阅读说明：本技术 一种变频电动机的差动保护装置及算法 (Differential protection device and algorithm of variable frequency motor ) 是由 史栓保 于 2019-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种变频电动机的差动保护装置及算法,包括变频器、电动机、电流互感器CT1、CT2和CT3,所述CT1、变频器、CT2、电动机和CT3依次串联,所述变频器设有旁路,所述旁路设有旁路断路器,所述旁路断路器的合闸信号接点接入差动保护装置,当旁路断路器断开时CT2和CT3构成差动保护,当旁路断路器闭合时CT1和CT3构成差动保护。本发明的有益效果是：在工频运行和变频运行两种方式下实现差动保护。(The invention relates to a differential protection device and an algorithm of a variable frequency motor, which comprise a frequency converter, a motor, a current transformer CT1, a CT2 and a CT3, wherein the CT1, the frequency converter, the CT2, the motor and the CT3 are sequentially connected in series, the frequency converter is provided with a bypass, the bypass is provided with a bypass breaker, a closing signal contact of the bypass breaker is connected into the differential protection device, the CT2 and the CT3 form differential protection when the bypass breaker is disconnected, and the CT1 and the CT3 form differential protection when the bypass breaker is closed. The invention has the beneficial effects that: differential protection is realized under two modes of power frequency operation and variable frequency operation.)

一种变频电动机的差动保护装置及算法

技术领域

本发明涉及变频电动机的差动保护，尤其涉及一种变频电动机的差动保护装置及算法。

背景技术

大型火力发电厂主要设备有锅炉、汽轮机、发电机，锅炉配置有一次风机、二次风机、引风机，汽轮机配置有给水泵，风机和水泵均由大型电动机拖动。发电厂产生电能的同时也在消耗大量的电能维持设备运行，其中大型电动机的耗电量占总量的85％左右。在节能发展的大背景下，大型火力发电厂对大型电动机进行变频改造已非常普遍，目的是降低厂用电比率，降低发电成本进而提高竞争力。目前功率大于2000kW的电动机，增加变频器改造完成后，原配置的电动机保护不适用于变频器拖动电机系统，其中差动保护无法在非工频情况下正常投入，并且仅利用高压变频器对电动机保护存在巨大的安全隐患，因为变频器对电动机保护的灵敏度是否满足要求并不能确定。

电动机变频改造后，继续使用原配置的保护装置，如图1所示，在电动机机端处安装一组电流互感器，利用电动机机端和中性点构成差动保护，后备保护装置仍使用原电动机保护功能。两组电流互感器的一次侧电流相同，虽然满足了构成差动保护的条件，但是工作的电压频率不是工频，电流互感器是设计在工频系统中使用的，保护装置与电流互感器相同，电流采样回路设计为工频下使用，非工频工况下同样不适用，保护功能的可靠性并不确定。部分现场采用这样的方式来构成差动保护，运行中频繁发生误动作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种变频电动机的差动保护装置及算法，使差动保护适用于变频改造后的电动机。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种变频电动机的差动保护装置，包括变频器、电动机、电流互感器CT1、CT2和CT3，所述CT1、变频器、CT2、电动机和CT3依次串联，所述变频器设有旁路，所述旁路设有旁路断路器，所述旁路断路器的合闸信号接点接入差动保护装置，当旁路断路器断开时CT2和CT3构成差动保护，当旁路断路器闭合时CT1和CT3构成差动保护。

根据上述技术方案，优选地，所述电流互感器CT2和CT3均选用宽频电流互感器。

本发明的有益效果是：在工频运行和变频运行两种方式下实现差动保护。

一种变频电动机的差动保护算法，包括以下步骤：

步骤000：变频器、电动机、电流互感器CT1、CT2和CT3，所述CT1、变频器、CT2、电动机和CT3依次串联，所述变频器设有旁路，所述旁路设有旁路断路器，所述旁路断路器的合闸信号接点接入差动保护装置，当旁路断路器断开时CT2和CT3构成差动保护，当旁路断路器闭合时CT1和CT3构成差动保护；

步骤010：采用采样值差动，所有通道采样点为电流在同一时刻的瞬时值；

步骤020：构成差动保护的电流互感器测得的电流的矢量和为差动电流，制动电流按照两侧电流矢量差的一半计算，差动速断和比率差动采用突变量启动元件和过流启动元件，当差动电流发生突变或者差动电流的最大值大于相应的过流定值时，启动元件动作并保持10s，开放启动继电器。

根据上述技术方案，优选地，当旁路断路器断开时，通过平衡系数K_ph2修正电动机两侧电流互感器变比不一致的问题。

根据上述技术方案，优选地，当旁路断路器闭合时，通过平衡系数K_ph1修正电动机两侧电流互感器变比不一致的问题。

根据上述技术方案，优选地，差动速断保护动作判据为三相差动电流中最大值大于差动速断保护定值。

根据上述技术方案，优选地，比率差动采用三折线比率差动原理。

根据上述技术方案，优选地，还包括监测电流互感器断线的算法，其判别逻辑为系统任一侧三相电流有一相或两相电流小于0.125倍额定电流且其它两相或一相电流均大于0.2倍额定电流。

根据上述技术方案，优选地，所述监测电流互感器断线的算法在比率差动元件启动后启动。

根据上述技术方案，优选地，所述监测电流互感器断线的算法满足以下三个条件中的任意一个，不进行判别：

(1)启动前某侧最大相电流小于0.2Ie，则不进行该侧电流互感器断线判别；

(2)启动后最大相电流大于1.2Ie；

(3)启动后任一侧电流比启动前增加。

本发明的有益效果是：在工频运行和变频运行两种方式下进行差动保护，并且运用采样值差动计算方法，可以适用于变频拖动电动机系统。

附图说明

图1示出了现有技术中电动机差动保护接线方式示意图。

图2示出了本发明一种变频电动机的差动保护装置的一种实施例的变频电动机电气系统示意图。

图3示出了本发明一种变频电动机的差动保护装置的一种实施例的变频差动保护电流回路原理图。

图4示出了本发明一种变频电动机的差动保护装置的一种实施例的变频电动机差动保护系统示意图。

图5示出了本发明一种变频电动机的差动保护算法的一种实施例的差动速断逻辑图。

图6示出了本发明一种变频电动机的差动保护算法的一种实施例的差动保护动作特性图。

图7示出了本发明一种变频电动机的差动保护算法的一种实施例的比率差动逻辑图。

图8示出了本发明一种变频电动机的差动保护装置及算法的一种实施例的通流试验原理图。

图9示出了本发明一种变频电动机的差动保护装置及算法的一种实施例的通流试验电流相量图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种变频电动机的差动保护装置，包括变频器、电动机、电流互感器CT1、CT2和CT3，CT1、变频器、CT2、电动机和CT3依次串联，变频器设有旁路，旁路设有旁路断路器，旁路断路器的合闸信号接点接入差动保护装置，当旁路断路器断开时CT2和CT3构成差动保护，当旁路断路器闭合时CT1和CT3构成差动保护。

保护装置还需要考虑到变频器拖动电动机系统的运行方式。电动机正常运行时为变频运行，但会出现因变频器自身故障造成电动机电路跳闸的问题，但为了维持电动机继续工作，所以电气系统设计有旁路切换功能，变频器退出后可以通过工频旁路继续维持风机运行，同时为技术人员处理故障创造条件。如图2所示，变频器正常运行时，QF1、KM1、QS1、QS2、KM2合闸，QF2分闸；变频器故障时，KM1、QS1、QS2、KM2分闸，QF1、QF2合闸。

变频运行和旁路运行时，电气一次系统发生变化，差动保护装置需要在两种工况下正常工作也是需要解决的问题。变频运行方式，CT1运行在工频下，CT2和CT3一次侧电流为非工频且为同一个电流；旁路运行时，CT1、CT2、CT3一次侧电流均为工频且为同一个电流。通过分析电动机定子绕组电流流入和流出的情况，根据差动保护的原理，我们可以确定差动保护配置的方式。电动机变频运行，由CT2和CT3构成差动保护，保护范围为变频器输出侧至电动机中性点；电动机工频运行，由CT1和CT3构成差动保护，保护范围为高压开关下口至电动机中性点，保护电流回路原理如图3所示。

考虑到装置工作方式切换的问题，如图4所示，现场可以利用QF2断路器的合闸信号接点接入保护装置，当QF2合闸后接点闭合给装置一个开入信号，可以实现工频和变频方式自动切换。

根据上述技术方案，优选地，电流互感器CT2和CT3均选用宽频电流互感器。

工频电流互感器随着电流频率的降低，内部线圈会逐渐饱和，饱和程度不断加深造成二次电流误差不断增大，输出电流波形严重变形。对于变频器拖动的大型电动机，利用工频电流互感器构成差动保护无法正常工作。针对这个问题，我们选择使用能够适应变频工况的宽频电流互感器，例如由江苏靖江互感器公司生产的LZZBJ9-10E2型宽频电流互感器。

宽频电流互感器很好的解决了变频器工况下的电动机运行电流测量问题，我们可以在变频器输出侧和电动机中性点安装宽频电流互感器，获得最大的保护范围，为高压电缆和电动机绕组提供差动保护。现场进行改造时，根据电动机额定电流选择电流互感器的一次电流量程，一般选择电机额定电流的1.5倍。对于现场施工，需在变频器旁路柜柜内安装一组宽频电流互感器，敷设一根变频器至高压开关的控制电缆，用于上传保护用的二次电流，电动机机端电流互感器一次接线可不改变，二次侧接线电缆拆除并将互感器二次侧输出端子短接，中性点侧电流互感器更换为宽频电流互感器，利用原控制电缆即可。

一种变频电动机的差动保护算法，包括以下步骤：

步骤000：变频器、电动机、电流互感器CT1、CT2和CT3，所述CT1、变频器、CT2、电动机和CT3依次串联，所述变频器设有旁路，所述旁路设有旁路断路器，所述旁路断路器的合闸信号接点接入差动保护装置，当旁路断路器断开时CT2和CT3构成差动保护，当旁路断路器闭合时CT1和CT3构成差动保护；

步骤010：采用采样值差动，所有通道采样点为电流在同一时刻的瞬时值；

步骤020：构成差动保护的电流互感器测得的电流的矢量和为差动电流，制动电流按照两侧电流矢量差的一半计算，差动速断和比率差动采用突变量启动元件和过流启动元件，当差动电流发生突变或者差动电流的最大值大于相应的过流定值时，启动元件动作并保持10s，开放启动继电器。

为了解决不断变化的采样点数据计算问题，提出了依据同时刻的多个采样数据作为动作判据的算法，于是提出了采样值差动。保护装置所有通道采样点为电流在同一时刻的瞬时值，当被保护设备外部发生相间短路故障时，各采样电流值之和为零；当发生设备内部相间短路故障时，各采样电流值之和不为零。采样值差动保护就是利用采样值电流之和按一定的动作判据构成，与常规相量差动保护相比，采样值差动计算量减少，可以缩短保护动作时间，降低故障设备损毁程度。采样值差动原理上不进行傅氏计算，可以很好解决变频器电路产生的谐波影响计算精度的问题。因此，对工作于频率变化的电动机系统，差动保护可以利用此算法实现。

根据上述技术方案，优选地，当旁路断路器断开时，通过平衡系数K_ph2修正电动机两侧电流互感器变比不一致的问题。

电机两侧CT可能存在变比不一致的情况，利用折算至电机中性侧的平衡系数K_ph2来修正此影响。

变频方式

差动电流计算公式

I_cd＝|I_ct3+K_ph2I_ct2|

制动电流计算公式

I_zd＝|I_ct3-K_ph2I_ct2|/2

平衡系数计算公式

式中I_ct2为电流互感器CT2二次电流，Ict3为电流互感器CT3二次电流。

根据上述技术方案，优选地，当旁路断路器闭合时，通过平衡系数K_ph1修正电动机两侧电流互感器变比不一致的问题。

电机两侧CT可能存在变比不一致的情况，利用折算至电机中性侧的平衡系数K_ph1来修正此影响。

工频方式

差动电流计算公式

I_cd＝|I_ct3+K_ph1I_ct1|

制度电流计算公式

I_zd＝|I_ct3-K_ph1I_ct1|/2

平衡系数计算公式

式中Ict1为电流互感器CT1二次电流。

根据上述技术方案，优选地，差动速断保护动作判据为三相差动电流中最大值大于差动速断保护定值。保护逻辑如图5所示。

根据上述技术方案，优选地，比率差动采用三折线比率差动原理。动作曲线如图6所示，第三折线斜率固定为1，保护逻辑如图7所示。

保护动作判据如下：

DI>I_cdqd HI≤0.5I_e

DI-I_cdqd>K(HI-05I_e) 0.5I_e<HI≤3I_e

DI-I_cdqd-2.5KI_e>HI-3I_e HI>3I_e

式中DI为差动电流计算值，I_cdqd为差动电流启动定值，K为斜率定值，HI为制动电流计算值，I_e为电动机额定电流二次值。

根据上述技术方案，优选地，还包括监测电流互感器断线的算法，其判别逻辑为系统任一侧三相电流有一相或两相电流小于0.125倍额定电流且其它两相或一相电流均大于0.2倍额定电流。闭锁功能基于两个假设：一是CT断线不是所有回路相同时发生的，二是CT断线与故障不是同时发生的。

根据上述技术方案，优选地，所述监测电流互感器断线的算法在比率差动元件启动后启动。这也防止了瞬时CT断线的误闭锁。监测到系统某一组电流互感器只有一相或两相电流为零且其它两相或一相电流与启动前电流相等认为发生断线，通过控制字设定可以选择投入或退出瞬时CT断线闭锁比率差动功能。

根据上述技术方案，优选地，所述监测电流互感器断线的算法满足以下三个条件中的任意一个，不进行判别：

(1)启动前某侧最大相电流小于0.2Ie，则不进行该侧电流互感器断线判别；

(2)启动后最大相电流大于1.2Ie；

(3)启动后任一侧电流比启动前增加。

对于变频电动机系统的后备保护，保护电流采样对象为高压开关下口的运行电流，电动机工频或变频运行时，工作频率始终为50Hz。虽然保护工况未发生变化，但两种方式对应的保护对象发生变化，变频运行时为移相变压器，工频运行时为电动机。后备保护中受保护对象影响的主要有过流保护和电动机专用的保护，例如启动保护。通过使用内置变压器和电动机两种保护逻辑的保护装置就可以解决，我们可以采用与变频差动一样的方法，以旁路断路器QF2的合闸信号接点作为信号，在不同工况启用不同的保护类型，达到保护对象与后备保护相对应。

装置单体调试工作完成后，接下来需要确认参与差动保护的电流回路接线正确性，互感器由过去的两组增加为三组，给极性核对工作带来了困难。电气一次系统和保护系统接线完成后，为了在整套系统第一次投运前完成电流回路接线检查工作，我们可以利用通流试验来确定接线的正确性。

试验前将高压开关QF1送至检修位置，以保证人员安全，将隔离开关QS1和QS2分开，合上变频器旁路断路器QF2，拆开QF2合闸信号至保护装置的接线，电动机中性点侧的高压电缆拆开，准备好三根截面不小于10mm2电缆，使用万用表电阻档位核对出电动机三相定子绕组并标注，恢复中性点侧的接线，使用电缆将每相定子绕组短接，试验原理如图8所示。在高压开关QF1下口CT1一次接线柱上方，电流发生器两根试验线分别接A相和B相，通入50Hz幅值为50A的电流，查看保护装置的采样和差动电流数值，电流相位关系如图9所示，图9中I为电流互感器一次侧通入电流，I_{A CT2}I_{A CT3} I_{B CT2} I_{C CT3}为装置采样电流，CT2和CT3的二次侧电流幅值相同且相位相差180°，差动电流A相和B相均为零证明CT2和CT3极性正确，短接QF2合闸信号至装置的接线，装置切换为工频方式，查看CT1和CT3的采样值和差动电流数值，确定CT1和CT3的极性。发现差动电流不为零时，立即停止通流工作，根据变频和工频方式的数据确定极性错误的互感器并进行接线更改，重新进行试验核对直至正确。核对C相时，从A相和C相一次侧通入电流使用相同的方法即可核对。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。