一種適合於變頻電動機的差動保護方法與流程
2023-09-18 18:20:10 2
本發明涉及在高壓變頻系統中如何實現變頻電動機的差動保護動作邏輯，屬於電力系統繼電保護領域。
背景技術：
隨著廠網分家、競價上網等政策的逐步實施，發電廠降低廠用電率勢在必行。變頻電動機以其優異的調速、起動和制動性能，在發電廠的風機類和泵類負載中得到廣泛的應用。對發電廠輔機進行高壓變頻技術改造，能夠實現電動機軟啟動，減小電動機啟動電流，減少對電動機定子繞組絕緣層的衝擊和機械磨損。同時，傳統的機械節流調節方式經濟性較差，將其改為變頻調速，能夠有效降低廠用電率，提高系統電動機效率。
相對於變頻改造帶來的經濟效益，保證輔機設備的安全可靠運行也是發電廠重點關注的問題。不論何種形式的變頻器，在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行。變頻器給電動機帶來了諧波以及發熱等問題，對設備的長期運行產生一定的影響。傳統的電動機差動保護是基於工頻設計的，加裝變頻器後電流頻率非50Hz，變頻運行時不得不退出差動保護，此時電動機的保護僅依賴於變頻器自帶的保護功能。根據國家繼電保護規程的規定，2MW及以上的電動機均應設差動保護，2MW以下且速斷保護靈敏度較低的電動機保護也應裝設差動保護。因此，亟需為變頻電動機的運行提供快速可靠的差動保護。
技術實現要素：
本發明的目的是，提供一種適用於高壓變頻系統中電動機工頻及變頻運行時的差動保護方法，該方法具有動作門檻精度高、動作速度快、抗幹擾能力強、自適應頻率變化等優點。
為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是：
一種適合於變頻電動機的差動保護方法,其特徵在於，其包含以下步驟：
1)在所述變頻電動機的機端和中性點分別設置採樣點，採集兩側電流的瞬時值，通過電流跟蹤頻率方式檢測電動機的運行頻率並實時調整採樣頻率，以保證所述變頻電動機的運行頻率變化時每周波採樣點數不變；
2)對步驟1)中獲得的採樣值進行相量計算，求出所述變頻電動機兩側的差動電流和制動電流，按照預定的相量差動判定方式判斷是否滿足動作條件；同時直接用同一時刻所述變頻電動機兩側電流的採樣值計算出瞬時的差動電流和制動電流，按照預定的採樣值差動判定方式判斷是否滿足動作條件；
3)當相量差動和採樣值差動同時滿足相應的動作條件時，最後的差動保護動作於跳閘出口，否則跳閘出口不動作。
優選的，所述步驟1)中的電流跟蹤頻率方式在所述變頻電動機的運行頻率發生變化時採用過零點檢測算法，所述過零點檢測算法的實現方式為：選取採樣數據中前一點採樣值小於零、當前點採樣值大於等於零的兩個點或前一點採樣值大於等於零、當前點採樣值小於零的兩個點，經過這兩個點做一條斜線，確定過零點的準確時刻，計算相鄰兩個過零點的時間間隔，得到電流信號的半個周期，從而快速跟蹤所述變頻電動機的運行頻率。
優選的，所述步驟1)中的電流跟蹤頻率方式在所述變頻電動機的運行頻率穩定時採用傅氏測頻算法，所述傅氏測頻算法的實現方式為：採用全波傅氏遞歸計算所述變頻電動機機端三相電流的正序分量，在頻率發生Δf變化時，則正序電流相量在每個周波會產生2πΔf的相位差，由相位的變化量得到頻率的變化量，從而準確測得所述變頻電動機的運行頻率。
優選的，所述步驟2)中的相量差動判定方式為：將所述變頻電動機機端和中性點的電流用差分半波傅氏算法計算各自的基波相量，然後求出兩側電流的相量和作為差動電流、相量差作為制動電流，再根據相量差動判據判斷是否滿足動作條件。
優選的，所述差分半波傅氏算法採用遞歸形式，其表達式如下：
其中，i(n)為當前最新採樣值，i(n-1)為前一點的採樣值，i(n-N/2)為半個周波前的採樣值，為基於當前點的半周波採樣值經差分半波傅氏求得的基波電流相量的實部、虛部，為基於前一點的半周波採樣值經差分半波傅氏求得的基波電流相量的實部、虛部。
優選的，所述的相量差動判據採用比率制動特性，以躲過電動機啟動過程中或正常運行時的不平衡電流，其表達式如下：
其中，為電動機機端機端電流的基波相量，為電動機中性點電流的基波相量，Idset為相量差動動作電流門檻，Kset為相量差動比率制動係數。
優選的，所述步驟2)中的採樣值差動判定方式為：直接將同一時刻電動機機端和中性點電流的瞬時採樣值根據採樣值差動判據進行判別，若連續的R個採樣點中有S點滿足設定的判據(R≥S)，則採樣值差動滿足動作條件：
優選的，所述的採樣值差動判據採用非線性的制動特性，其表達式如下：
其中，im為電動機機端機端電流的採樣值，in為相同時刻電動機中性點電流的採樣值，k1為採樣值差動制動電流門檻與相量差動動作電流門檻的比例係數，k2為採樣值差動比率制動係數。
本發明的有益效果是：
該方法通過過零點檢測算法實現頻率的快速跟蹤，通過傅氏測頻算法實現頻率的準確測量，能夠適應變頻電動機的運行頻率變化特性，差動保護採用基於頻率跟蹤的相量差動和採樣值差動構成的雙重判據作為動作條件，相量差動採用的差分半波傅氏算法有效地抑制了直流分量和諧波分量，兼顧了保護的計算精度和動作速度，同時具有採樣值差動抗幹擾能力強、不受頻率變化影響的優點，對變頻電動機切實起到快速可靠的保護作用。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進一步詳細說明。
圖1為應用於高壓變頻系統的電動機差動保護示意圖。
圖2為變頻電動機在25Hz發生單相故障的電流波形。
圖3為變頻電動機在60Hz發生單相故障的電流波形。
具體實施方式
為了確保變頻器發生故障時不影響高壓電動機的運行，變頻改造基本採用變頻器加工頻旁路的結構。圖1所示，高壓變頻系統主要包括移相變壓器、變頻器、旁路櫃三部分，其中移相變壓器起到系統隔離的作用，變頻器將工頻電源變換成另一頻率的電源，旁路櫃用於變頻/工頻運行方式的切換。電動機工頻運行時，旁路開關GD3閉合，GD1、GD2斷開；變頻運行時，旁路開關GD3斷開，GD1、GD2閉合。考慮電動機工頻運行時，進線開關到電動機機端的電纜可由原有的電動機綜合保護裝置進行保護，在工頻或變頻方式下均由CT1和CT2採集的電流構成差動保護。
本發明將電動機機端和中性點採集的電流通過過零點檢測算法快速跟蹤電動機的運行頻率，實時調整採樣頻率，保證每個周波採樣點數不變。為消除諧波及直流分量的影響，待電動機以穩定的頻率運行後，再用全波傅氏遞歸計算電動機機端三相電流的正序分量，由相位的變化量推出頻率的變化量，從而準確測得實際頻率。
相量差動採用差分半波傅氏算法計算電動機機端和中性點電流的相量，再求出兩側電流的差動電流和制動電流，再根據一定比率制動特性判據判斷是否滿足動作條件；採樣值差動直接對同一時刻電動機機端和中性點電流的採樣值進行差動判別，如果連續的R點中有S點滿足採樣值差動判據，則採樣值差動滿足動作條件；上述兩個條件同時滿足，差動保護出口動作。
該差動保護方法的特徵是：快速準確的頻率跟蹤算法使得差動保護能夠適應電動機的寬頻工作特性，保證傅氏算法能夠正確計算電流相量；相量差動採用差分半波傅氏算法，有效地抑制了直流分量和諧波分量，具有動作門檻精度高和動作速度快的優點，採樣值差動不受頻率變化影響且抗幹擾能力強，將兩者相結合，在兼顧快速性的同時，大大地提高了差動保護的可靠性。
搭建仿真模型，對採用該差動保護方法的裝置進行RTDS仿真試驗。圖2為變頻電動機運行在25Hz下發生單相故障的電流波形，故障發生約45ms後，保護裝置切除故障。圖3所示，60Hz時故障切除的時間為35ms。試驗結果表明，差動保護能夠在不同頻率下快速可靠地切除變頻電動機的短路故障。
上述實施例僅說明發明的技術方案，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術方案進行等同替換或等效變換，均落入本發明保護範圍之內。