一种新型的变频电动机差动保护方法与流程

1.本发明涉及电力系统继电保护领域，特别是涉及一种新型的变频电动机差动保护方法。


背景技术：

2.对于发电厂而言，厂用电率是考核其运行水平的一个关键指标，一般的火电厂厂用电率在5％左右，在保证机组运行安全可靠的前提下，降低厂用电率进而减少发电成本，提高在上网时价格的竞争力，这成为各发电企业努力追求目标之一。对电机进行变频拖动，是降低厂用电率非常有效的手段，基于变频调速的优点，目前越来越多的电厂开始对高压电动机进行变频调速技术的改造，国内新建300mw及以上机组，均不同程度的采用高压变频装置(如凝结水泵、三大风机、给水泵等)，具有普遍性。高压变频调速系统的继电保护是保障其设备安全可靠运行的基石，迄今为止，该保护功能都相对薄弱，其主要针对的是对电力电子器件的保护，对高压电动机而言该保护难以满足实际运行要求。
3.目前变频拖动高压电动机都采用电流速断保护作为电动机的主保护，这对于高压电机保护来说灵敏度不够的，也不符合国家继电保护规程的规定。因此，在采用变频器拖动高压电动机后，对高压电动机的差动保护的研究应用，具有重要的现实意义及广阔的应用前景。
4.《火力发电厂厂用电设计技术规定》规定，2mw及以上的电动机应装设电动机差动保护保护。对于2mw以下中性点具有分相引线的电动机，当电流速断保护灵敏性不够时，也应装设电动机差动保护保护。
5.目前的变频电动机传统差动保护解决方案存在的问题：(1)、现场使用的保护装置，采集了开关柜ct和电动机中性点处ct的电流，在工频运行时，保护装置差动保护工作正常，当电动机的运行方式转换为变频运行方式时，断路器侧ct是50hz的电流，而电机侧ct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50hz的交流电流基础上，由于电机侧的ct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，所以此时电厂采用的方法是将差动保护的压板退出，投入原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的规定。(2)、高压电动机在变频工况下无可靠的后备保护。高压变频调速系统的等效阻抗发生很大的变化。由于变频器的交直交环节中直流隔离作用。使综合保护的范围缩小到变频器前的交流部分。变频器输出电缆及电动机基本处于无保护状态，只能依赖变频器内的保护。而高压变频器配置的保护是针对变频器功率元器件。而不是电动机，无法保证在任何情况下都能反应电动机的各种故障。况且其定值及其特性在现场无法校核检验。(3)、常规配置的t a存在低频饱和现象。传统的电磁式ta是利用电磁感应原理通过铁心耦合实现一、二次电流变换，由于铁心具有磁饱和特性，不适合在宽频工况下运行，特别是在低频工况下非常容易饱和，从而影响保护装置动作的正确性。
6.磁衡式差动保护在实际应用中存在很大的局限性：(1)、由于磁平衡电流互感器装设的特点，使得磁平衡式差动保护针对的只是电机内部故障，而对于电动机的电源线路，不在磁平衡差动保护的范围之内，需要对其装设单独的线路保护。(2)、由于磁平衡电流互感器安装于电动机本体，如果保护装置距离电动机较远，则二次电缆会比较长，在这种情况下如果磁平衡电流互感器的容量选择的又比较小，就有可能出现电流互感器二次负载不匹配的情况，进而发生保护拒动的情况。(3)、因磁平衡式电流互感器的结构特点(穿芯式结构)，安装在电动机本体上时，必须采用一个主接线盒，又由于受到电气间隙的限制，主接线盒不能做得过小。因此，对于中心高较低的电动机没办法装设磁平衡式互感器，进而无法采取磁平衡式差动保护。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种新型的变频电动机差动保护方法，以解决现有变频电动的保护范围小、无法自动判断电动机工作状态的问题
8.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.一种新型的变频电动机差动保护方法，包括以下步骤：
10.步骤一：采集模拟量：在高压开关口和电动机中性点之间设置多个采样点，分别采集所述电动机三相工频电压、三相工频电流、三相变频电压和三相变频电流；
11.步骤二：对所述步骤一中的所述模拟量采用信号处理算法，分别对所述三相工频电压和所述三相工频电流进行正交变换，得到工频侧瞬时有功；对所述三相变频电压和所述三相变频电流进行正交变换，得到变频侧瞬时有功；
12.步骤三：判断所述电动机在变频工作工况下和工频工作工况下是否有差动保护：
13.当旁路开打开时，电动机保护处于瞬时有功功率差动保护模式，对工频侧瞬时有功、变频侧瞬时有功，进行瞬时有功功率差动元件，条件成立，输出为真，当所述条件为真和旁路开打开条件成立时，保护出口跳闸，并输出变频差动动作信号；
14.当旁路开闭合时，将三相工频电流和三相变频电流分别进行相电流差动元件保护计算，至少一个差动元件动作时，条件为真，当所述条件为真、旁路开闭合条件、及ct不断线条件成立时，保护出口跳闸，并输出工频差动动作信号。
15.优选地，所述三相工频电压通过设置于母线的电压互感器采集，分别为u
a工频
、u
b工频
和u
c工频
；所述三相工频电流通过设置于电动机高压开出口的电流传感器采集，分别为i
a工频
、i
b工频
和i
c工频
；所述三相变频电压通过变频器设置宽频电压传感器采集，分别为u
a变频
、u
b变频
和u
c变频
；所述三相变频电流通过设置于电动机中性点的宽频电流传感器采集，分别为i
a变频
、i
b变频
和i
c变频
。
16.优选地，对所述三相工频电压u
a工频
、u
b工频
和u
c工频
进行正交变换：得到α、β两相瞬时电压u
α工频
、u
β工频
；
17.对所述三相工频电流i
a工频
、i
b工频
和i
c工频
进行正交变换：得到α、β两相瞬时电流i
α工频
、i
β工频
。
18.优选地，所述α、β两相瞬时电流i
α工频
、i
β工频
和所述α、β两相瞬时电压u
α工频
、u
β工频
正交变换：得到工频瞬时有功p
工频
、瞬时无功q
工频
。
19.优选地，对所述三相变频电压u
a变频
、u
b变频
和u
c变频
进行正交变换：得到变频侧α、β两相瞬时电压得到变频侧α、β两相瞬时电压
20.对所述三相变频电流i
a变频
、i
b变频
和i
c变频
进行正交变换：得到得到变频侧α、β两相瞬时电流i
α变频
、i
β变频
。
21.优选地，所述α、β两相瞬时电流i
α变频
、i
β变频
和α、β两相瞬时电压和α、β两相瞬时电压正交变换：得到变频侧瞬时有功p
变频
、瞬时无功q
变频
。
22.优选地，所述电动机在变频工作工况下的瞬时有功差动保护动作方程为：其中，p
启动值
为用户设置的最小瞬时有功动作值，p
差值
为工频侧和变频侧的瞬时有功功率差值，p
差值
＝|p
工频侧-p
变频侧
|；p
工频侧
为开关出口处瞬时有功功率，p
变频侧
为电机中性点瞬时有功，p
制动
为制动瞬时有功制动量，p
制动
＝|p
工频侧
+p
变频侧
|/2；p
拐点
为拐点值；k
斜率
为动作曲线的斜率。
23.优选地，所述电动机在工频工作工况下的电流差动保护元件动作方程为：其中，i
启动值
为用户设置的最小电流动作值，i
差值
为工频侧和变频侧的电流差值，为开关出口电流值，为电机中性点测量的电流有效值；i
制动
为电流制动量，i
拐点
为拐点值；k
斜率
为动作曲线的斜率。
24.优选地，所述p
启动值
为电动机额定瞬时功率的0.1倍，k
斜率
为0.5，p
拐点
为电机额定瞬时功率的0.7～1倍。
25.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
26.上述技术方案中所提供新型的变频电动机差动保护方法，将变频电动机的保护范围为出线断路器到电机中性点，且根据旁路开关的辅助节点，可以自动判断电动机的工作状态，自动切换保护，进提高变频器电动继电保护的可靠性和安全性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例提供的新型的变频电动机差动保护动作逻辑框图。
29.图2为本发明实施例提供的电动机变频工作工况下的瞬时有功差动保护动作曲线。
30.图3为本发明实施例提供的电动机工频工作工况下的电流差动保护动作曲线。
31.图4为本发明实施例提供的模拟量采集方式示意图。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.本发明实施例提供了一种新型的变频电动机差动保护方法，如附图1所示，当旁路开打开时，电动机保护处于瞬时有功功率差动保护模式，新型的变频电动机差动保护方法包括以下步骤：
36.步骤一、采集模拟量，模拟量包括：
37.三相工频电压u
a工频
、u
b工频
和u
c工频
；
38.三相工频电流i
a工频
、i
b工频
和i
c工频
；
39.三相变频电压u
a变频
、u
b变频
和u
c变频
；
40.三相变频电流i
a变频
、i
b变频
和i
c变频
；
41.其中，三相工频电压通过设置于母线的电压互感器采集，三相工频电流通过设置于电动机高压开出口的电流传感器采集，三相变频电压通过变频器设置宽频电压传感器采
集，三相变频电流通过设置于电动机中性点的宽频电流传感器采集。
42.步骤二、对三相工频电压u
a工频
、u
b工频
和u
c工频
进行正交变换：得到α、β两相瞬时电压u
α工频
、u
β工频
；
43.对三相工频电流i
a工频
、i
b工频
和i
c工频
进行正交变换：得到α、β两相瞬时电流i
α工频
、i
β工频
；
44.所述α、β两相瞬时电流i
α工频
、i
β工频
和所述α、β两相瞬时电压u
α工频
、u
β工频
正交变换：得到工频瞬时有功p
工频
、瞬时无功q
工频
。
45.步骤三、对所述三相变频电压u
a变频
、u
b变频
和u
c变频
进行正交变换：得到变频侧α、β两相瞬时电压得到变频侧α、β两相瞬时电压
46.对所述三相变频电流i
a变频
、i
b变频
和i
c变频
进行正交变换：得到得到变频侧α、β两相瞬时电流i
α变频
、i
β变频
47.所述α、β两相瞬时电流i
α变频
、i
β变频
和α、β两相瞬时电压正交变换：得到变频侧瞬时有功p
变频
、瞬时无功q
变频
。
48.步骤三、对工频侧瞬时有功p
工频
、变频侧瞬时有功p
变频
进行瞬时有功功率差动元件计算，在变频工作工况下的瞬时有功差动保护动作方程为：
其中，p
启动值
为用户设置的最小瞬时有功动作值，p
差值
为工频侧和变频侧的瞬时有功功率差值，p
工频侧
为开关出口处瞬时有功功率，p
变频侧
为电机中性点瞬时有功，p
差值
＝|p
工频侧-p
变频侧
|；p
制动
为制动瞬时有功制动量，p
制动
＝|p
工频侧
+p
变频侧
|/2；p
拐点
为拐点值；k
斜率
为动作曲线的斜率。
49.其中，p
启动值
为电动机额定瞬时功率的0.1倍，k
斜率
为0.5，p
拐点
为电机额定瞬时功率的0.7～1倍。
50.上述条件成立，输出为真。
51.当输出为真、旁路开打开条件成立时，保护出口跳闸，并输出变频差动动作信号。
52.如附图1所示，当旁路开闭合时，电动机保护处于电流差动保护模式，新型的变频电动机差动保护方法包括以下步骤：
53.步骤一、采集模拟量，模拟量包括：
54.三相工频电压u
a工频
、u
b工频
和u
c工频
；
55.三相工频电流i
a工频
、i
b工频
和i
c工频
；
56.三相变频电压u
a变频
、u
b变频
和u
c变频
；
57.三相变频电流i
a变频
、i
b变频
和i
c变频
；
58.其中，三相工频电压通过设置于母线的电压互感器采集，三相工频电流通过设置于电动机高压开出口的电流传感器采集，三相变频电压通过变频器设置宽频电压传感器采集，三相变频电流通过设置于电动机中性点的宽频电流传感器采集。
59.步骤二、对三相工频电流i
a工频
、i
b工频
和i
c工频
进行正交变换：得到α、β两相瞬时电流i
α工频
、i
β工频
；
60.对所述三相变频电流i
a变频
、i
b变频
和i
c变频
进行正交变换：得到得到变频侧α、β两相瞬时电流i
α变频
、i
β变频
；
61.所述电动机在工频工作工况下的电流差动保护元件动作方程为：其中，i
启动值
为用户设置的最小电流动作值，i
差值
为工频侧和变频侧的电流差值，为开关出口电流
值，为电机中性点测量的电流有效值；i
制动
为电流制动量，i
拐点
为拐点值；k
斜率
为动作曲线的斜率。
62.其中，i
拐点
为拐点值，用户可以自己设置本参数；k
斜率
为动作曲线的斜率，用户用户可以自己设置本参数，k
斜率
通常为0.5。
63.等至少一个差动元件动作时，输出为真。
64.当输出为真，当旁路开闭合条件、及ct不断线条件成立时，保护出口跳闸，并输出工频差动动作信号。
65.上述技术方案的变频电动机的保护范围为出线断路器到电机中性点，且根据旁路开关的辅助节点，可以自动判断电动机的工作状态，自动切换保护，进提高变频器电动继电保护的可靠性和安全性。
66.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。