本發(fā)明涉及在高壓變頻系統(tǒng)中如何實現(xiàn)變頻電動機的差動保護動作邏輯，屬于電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著廠網(wǎng)分家、競價上網(wǎng)等政策的逐步實施，發(fā)電廠降低廠用電率勢在必行。變頻電動機以其優(yōu)異的調(diào)速、起動和制動性能，在發(fā)電廠的風(fēng)機類和泵類負(fù)載中得到廣泛的應(yīng)用。對發(fā)電廠輔機進行高壓變頻技術(shù)改造，能夠?qū)崿F(xiàn)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沖擊和機械磨損。同時，傳統(tǒng)的機械節(jié)流調(diào)節(jié)方式經(jīng)濟性較差，將其改為變頻調(diào)速，能夠有效降低廠用電率，提高系統(tǒng)電動機效率。

相對于變頻改造帶來的經(jīng)濟效益，保證輔機設(shè)備的安全可靠運行也是發(fā)電廠重點關(guān)注的問題。不論何種形式的變頻器，在運行中均產(chǎn)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(fā)熱等問題，對設(shè)備的長期運行產(chǎn)生一定的影響。傳統(tǒng)的電動機差動保護是基于工頻設(shè)計的，加裝變頻器后電流頻率非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于變頻器自帶的保護功能。根據(jù)國家繼電保護規(guī)程的規(guī)定，2MW及以上的電動機均應(yīng)設(shè)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(yīng)裝設(shè)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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種適用于高壓變頻系統(tǒng)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、抗干擾能力強、自適應(yīng)頻率變化等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種適合于變頻電動機的差動保護方法,其特征在于，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(shè)置采樣點，采集兩側(cè)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并實時調(diào)整采樣頻率，以保證所述變頻電動機的運行頻率變化時每周波采樣點數(shù)不變；

2)對步驟1)中獲得的采樣值進行相量計算，求出所述變頻電動機兩側(cè)的差動電流和制動電流，按照預(yù)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(cè)電流的采樣值計算出瞬時的差動電流和制動電流，按照預(yù)定的采樣值差動判定方式判斷是否滿足動作條件；

3)當(dāng)相量差動和采樣值差動同時滿足相應(yīng)的動作條件時，最后的差動保護動作于跳閘出口，否則跳閘出口不動作。

優(yōu)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(fā)生變化時采用過零點檢測算法，所述過零點檢測算法的實現(xiàn)方式為：選取采樣數(shù)據(jù)中前一點采樣值小于零、當(dāng)前點采樣值大于等于零的兩個點或前一點采樣值大于等于零、當(dāng)前點采樣值小于零的兩個點，經(jīng)過這兩個點做一條斜線，確定過零點的準(zhǔn)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(yōu)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(wěn)定時采用傅氏測頻算法，所述傅氏測頻算法的實現(xiàn)方式為：采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(fā)生Δf變化時，則正序電流相量在每個周波會產(chǎn)生2πΔf的相位差，由相位的變化量得到頻率的變化量，從而準(zhǔn)確測得所述變頻電動機的運行頻率。

優(yōu)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，然后求出兩側(cè)電流的相量和作為差動電流、相量差作為制動電流，再根據(jù)相量差動判據(jù)判斷是否滿足動作條件。

優(yōu)選的，所述差分半波傅氏算法采用遞歸形式，其表達(dá)式如下：

其中，i(n)為當(dāng)前最新采樣值，i(n-1)為前一點的采樣值，i(n-N/2)為半個周波前的采樣值，為基于當(dāng)前點的半周波采樣值經(jīng)差分半波傅氏求得的基波電流相量的實部、虛部，為基于前一點的半周波采樣值經(jīng)差分半波傅氏求得的基波電流相量的實部、虛部。

優(yōu)選的，所述的相量差動判據(jù)采用比率制動特性，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(dá)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，I_dset為相量差動動作電流門檻，K_set為相量差動比率制動系數(shù)。

優(yōu)選的，所述步驟2)中的采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采樣值根據(jù)采樣值差動判據(jù)進行判別，若連續(xù)的R個采樣點中有S點滿足設(shè)定的判據(jù)(R≥S)，則采樣值差動滿足動作條件：

優(yōu)選的，所述的采樣值差動判據(jù)采用非線性的制動特性，其表達(dá)式如下：

其中，i_m為電動機機端機端電流的采樣值，i_n為相同時刻電動機中性點電流的采樣值，k₁為采樣值差動制動電流門檻與相量差動動作電流門檻的比例系數(shù)，k₂為采樣值差動比率制動系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：

該方法通過過零點檢測算法實現(xiàn)頻率的快速跟蹤，通過傅氏測頻算法實現(xiàn)頻率的準(zhǔn)確測量，能夠適應(yīng)變頻電動機的運行頻率變化特性，差動保護采用基于頻率跟蹤的相量差動和采樣值差動構(gòu)成的雙重判據(jù)作為動作條件，相量差動采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，同時具有采樣值差動抗干擾能力強、不受頻率變化影響的優(yōu)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(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。

圖1為應(yīng)用于高壓變頻系統(tǒng)的電動機差動保護示意圖。

圖2為變頻電動機在25Hz發(fā)生單相故障的電流波形。

圖3為變頻電動機在60Hz發(fā)生單相故障的電流波形。

具體實施方式

為了確保變頻器發(fā)生故障時不影響高壓電動機的運行，變頻改造基本采用變頻器加工頻旁路的結(jié)構(gòu)。圖1所示，高壓變頻系統(tǒng)主要包括移相變壓器、變頻器、旁路柜三部分，其中移相變壓器起到系統(tǒng)隔離的作用，變頻器將工頻電源變換成另一頻率的電源，旁路柜用于變頻/工頻運行方式的切換。電動機工頻運行時，旁路開關(guān)GD3閉合，GD1、GD2斷開；變頻運行時，旁路開關(guān)GD3斷開，GD1、GD2閉合?？紤]電動機工頻運行時，進線開關(guān)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采集的電流構(gòu)成差動保護。

本發(fā)明將電動機機端和中性點采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(diào)整采樣頻率，保證每個周波采樣點數(shù)不變。為消除諧波及直流分量的影響，待電動機以穩(wěn)定的頻率運行后，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(zhǔn)確測得實際頻率。

相量差動采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(cè)電流的差動電流和制動電流，再根據(jù)一定比率制動特性判據(jù)判斷是否滿足動作條件；采樣值差動直接對同一時刻電動機機端和中性點電流的采樣值進行差動判別，如果連續(xù)的R點中有S點滿足采樣值差動判據(jù)，則采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征是：快速準(zhǔn)確的頻率跟蹤算法使得差動保護能夠適應(yīng)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；相量差動采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(yōu)點，采樣值差動不受頻率變化影響且抗干擾能力強，將兩者相結(jié)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，對采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(fā)生單相故障的電流波形，故障發(fā)生約45ms后，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(jié)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(fā)明的技術(shù)方案，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)方案進行等同替換或等效變換，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。