发热量较工频运行方式下有所增加，这对电动机的温度保护会产生一定的影响。

对于变频调速系统，由于附加了变频器装置，变频器的输入电流和输出电流在频率和相位上没有必然的联系。这是影响电动机继续使用相量差动保护的最大障碍；电动机相量差动保护的工作原理是基于比较电动机两端电流的大小与相位的。然而变频器输入输出侧的电流在相位上不一致，在工频运行方式下的差动保护中，即使电动机在正常工作情况下也会有相当数量的差流出现。但是，对于电动机的输入和输出电流，它们的频率和相位是一致的，因此可以考虑对电动机单独进行差动保护，差动保护所需电流取自电动机的输入侧和输出侧。

综合以上各方面可知，变频方式下电动机保护的装设位置、配置形式等都会不同于工频运行方式。

（2）变频方式下电动机应设置如下综合保护措施

当前，我国变频电机保护的配置方案通常是：根据高压电机的容量、用途和负荷特性，选择差动保护或电流速断保护作为主保护，以长启动保护、低电压保护、过电流保护、接地保护等保护作为后备保护。

因高压变频器输出电流的频率会根据实际运行需要不断调整。在电流中含高次谐波成分的干扰下，使用傅氏算法并不能得到准确的电流值。因此，电流速断保护、过负荷保护、过电流保护等保护所需的电流应取自变频器输入侧。类似于工频方式下电动机的保护配置，对于三相异步电动机，应装设电动机综合保护测控装置，电动机综合保护测控装置装设在母线出口断路器QF的开关柜中；对于大型(2MW及以上，或主保护灵敏度校验不合格)三相异步电动机，还应装设电动机差动保护装置。

①长启动保护：根据前面分析，电动机在变频运行方式下，启动时间应适当延长。 实测的电动机启动时间tqd是指当电动机的最大相电流从零突变到0.1Ie时开始计时，直到启动电流过峰值后下降到 1.2Ie的时间。取电机启动的前1.2tqd时间作为观测时间段，如果 Imax<1.125Ie，则电动机正常启动，长启动保护不动作；否则，说明电动机未能正常启动，长启动保护动作。

②电流速断保护：对于高压来讲，电流速断保护用以作电机的相间短路保护，多数为瞬时动作。采用变频器供电后，启动时基本没有冲击，最大启动电流仅略高于电动机的额定电流。出口的冲击电流主要是高压变频器投入时，移相变压器的空载合闸时的励磁冲击电流。高压变频器中移相变压器的低压侧直接带功率单元，功率单元中含有大容量电容，移相变压器带功率单元合闸时，励磁涌流将比空载投入时小，且移相变压器采用的特殊结构大大抑制了励磁涌流。变频器高压充电时，移相变压器励磁涌流还是可以达到变压器额定电流的5～6倍，有时更大一点，在4个周波内电流降至额定电流左右。

正因为电流速断保护整定值往往较大，所以运行时灵敏度不太理想。为此，国内的一些厂家将电流速断动作电流在电动机启动过程和运行过程按不同的方式整定：在规定的启动时问内取高整定值，以躲开大的启动电流；启动结束后取低整定值，此时只需考虑躲开正常运行时最大的负荷电流，这样既可以避开电动机启动开始瞬间的暂态峰值电流，又提高了电流速断保护在正常运行状态下的灵敏度，金智WDZ-400EX系列微机厂用电综台保护制控装置年和南自凌伊的DGR2342电动机综合保护测控装置都是这种原理的产品。

③采样值差动保护：常规电流差动保护，差动量和制动量反应的是电流的有效值或平均值，再通过数字滤波等办法消除非周期分量和谐波影响。但在故障时，一个周期内开始采样值中含较高的非基波分量，则将影响计算的准确性，如果为保证动作的可靠，延长周期时间，则不能保证动作的速度。

采样值差动保护对每一个时刻的采样值进行差动判别，在连续R次判别中如有S次满足判据，则输出动作信号。在遇到一个甚至几个坏数据时，只要坏数据的个数小于S，保护均不会误判。从CT特性看，即使CT饱和比较严重，在过零点附近也会有一段线性传变区，只要合理地选择S、R值，就可保证外部故障时满足动作判据的点数不足S点。因此，采样值差动保护动作的可靠性将高于有效值差动保护。此外，采样值差动保护最快动作时间为故障后的S个采样点发跳闸指令，S的取值小于一个周波采样点数，所以其动作速度一般快于常规相量差动保护。

在实际运用中，S、R的取值除满足上述基本条件外，还应根据被保护对象的特点进行选取。对于母线和短输电线保护，其CT饱和问题比较突出，而对于变压器保护，空投时的励磁涌流则是应重点考虑的。一般的取法有：N=12时，对于母线保护，可取S=4，R=6；对于短输电线保护，可取S=6，R=8；对于变压器保护，可取S=8，R=10。N=20时，对于短输电线保护，可取S=12，R=14；对于变压器保护,可取S=13，R=16。

另外，应用了变频器，不光是产生了谐波电流，而且变频器的输入和输出电流在相位上没有必然的联系，所以不能将其纳入差动保护的范围，而是在电机的输入和输出两侧。

和相量差动保护一样，采样值差动保护的判据一般由折线式制动特性曲线构成，以二段折线为例，动作特性如下图所示。采样值的动作判据一般为：式中K为采样时刻，imin为最小动作电流，K为制动系数，为差动电流（以流入电动机方向为正），izd(k)为制动电流。

imin为保证动作的准确性，通常采用重复多判别方法，即在连续R次采样中判别中如有S次及以上符合动作判据，则输出动作信号。

④低压保护：当供电网络电压降低时，异步电动机的转速都要下降，而当供电母线电压又恢复时，大量电动机自启动，吸收较其额定电流大好几倍的起动电 流，致使电压恢复时间拖长。为防止电动机自起支时使电网电压长时间严重降低，通常要在次要电动机上装设低电压保护，当供电母线电压降低到一定值时，延时将次要电动机切除，使供电母线有足够的电压，以保证重要电动机自启动。低电压保护的动作时限分为两级：一级是为保证重要电动机的自动起动，在其他不重要的电机上设0.5到1秒的低电压保护，动作于断路器跳闸；另一级是当电源电压长时间降低或消失时，为了人身和设备安全等，在不允许自动重起的电动机上，设低电压保护，经5到10秒，动作于断路器跳闸。

对于重要辅机，为确保在母线电动机成组自启动时能够持续运行，低电压动作定值一般不大于65%Un ,对电压源型变频器而言，它有大容量的高压电容器作为整流滤波环节，由于该电容具有一定的储能作用，因此变频器在电压降低情况下仍然具备一定的带载能力，所以对于功率不太大的电机，保护动作时间的设置应该比工频运行时长，这样才能保证在系统外部故障导致瞬时暂态欠压时电动机不会造成跳闸停机。在动作电流的整定上可以等同于工频运行方式下；而在动作时间上应有适当的延时。对于有中间煤仓制粉系统的磨煤机和灰渣泵、灰浆泵、碎煤机等的电动机，低电压保护的动作电压为：

动作时限为1.5秒。

对于具有自动投入备用机械的给水泵和凝结水泵以及循环水泵的电动机、送风机和直吹炉制粉系统磨煤机的电动机，低电压保护的动作电压为：

动作时限为lO秒。

⑤过电流保护：当变频器的输出侧发生短路或电动机堵转、输出侧电容超过限定值、或变频器加减速参数设置不合理时，变频器都将出现过电流，造成损坏。为了防止过电流，应设置过电流保护。变频器的过电流保护，可以参考电机的过电流继电保护算法，按躲过保护安装处的最大负载电流来整定。但变频器过载能力很差，不能按照电机的启动时间来整定，应该只按照移相变压器的过电流时间来整定，是一个反时限曲线：即电流超过越多则产生保护时间越短，电流超过越少，产生保护需要的时间越长。

⑥接地保护：电动机的单相接地是较为常见的故障，但由于高压变频器主流的是电压型，均有移相变压器，将电动机与系统电网隔离，在变频器输出电缆或电动机发生单相接地短路时对厂用电母线系统侧基本没有多大影响，再加之变频器与电动机间电缆短，电容电流小。使用传统的零序 CT方法来检测电动机或电缆单相接地故障变得非常困难，所以在使用变频器后，电动机一般没有配置接地保护。

不过电机绕组单相接地后易导致绝缘损坏，对火电厂的重要风机和水泵电动机，极有可能扩大为相间短路时，可能造成严重的经济和社会影响。

故单机容量在300MW及以上机组的高压厂用系统，为保证单相接地时零序过电流保护同时满足选择性和灵敏性的要求，既防止误动，又防止不动。采用变压器中性点经小电阻接地方式，可以实现接地保护。

由于零序保护采样电阻远大于中性点接地电阻，并联后阻值接近于接地电阻，正常运行中的共模电流不易造成接地保护的误动作。其接地电阻遵循各级零序过电流保护，既有选择性又有足够的灵敏度，同时单相接地电流在短时间（通常在0～1秒时间）内不致加重一次设备破坏程度的原则。基本不会加重接地短路点的损坏程度。发生单相接地时，接地电压随着输出频率的变化而变化。如果通过对中性点接地采样电阻压降或接地电流进行采样以判断是否接地，保护有死区。输出频率较低时，特别是在0到变频器最低频率围间，接地保护有可能无法动作。不能实现全工况下从变频器中性点到电机定子绕组百分之百范围内的接地故障保护。

为实现接地保护除了以上方法，还可以考虑变频系统发生单相接地后，输出电压、电流等电气参数也将有相应的变化，通过合理地设计也可以检测出单相接地的发生。

⑦温升保护：电动机变频运行方式下，由于谐波影响，发热多于工频方式，电机温度升高，缩短了使用寿命。因此，只有利用移相变压器，通常一次侧为Y接，二次侧为三角接法；通过二次侧三角形的延边差异实现移相，以减少变频器的输入谐波，使这种情况可以得到改善。

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TM307

A

1008-1151(2011)08-0143-04

2011-06-03

牟明朗，男，四川工商职业技术学院讲师，硕士，研究方向为计算机应用及自动控制；李伟，男，四川工商职业技术学院讲师，研究方向为数控技术应用及自动控制；罗明凤，女，四川工商职业技术学院讲师，硕士，研究方向为自动控制及电子信息。