高压电动机变频差动保护改造

王济娟

（大唐珲春发电厂，吉林 珲春 133303）

为了降低厂用电率，提高节能水平，火力发电厂通常采用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，从而实现高压电机的软启动。这一措施减少了磨损，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，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。

1 设备现状及出现的问题

某电厂高压增压风机选用的是YKK1000－14型电动机，其额定容量2 200kW，额定电压6 000 V，额定电流300A，额定频率50 Hz，额定转速426 r／min，功率因数0.742。采用MMPR－320Hb－3X型保护装置，使风机实现差动速断、比率差动、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（TA）实现保护功能，TA 变比为500／5，额定输出15VA。

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，对增压风机加装了高压变频装置，实现了变速调节。该变频装置是一种“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PWM（脉冲宽度调制）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，可直接接到高压电机上。

由于加装了变频器，原增压风机差动保护TA一组装在断路器出线侧，另一组装在电机就地中性点侧，而变频器则是装在电源断路器与电机之间的。在变频工作状态下，断路器侧TA 是50Hz的电流，而电机侧TA 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50 Hz的交流电流基础上，由于电机侧的TA 不是恒定50Hz的电流，就会造成差动保护误动作跳开电源断路器，所以此时一些电厂采用的方法是将差动保护的压板退出，投入原MMPR－310Hb－3X型保护装置的速断保护功能，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［1］的规定，而且其灵敏度也不够。

2 问题分析及解决措施

针对上述问题，某厂在增压风机变频改造后，在电源开关侧保留了改造前的电流互感器，保留了原MMPR－310Hb－3X型保护装置，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，用以实现6kV 电源侧至其变频器小间之间设备和电缆的各种故障保护。

为了解决高压电机变频改造后无差动主保护的缺陷，在增压风机变频器小间安装了CSC－236D 数字式变频电动机保护装置，来实现电机工频和变频运行下的差动主保护功能。该保护装置采用了与频率无关的HHT（希尔伯特－黄变换）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。考虑变频电动机的实际运行情况，选取其中能量最大的频率成分作为信号的主频率分量进行相量计算。为了保证电动机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以及能适用变频启动和工频启动两种不同的启动方式。当电动机变频启动时，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以及二次谐波闭锁、TA 断线及差流越限检测和电动机启动过程判别功能，实现了5～65Hz宽频带及低频率范围内电动机各种故障的保护作用。

同时，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TA，其变比为600／1，额定输出为15VA。此互感器在低频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。

3 改造效果

根据以上配置，用微机保护测试仪对CSC－236D数字式变频电动机保护装置分别进行了模拟工频和变频状态下的差动检验。差动保护定值为：Icd＝0.25 A，Ir1＝0.5A，K1＝0.2，K2＝0.5，对装置进行了差动保护不同频率下的试验，其结果见表1。

表1 CSC－236D保护装置差动保护试验数据

可见，该保护装置在不同频率下，差动保护均能作为电机的主保护，保护电机安全稳定运行；同时，现场试验人员用OMICRON 型TA 测试仪分别检测了电机中性点侧和变频器输出侧安装的TA 频率为16Hz电流互感器特性，其检测数据最低值见表2，电流互感器10%误差数据见表3。

表2 电流互感器检测数据

表3 电流互感器10%误差数据 Ω

按照6kV 短路电流为10.636 4kA、变比600计算，其电流倍数M＝17.727，在此倍数下，其负载值远远大于实际的二次负载值，可见电流互感器10%特性完全满足要求。

在保护装置改造后，电机投入运行时，针对电机运行不同频率下的工况，进行了差流测试工作，测试结果合格。测试数据见表4。

某厂在对6kV 增压风机的变频改造后，经过一年多的时间验证，电机大多数情况都运行在频率为27Hz左右，大大降低了厂用电率，而且在应用CSC－236D电动机变频差动保护装置和5P20级的LRDDBB－6／60型电流互感器、配置电机变频运行下的差动主保护后，保证了电机无论在工频运行还是变频运行，保护配置均满足了继电保护和安全自动装置技术规程［1］的相关规定，保证了电机安全可靠运行。

表4 差动及制动电流测试数据

［1］GB／T 14285—2006，继电保护和安全自动装置技术规程［S］.