CN101976820A - 变频电动机保护采样信号处理方法 - Google Patents

Abstract

变频电动机保护装置采样信号的处理方法，在电动机和母线相连接的进线侧安装第一组CT，在电动机机端安装第二组CT，在电动机中性点安装第三组CT；将所述三组CT接入一台变频电动机保护装置或着将第一组CT和第三组CT接一台普通保护装置，将第二组CT和第三组CT接入一台变频电动机保护装置；在电动机变频运行时，第二组CT和第三组CT的采样电流构成差动保护；变频电动机保护装置将采集到的电流信号利用傅氏算法的正交性进行滤波，消除直流分量和各高次谐波分量的影响，采用实时频率跟踪方法，调整采样中断时间，保证每个周波采样点数固定，然后计算得到变频下相关模拟量的稳态幅值。本发明提高了采样的稳定性和准确性。

Description

变频电动机保护采样信号处理方法

技术领域

本发明涉及在电厂、石化、钢铁等领域中高频电动机保护装置的采样信号处理方法，和采用本方法的保护装置。

背景技术

基于电力电子技术和现代控制通信技术实现的变频技术，其基本原理是把50Hz频率的工频电源整流成直流，再斩波还原成交流，还原后的交流电源频率根据流体流量调节的需要进行调节，即通过变频技术调节电动机转速，使电动机功率做到“按需分配”，进而实现流体流量高效调节，从而达到提高效率、节能降耗的目的。同时，电动机进行变频改造后还可大幅度降低电动机启动电流，从而达到改善电动机运行环境的目的。因此，基于以上优点，目前越来越多的工矿企业在进行高压电动机变频调速技术的改造。

目前现场电机改为变频器方式采用的改造方式多为工变频互切方式，系统架构如图1所示：

当变频器出现故障或者工况要求进入工频供电时，变频器通过PLC自动完成或手动完成变频状态到工频状态的切换；同理，在工频运行时，需要重新投入变频时也可自动或手动完成工频状态到变频状态的切换。

当电动机处于工频运行工况时，常规电动机保护能够满足现场使用要求。当电动机处于变频运行工况时，由于附加了变频器装置，变频器的输入和输出电流在频率、相位以及相角都没有必然的联系，因此，对于使用变频器的电动机来说，不应将变频器纳入差动保护的范围，应只单独保护电动机，差动保护范围为始端电流互感器应置于变频器的输出端，而非电源开关侧，末端电流互感器置于电动机的中性点侧。

电动机在变频工况运行时，变频器输出频率范围一般可以达到0.5Hz～120Hz，现场实际调频运行范围一般在15Hz～50Hz，运行范围一般在20Hz～35Hz附近。而目前常用的微机保护装置均是根据行业标准微机保护通用技术条件设计的，即采用固定频率50Hz采样进行数字采样计算，不能满足加装变频器后的电动机微机保护要求，现场迫于技术问题只能采用传统继电器方式(方式复杂且无法实现自动化功能)或干脆放弃差动保护，这对电动机本身的安全运行产生了较大的影响。因此，现场应用对电动机微机保护装置提出了更高的要求。要求电动机微机保护装置可以实现当电动机加装变频器后的电动机保护功能。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能适用于现场采用高压变频器后的电动机差动及后备保护配置方法，以及一种能保证采样稳定性和准确性的采样信号处理方法，用于变频电动机保护装置。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：在电动机和母线相连接的进线侧安装第一组CT(电流互感器)，在电动机机端安装第二组CT，在电动机中性点安装第三组CT；将所述三组CT接入一台变频电动机保护装置或着将第一组CT和第三组CT接一台普通保护装置，将第二组CT和第三组CT接入一台变频电动机保护装置；在电动机变频运行时，第二组CT和第三组CT的采样电流构成差动保护；在变频器退出、电动机工频运行时，第一组CT和第三组CT采样电流构成差动保护，其特征是：变频电动机保护装置将采集到的电流信号利用傅氏算法的正交性进行滤波，消除直流分量和各高次谐波分量的影响，采用实时频率跟踪方法，调整采样中断时间，保证每个周波采样点数固定，然后计算得到变频下相关模拟量的稳态幅值。

其中，第二组CT可以是磁平衡CT，直接反映电动机中性点和机端的差流，在电动机进线的中性点安装第三组CT；在电动机变频运行时，第二组的采样电流构成差动保护；在变频器退出、电动机工频运行时，第一组CT和第三组CT采样电流构成差动保护。

磁平衡CT差动保护是电动机机端和中性点侧的同名相穿过同一个CT，利用磁势平衡原理实现差动保护；电流平衡的电动机纵联差动保护容易受到机端CT和中性点侧CT传变特性不一致，或两侧CT二次电缆长度相差很大而产生的不平衡电流，有可能会造成保护误动。而磁平衡差动利用一次励磁安匝平衡原理，可以彻底消除电动机白启动和外部故障短路暂态过程中电流差动保护的误动作。

变频电动机保护装置设有保护CT和专用测量CT，所述两个CT内部串联同时采集输入的电流信号；当电流较小时保护装置采用专用CT的测量信号进行测频，当电流较大情况下保护装置自动切换到保护CT的测量信号测频。如图4所示，给出一种CT串联方法：保护CT的A相回路和专用测量CT的A相回路串联，保护CT的C相回路和专用测量CT的C相回路串联。

其中，考虑到谐波分量和其他非周期分量的影响，变频电动机保护装置对安装在电动机机端的第二组CT采集到的机端电流信号利用傅氏算法的正交性先进行滤波，以消除直流分量和各高次谐波分量的影响。

其中，测频方法采用过零点测频算法和傅氏测频算法相结合的方式：初始采样频率则是通过过零点测频算法得到，然后采用傅氏测频算法通过初始采样频率进行迭代收敛后即可得到当前频率值；所述过零点算法即判断当采样点值大于等于零，而前一个采样点值小于零时作为一个过零点记下当前计数器值，等下一个周波检测到另一个过零点时通过计数器值可以得到实际波形的频率。

傅氏测频算法表达如下：

假设某信号x(t)表示为：

x(t)＝x_msin(α+2πft)

设当前时刻对应的相角为th1，幅值为u1，2点前采样时刻对应的相角为th2，幅值为u2，则

$\sin (\mathrm{th}2-\mathrm{th}1)$

$=\frac{u2\sin \left(\mathrm{th}2\right)u1\cos \left(\mathrm{th}1\right)-u2\cos \left(\mathrm{th}2\right)u1\sin \left(\mathrm{th}1\right)}{u1u2}$

其中：ulsin(th1)、ulcos(th1)、u2sin(th2)、u2cos(th2)分别对应其离散傅里叶瞬时值；当相角差较小时，sin(th2-th1)＝th2-th1，而th2-th1即相角差对应的频差，因此，通过初始采样频率进行迭代收敛后即可得到当前频率值。本发明的有益效果是：装置将采集到的电流信号进行傅氏滤波，消除了直流分量和各高次谐波分量的影响。采用保护CT和专用测量CT相结合的电流测频，频率测量采用了软件过零点测频算法和傅氏测频算法相结合的方式。同时，装置进行实时测频和实时频率跟踪后，充分考虑到CT的幅频特性，采用了幅值自动补偿功能，大大提高了采样的稳定性和准确性，从而实现了变频电动机的差动及后备保护功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为高压变频器系统架构图

图2为本发明实施方式一的电动及保护配置图

图3为本发明实施方式二的电动机保护配置图

图4为保护装置内的一种CT接线型式

图5为CT幅频特性图示意图

具体实施方式

目前现场电机改为变频器方式采用的改造方式多为工变频互切方式，运行方式如图2所示，即当变频器出现故障或者工况要求进入工频供电时，变频器通过PLC自动完成或手动完成变频状态到工频状态的切换；同理，在工频运行时，需要重新投入变频时也可自动或手动完成工频状态到变频状态的切换。出线断路器之间设计闭锁，确保不会出现变频回路与工频回路同时闭合。工频运行时电动机差动及后备保护只需要在CT1和CT3之间实现，经过变频改造后，本发明需要在变频器的末端即电动机的机端处安装CT2。

根据现场高压电动机装设CT的情况，通常有两种差动保护配置方案。第一种是常规的两侧差动保护，图2所示：进线侧安装第一组CT，即CT1，电动机机端和中性点各装一组CT，即CT2和CT3。电动机变频运行时，旁路开关K3断开，K1、K2闭合，差动保护装置采用CT2与CT3构成采样值差动保护，CT1提供过流速断等保护功能；当变频器退出、电动机工频运行时，旁路开关K3闭合，K1、K2断开，差动保护装置采用CT1与CT3构成差动保护，差动保护范围扩大。M是电机，变频器是CONVERTER

其中，保护装置内设有保护CT和专用测量CT，两个CT输入端并联且内部串联同时采集输入的电流信号，比如：如图4所示的保护CT的A相回路和专用测量CT的A相回路串联，保护CT的C相回路和专用测量CT的C相回路串联。装置所选专用测量CT对0.05～3倍额定电流有较高的精度，同时该CT能在20倍额定电流下不烧毁，当电流较小时保护装置采用专用CT的测量信号进行测频，当电流较大情况下保护装置自动切换到保护CT的测量信号测频，从而大大提高了测频精度。

第二种是磁平衡式差动保护，如图3所示：进线侧安装一组CT，即CT1，电动机机端装设一组磁平衡式CT即CT2，电动机机端电缆与中性点引出电缆安装的CT即CT3一进一出同时穿过磁平衡式CT。磁平衡式CT2直接反应差流，它构成的过流保护就是差动保护。如果有条件在电动机中性点处装设一组CT。则当变频器退出、旁路线路接入时，CT1与CT3可构成差动保护，差动保护范围扩大。

本发明将电动机机端和中性点侧CT分别接入微机保护装置，装置将采集到的机端电流信号进行傅氏滤波，消除直流分量和各高次谐波分量的影响。为了得到变频率下的稳态值，通过实时测量系统频率，采用实时频率跟踪技术，调整每个采样中断时间，保证每个周波24点采样，然后采用全周傅氏算法和幅值自动补偿方式得到变频率下相关状态量的幅值，从而实现变频电动机差动和后备保护功能。

傅氏测频算法：

假设某信号x(t)表示为：

x(t)＝x_msin(α+2πft)

设当前时刻对应的相角为th1，幅值为u1，2个采样点前一采样时刻对应的相角为th2，幅值为u2，则

$\sin (\mathrm{th}2-\mathrm{th}1)$

$=\frac{u2\sin \left(\mathrm{th}2\right)u1\cos \left(\mathrm{th}1\right)-u2\cos \left(\mathrm{th}2\right)u1\sin \left(\mathrm{th}1\right)}{u1u2}$

其中：u1sin(th1)、u1cos(th1)、u2sin(th2)、u2cos(th2)分别对应其离散傅里叶瞬时值；当相角差较小时，sin(th2-th1)＝th2-th1，而th2-th1即相角差对应的频差，因此，通过初始采样频率进行迭代收敛后即可得到当前频率值。为防止频率大幅度的突变的情况下迭代跟踪时间较长，初始采样频率则是通过过零点测频算法得到，从而加快了收敛和跟踪速度。

在装置进行实时测频和实时频率跟踪后，对不同频率的采样信号幅频特性进行测试和仿真，得到相应的幅频特性曲线，如图5示，然后再根据幅频特性曲线对信号进行实时还原修正，采用全周傅氏算法计算出此频率下的电流和差流幅值。

对装置用博电PW40A(一种继电保护测试仪)对变频机保护装置进行了一些测试，采样测试和差动速断保护测试部分结果供参考，如下表所示：

通过以上数据可以看出，针对变频电动机的保护装置具有较好的采样精度和动作速率，能够满足现场电动机保护的要求。

Claims (8)

1.变频电动机保护装置采样信号的处理方法，在电动机和母线相连接的进线侧安装第一组CT(电流互感器)，在电动机机端安装第二组CT，在电动机中性点安装第三组CT；将所述三组CT接入一台变频电动机保护装置或着将第一组CT和第三组CT接一台普通保护装置，将第二组CT和第三组CT接入一台变频电动机保护装置；在电动机变频运行时，第二组CT和第三组CT的采样电流构成差动保护；在变频器退出、电动机工频运行时，第一组CT和第三组CT采样电流构成差动保护，其特征是：变频电动机保护装置将采集到的电流信号利用傅氏算法的正交性进行滤波，消除直流分量和各高次谐波分量的影响，采用实时频率跟踪方法，调整采样中断时间，保证每个周波采样点数固定，然后计算得到变频下相关模拟量的稳态幅值。

2.如据权利要求1所述的变频电动机保护装置采样信号的处理方法，其特征是所述第二组CT可以是磁平衡CT，直接反映电动机中性点和机端的差流，在电动机进线的中性点安装第三组CT；在电动机变频运行时，第二组的采样电流构成差动保护；在变频器退出、电动机工频运行时，第一组CT和第三组CT采样电流构成差动保护。

3.如权利要求1所述的变频电动机保护装置采样信号的处理方法，其特征是：变频电动机保护装置设有保护CT和专用测量CT，所述两个CT内部串联同时采集输入的电流信号；当电流较小时保护装置采用专用CT的测量信号进行测频，当电流较大情况下保护装置自动切换到保护CT的测量信号测频。

4.如权利要求3所述的变频电动机保护装置采样信号的处理方法，其特征是：保护CT的A相回路和专用测量CT的A相回路串联，保护CT的C相回路和专用测量CT的C相回路串联。

5.根据权利要求1所述的变频电动机保护装置采样信号据的处理方法，其特征是考虑到谐波分量和其他非周期分量的影响，变频电动机保护装置对安装在电动机机端的第二组CT采集到的机端电流信号利用傅氏算法的正交性先进行滤波，以消除直流分量和各高次谐波分量的影响。

6.如权利要求1所述的变频电动机保护装置采样信号的处理方法，其特征是：采用过零点测频算法和傅氏测频算法相结合的方式，初始采样频率则是通过过零点测频算法得到，然后采用傅氏测频算法通过初始采样频率进行迭代收敛后即可得到当前频率值。

7.根据权利要求6所述的变频电动机保护装置采样信号的处理方法，其特征是采用过零点测频算法和傅氏测频算法相结合的方式：初始采样频率则是通过过零点测频算法得到，然后采用傅氏测频算法通过初始采样频率进行迭代收敛后即可得到当前频率值；所述过零点算法即判断当采样点值大于等于零，而前一个采样点值小于零时作为一个过零点记下当前计数器值，等下一个周波检测到另一个过零点时通过计数器值可以得到实际波形的频率。

8.如权利要求7所述的变频电动机保护装置采样信号的处理方法，其特征是：傅氏测频算法表达如下：

假设某信号x(t)表示为：

x(t)＝x_msin(α+2πft)

设当前时刻对应的相角为th1，幅值为u1，2点前采样时刻对应的相角为th2，幅值为u2，则

$\sin (\mathrm{th}2-\mathrm{th}1)$

$=\frac{u2\sin \left(\mathrm{th}2\right)u1\cos \left(\mathrm{th}1\right)-u2\cos \left(\mathrm{th}2\right)u1\sin \left(\mathrm{th}1\right)}{u1u2}$

其中：u1sin(th1)、u1cos(th1)、u2sin(th2)、u2cos(th2)分别对应其离散傅里叶瞬时值；当相角差较小时，sin(th2-th1)＝th2-th1，而th2-th1即相角差对应的频差，通过初始采样频率进行迭代收敛后即可得到当前频率值。

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