高压变频器对电动机继电保护的影响及解决措施

贺鹏程

（中海石油技术检测有限公司，天津 300452）

引言

变频技术是当前企业发展节能降耗的主要技术体系，尤其是在当前的工业生产领域，变频技术的使用，可以为生产体系的节能优化奠定基础。当前，部分生产企业采取高压电动机变频调速技术来实现电动机系统的性能调控。但是结合实际情况来看，在增加了变频器之后，原有的高压电动机常规保护装置，整体性能下降且无法提供全过程保护服务，因此越来越多的企业落实变频调速技术的创新，致力于增强电动机继电保护质量，确保可以为企业生产线的高质量创新奠定良好基础。

1 变频器的基本原理

在当前的企业生产过程中，发电企业、化工企业都涉及到了大量的机电设备，这其中水泵、引风机、送风机本身的耗能较大，而以节能环保为基础构建的变频调速体系，能够结合系统的实际运行需求进行流量调节，科学地进行阀门调控，可以在系统运转需求不高的时候降低能耗。比如在当前火电厂的电动机运转过程中，以现代控制通信技术以及电力电子技术，将原有的工频50 Hz的电源调整成直流电源，再将其进行斩波、还原，还原之后的交流电源频率可以结合流体流量进行自动调节[1]，从而实现电动机转速的调控。这样能够提高整体系统运行效率，同时也可以实现节能降耗。

2 高压变频器和继电保护的矛盾问题

2.1 继电保护配置

从具体的保护装置结构角度来讲，当前大部分的电动机选择的是三相三继电器式接线，在变压器任意一侧出现故障时，都可以进行瞬间动作，若变压器高压侧无断路器，那么瞬间动作则直接服务于变电机的变压器组总出口继电器，能够在系统出现故障时快速地进行反应，实现开关的启停。

目前，电动机的保护装置为V形综合保护系统，开关柜和电动机中性点侧电流互感器，将直接提供差动保护电流。

2.2 变频器应用后的问题分析

当前绝大部分的电动机变频改造，主要原理是实现工频和变频的灵活切换，其具体架构见图1。

在实际应用过程中，若变频器出现了故障，那么整体系统会转换成工频供电的状态，前期系统中的程序会执行自动调控。而在工频运行的过程中，需要重新投入变频运行，这期间也可以通过手动或者自动的方式进行切换。

这两种不同的状态会导致机电保护本身的性能存在一定的变化，例如工频运行状态下的电动机继电保护装置可以正常执行原有的保护行为，但是一旦系统切换成了变频运行状态，那么变频器的输入和输出电流并不会存在直管联系。若按照原有的继电保护方法，必然无法满足实际的保护需求。

因此从理论角度上来讲，使用了变频器的高压电动机，不应该将变频器纳入到差动保护的范围，单独地进行电动机保护，可以实现原有的机电保护功能。

3 电动机继电保护优化方案

3.1 案例分析

某电厂的风烟系统中配备了两台引风机，在正常运行时，这两台设备都维持在运行工况中。出风扇的控制是由引风机的静叶开度来完成的。在实际应用过程中，电动机转速恒定，单纯的依靠静叶来完成风量调节效果不够理想，仅能控制在60%~65%左右，导致引风机的电动机额外产生了大量的电能损失。而为了进一步增加用电效率，打造经济化的机组运行体系，采用变频调速器实现系统控制，进一步消除了风门以及叶片的截流损耗。

3.2 机电保护方案的改造

采用了变频调速器之后，整体的发电机运行工况为变频工况，在这样的环境下，需要改造原有的机电保护方案，才能够实现差动保护。

首先在引风机的断路器出线侧、变频器出线侧、电动机中性点，设置了三个电流互感器，分别为CT1，CT2，CT3，具体的结构见图2。这其中CT1和CT2能够打造电动机工频状态下的差动保护体系，CT2和CT3可以打造变频状态下的差动保护体系。

另外在电动机维持变频工况时，可以直接通过QF2进行状态检测，促使系统自动退出前期的工频差动保护，这样能够防止在变频模式下出现误动情况，从而满足发电机正常运转需求。另外变频器到电动机的电缆保护主要以变频器自带的保护系统来完成，开关柜到变频器电缆以及变频器输入变压器的保护，由开关柜本身的保护装置完成。

3.3 差动保护的具体原理

以变频调控为基础实现的差动保护，主要是通过实时频率检测、频率跟踪、电流互感器补偿等方式来进行频率控制。这其中频率检测以及频率跟踪还需要依赖现代化技术体系来实现，例如本工程中的电动机频率差动保护便是以傅氏滤波测评算法来完成的。该种算法的整体滤波能力较强，同时可以依照不同阶段的系统运行状态进行幅值测量，实用性较高且精准性稳定。

系统的测频模式以电压以及电流相结合的方式来设置，若装置外回路不能接收到正常电压时，则会启用电流测频技术进行作业。同时，装置本身的频率检测，利用软件过零点测算方法以及实时频率跟踪相结合的方式。这种方式可以考虑不同频率下的实际特征，建立在差异性统计的基础上，能够实现精准采样，也可以实现保护装置的正确可靠动作，全面提升保护的精准性。

3.4 差动保护测试分析

由于电动机的运转对整体系统的稳定性有直接的决定作用，因此在进行变频机电保护设置的过程中，也需要检测其具体的应用效果，这样才可以为系统的高效运转奠定良好基础。本工程的引风机变频工况插动保护系统采取当前的信息技术作为依据，构建了嵌入式仿真模拟平台ARM＋DSP结构，并且采取工业生产期间较为常见的多任务操作系统能够打造高精度的模拟体系[2]，能够实现每周期24点的高速采样，并且进行同步数据计算。

对该系统进行检测，使用的是PW40A型继电保护测试仪，能够结合变频工况下的具体特性进行针对性测试。在测试方案中设定了5个不同的频率，作为变量，分析电流的实际数值以及电压采样的数值，最终检测差动速断出口的具体时间。经过检测之后确定电流采样的数值范围控制在4.95~4.99 A内，满足基准电流5 A的标准；电压采样的范围控制在52.8~57.65 V范围内，同样满足基准电压57 V的标准。接下来从实测差动速断出口时间角度来讲，频率为15 Hz时，时间最大为103 ms，随着频率的不断加大，时间逐渐降低，65 Hz时时间降到27 ms。

由此可以证明，变频器的常规运行频率为15~65 Hz采用的继电保护装置，可以结合系统的运行需求进行正确的交流采样动作，迅速且精准度较高，能够满足具体的机电保护需求。

4 结语

在电动机中使用高压变频器不仅可以打造节能型生产体系，也可以有效提升整体系统运行稳定性。而以变频工况作为主要的改造方向，打造科学的继电保护体系，能够进一步提升发电机的运行稳定性和安全性。需要注意的是，选择的技术体系必须要满足实际应用需求，进一步采取大容量变频器进行调速，机电保护体系的设置也要符合系统的实际运转状态，这样才可以有效增强电动机系统保护力度，为生产体系建设奠定稳定基础。