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【摘 要】目前，国内外的大型电动机进行变频改造后，变频运行工况对电动机的本体绝缘带来了一些问题，导致电动机的绝缘过早被破坏；同时电动机的变频运行也影响到其保护功能的设置，一般都取消了差动保护，而改装灵敏度较差的电流速断保护，这对于高压电机保护来说是不够的，也不符合国家继电保护规程的规定；为解决现存保护功能方面缺失的问题，四方公司CSC236D/B变频电动机保护装置，其包含变频差动保护和变频后备保护，从而给予变频运行电动机完善的保护。
【关键词】变频器；绝缘；变频电动机保护装置；差动保护；后备保护
0.引言
据相关资料统计，截止2007年底，我国的各类电动机的装机容量约为5.8亿千瓦，而高压电动机的总装机容量在2.9亿千瓦左右，其中70%左右是拖动风机、泵类的电动机，装机容量在2.03亿千瓦，这些电动机大都由6kV驱动，它们大多工作在高能耗、低效率状态。在我国火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85%左右，例如引风机、送风机、循环水泵等，尤其是风机的裕量明显过大，如果采用挡板调节，即使在机组满负荷输出的挡板开度也较小。如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果，一般可节电20%～50%。
美国电力研究院早在1981就开始研究电力电子调速传动在电厂大型异步电动机上的应用，并在风机和泵类负载大型异步电动机进行变频调速现场试验，对大型变频调速装置的经济性和运行可靠性得出肯定的结论。目前我国大型异步电动机应用变频调速还刚刚起步，但国外已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。
目前，进行变频控制改造后，国内外的大型电动机进行变频改造后，变频运行工况对电动机的本体绝缘带来了一些问题，导致电动机的绝缘过早被破坏；同时，由于高压电动机可以进行宽范围的频率调速，给原有的高压电动机保护配置带来了影响。尤其对作为大容量高压电机主保护的纵联差动保护影响最大，同时也缩小了原装设于高压开关柜上的电动机综保保护装置的保护范围，不能为变频电动机提供必要的保护。
本文，会简单分析变频运行工况下，电动机绝缘特别是匝间绝缘过早破坏的问题，同时指出现阶段电动机保护方面存在的问题，重点建议增设变频差动保护和变频后备保护，以及配套使用宽频低频CT，从而给予变频运行的电动机完善而可靠的保护。
1.变频电源给电动机的绝缘带来危害
国内外，大批变频调速电机绝缘过早破坏的现象不断出现，有些变频电机的寿命只有1到2年，甚至有些在试运行期间电机绝缘就被击穿破坏，而且击穿通常发生在匝间绝缘。虽然，针对此问题，业内采取了一些应对措施，但是并不能说变频技术的使用对电动机本体的绝缘影响就可以减缓或者忽略。变频器没有影响到电动机的短期绝缘性能，但是显著的降低了电动机的寿命[1]，对于电动机而言，每年大约承受3000亿次脉动电压的冲击。
研究当前国内电厂所进行的电动机变频改造项目，发现基本是在普通电动机上进行，而现用的电动机大都是老系列产品，绝缘水平很差，当把这些电动机改用逆变器控制做变速电动机使用时，在绝缘可靠性方面就会产生很大的问题，这一点需要正视和重视。在笔者和很多电厂用户的交流中发现，很多技术人员觉得变频运行的电动机，处于低电压、小电流环境中，故障发生几率会大大降低，其实是不合适的，电力逆变技术的应用给电气绝缘技术带来了新问题，需要更多的认识和研究。
正是如此，所以在条件允许的情况下，应该使用专用的变频电动机，另外，同时必须完善电动机在变频运行工况下的保护功能，来更多的避免变频电源对普通电动机绝缘造成的破坏。
1.1 SPWM变频器对电动机的绝缘影响
SPWM 波形上升时间非常短，一般为50ns～0.1μs ，脉冲电压在电机线圈中的分布非常不均匀，在电动机绕组的首端几匝绕组上承担了约75%-80%[2]的过电压幅值，这样首匝绕组承受的匝间电压过高，甚至超过平均匝间电压10倍以上，再加上电机端子上约2倍的过冲电压，将会引起电动机内部匝间局部放电，从而导致绝缘性能变坏使得寿命变短。
图1 冲击电压在电动机线圈上的分布[3]
具有急陡前沿脉冲的电压波施加在交流电动机绕组上时，其电压分布与施加普通工频电压不同，这时电动机绕组的各个线圈上所分布的电压是不均匀的，越是靠近电源侧的线圈，其所分布的电压值越高。
1.2变频器到电动机连接电缆的长度形成的过冲电压
脉冲波在电缆中的传播脉冲波进入电缆后沿电缆传播，当遇到波阻抗不相等时就会产生反射与透射。如电缆与电动机相连时，电动机为感性阻抗，其波阻抗远大于电缆的波阻抗，因此脉冲波在电动机端会产生反射与透射[2]。
由于电动机与电缆的阻抗不匹配而产生折射和反射，反射波和折射波使电动机端子上的电压产生了振荡过电压，此过电压有时是50Hz 电压的2倍之多，过冲电压的出现将会引起电动机内部匝间局部放电，从而导致电动机绝缘的损伤。
1.3温升对电动机绝缘的伤害
变频器输出的SPWM脉冲电压谐波成分丰富，脉冲频率高且上升沿陡直，这种状况与用50Hz的交流正弦波驱动电动机的状况大不相同，在能量转换过程中，电动机内部将不可避免地产生损耗，使电动机的温度升高。当温升超过最高容许工作温度时，电动机的使用寿命将大幅缩短。
对于变频器供电的电动机而言，由于高次谐波的存在，电机内部会产生以下附加损耗：①高次谐波带来的定子和转子附加铜损耗；②高次谐波带来的定子附加铁耗；③高次谐波带来的附加杂散损耗；④三相异步电动机在高频下运行时，集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加。这些高次谐波电压和电流产生的附加损耗，致使电动机温升增大，效率降低，输出功率减小。另一方面，对于普通标准电动机而言，冷却风扇直接安装在转子轴上，转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低频运转时冷却效果大幅下降，更会加剧电动机温升的提高。 2.变频改造对电动机保护的影响
变频装置的应用对于高压电动机的保护产生了很大的影响，尤其对作为大容量高压电机主保护的纵联差动保护影响最大。因为常规差动保护装置是针对不调速的电机而设计的，不能适用于宽范围调速的高压变频电动机[4]，所以目前进行变频改造的高压电机一般都取消了差动保护，而改装灵敏度较差的电流速断保护，这对于高压电机保护来说是不够的，也不符合国家继电保护规程的规定。
我国的继电保护设计规范，对3kV及以上异步电动机的主保护做了如下的规定：当发生电动机绕组及引出线的相间短路时，2MW以下的电动机宜采用电流速断保护作为主保护；2MW及以上的电动机或电流速断保护灵敏系数不满足要求时，应装设纵联差动保护作为主保护[10]。
根据以上的规定，高压电动机以纵联差动保护或者电流速断保护作为主保护，以过负荷保护、低电压保护和单相接地等保护作为后备保护。电流速断保护的特点是快速可靠、简单经济，但整定值要躲开电动机的启动电流，而且如果高压变频器带有输入变压器和大容量电容，则电流速断保护还需要躲开变压器的励磁涌流和电容冲击电流，该电流可以达到额定电流7倍，导致速断保护的灵敏度低[5] [6]。纵联差动保护的特点是灵敏度高，它的整定只需要躲开启动时因为两侧电流互感器不一致而产生的不平衡电流。
高压变频改造的影响对于电流差动影响最大，其主要原因是变频器的工作频率范围很宽泛，在低频情况下容易引起常规CT饱和，电流测量值偏差较大。同时常规的电动机差动保护是按照工频50Hz设计的，不能适用于宽频率工作范围。在此情况下，传统的电流差动保护不得不退出运行，而改用灵敏度较差的电流速断保护作为变频电动机的主保护。
基于变频电源对普通电动机主绝缘和匝间绝缘的危害很大[7] [8]，所以给变频运行下的保护装置提出了更多的技术要求，需要更完善可靠的电动机保护，在差动主保护设置的前提下，还应该考虑匝间绝缘故障的逻辑判断，比如设置变频电动机的匝间保护。
3.保护功能设置
3.1差动保护
图2 电动机工频及变频工况下保护配置图
为了保证内部故障时差动保护灵敏动作，同时防止外部故障时及电动机起动时暂态不平衡电流引起的误动，北京四方公司CSC236D/B变频电动机保护装置，包含变频差动保护和变频后备保护，从而给予变频运行电动机完善的保护。
同时，专门研发设计适用于变频电动机的宽频率范围的CT，此 CT在宽范围都有良好的线性度，完全满足变频电动机保护采样的需要[9]。
3.2后备保护
为了变频运行时，有相应的后备保护反映电机的各种异常运行状态，需要设置有速断过流、过流保护和负序保护功能，用于检测电机的堵转、匝间等故障。
后备保护实时检测变频电动机运行频率，并计算对应的电流有效值，判别电机状态。当电机工频启动时，对应的保护功能退出，此时考虑采用电机原综保装置来完成后备保护。
当电动机在变频方式运行时，如果发生匝间故障，故障电流水平与发生故障时刻频率的大小有关系，为了提高负序电流保护对匝间故障的灵敏度，设置有多段定值，检测不同频率下的匝间故障。
4.结语
通过以上几方面的研究，我们可以得出如下结论：
1）电力逆变技术的应用给电气绝缘技术带来了新的问题，需要更多的认识和研究。国内外，大批变频调速电机绝缘过早破坏的现象不断出现，有些变频电机的寿命只有1到2年，甚至有些在试运行期间电机绝缘就被击穿破坏，而且击穿通常发生在匝间绝缘；
2）在笔者和一些电厂用户的交流中发现，部分技术人员觉得变频运行的电动机，处于低电压、小电流环境中，故障发生几率会大大降低，觉得没有必要安装变频电动机保护，这其实是不合适的；
3）在条件允许的情况下，现场需要进行变频改造的的电动机，应该使用专用的变频电动机，从电动机本体绝缘及结构等方面给予重视；
4）基于以上分析的研究，必须增设变频电动机保护装置，其包含变频差动保护和变频后备保护，来更好的保护变频运行的电动机。
5）北京四方公司CSC236D/B变频电动机保护装置，包含变频差动保护和变频后备保护，经过现场的实际使用，装置运行良好，可以给予变频运行电动机完善的保护。
参考文献：
[1] 亨都，电动机因经受变频器快速脉冲而产生的匝绝缘老化，绝缘材料通讯，2005，5
[2]于钦学，任文娥，SPWM变频调速电动机线圈局部放电的测量，电工技术学报，2006，21（1）
[3]孙雅玲，冲击电压对高压交流电机定子绕组匝间绝缘的影响，防爆电机，2005，40（122）
[4]张超，张艳艳，黄生睿.大容量变频器对电动机继电保护的影响EJ3，继电器，2007，35（17）
[5]马晋辉，高压变频器工频旁路设计及保护配置整定，继电保护与自动装置，2008，27（13）
[6]张继业，高压变频装置对电动机及继电保护影响的探讨，第二届工业企业节电技术研讨会论文集
[7]陈迎松，变频电源对普通电动机绝缘的危害，漯河职业技术学院学报（综合版），2004，3（2）
[8]孙雅玲，大型交流变频调速同步电机绝缘体系及应用，大电机技术，2003，1
[9] CSC236DB变频电动机保护说明书
[10] SFW继电保护技术规程GB14285-2004（2005，9，26）
作者简介：
张天宇（1971-），男，沈阳电力专科学校毕业，工程师，现任浙江大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司设备部主任工程师，从事部门检修、维护等管理工作。
【关键词】变频器；绝缘；变频电动机保护装置；差动保护；后备保护
0.引言
据相关资料统计，截止2007年底，我国的各类电动机的装机容量约为5.8亿千瓦，而高压电动机的总装机容量在2.9亿千瓦左右，其中70%左右是拖动风机、泵类的电动机，装机容量在2.03亿千瓦，这些电动机大都由6kV驱动，它们大多工作在高能耗、低效率状态。在我国火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85%左右，例如引风机、送风机、循环水泵等，尤其是风机的裕量明显过大，如果采用挡板调节，即使在机组满负荷输出的挡板开度也较小。如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果，一般可节电20%～50%。
美国电力研究院早在1981就开始研究电力电子调速传动在电厂大型异步电动机上的应用，并在风机和泵类负载大型异步电动机进行变频调速现场试验，对大型变频调速装置的经济性和运行可靠性得出肯定的结论。目前我国大型异步电动机应用变频调速还刚刚起步，但国外已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。
目前，进行变频控制改造后，国内外的大型电动机进行变频改造后，变频运行工况对电动机的本体绝缘带来了一些问题，导致电动机的绝缘过早被破坏；同时，由于高压电动机可以进行宽范围的频率调速，给原有的高压电动机保护配置带来了影响。尤其对作为大容量高压电机主保护的纵联差动保护影响最大，同时也缩小了原装设于高压开关柜上的电动机综保保护装置的保护范围，不能为变频电动机提供必要的保护。
本文，会简单分析变频运行工况下，电动机绝缘特别是匝间绝缘过早破坏的问题，同时指出现阶段电动机保护方面存在的问题，重点建议增设变频差动保护和变频后备保护，以及配套使用宽频低频CT，从而给予变频运行的电动机完善而可靠的保护。
1.变频电源给电动机的绝缘带来危害
国内外，大批变频调速电机绝缘过早破坏的现象不断出现，有些变频电机的寿命只有1到2年，甚至有些在试运行期间电机绝缘就被击穿破坏，而且击穿通常发生在匝间绝缘。虽然，针对此问题，业内采取了一些应对措施，但是并不能说变频技术的使用对电动机本体的绝缘影响就可以减缓或者忽略。变频器没有影响到电动机的短期绝缘性能，但是显著的降低了电动机的寿命[1]，对于电动机而言，每年大约承受3000亿次脉动电压的冲击。
研究当前国内电厂所进行的电动机变频改造项目，发现基本是在普通电动机上进行，而现用的电动机大都是老系列产品，绝缘水平很差，当把这些电动机改用逆变器控制做变速电动机使用时，在绝缘可靠性方面就会产生很大的问题，这一点需要正视和重视。在笔者和很多电厂用户的交流中发现，很多技术人员觉得变频运行的电动机，处于低电压、小电流环境中，故障发生几率会大大降低，其实是不合适的，电力逆变技术的应用给电气绝缘技术带来了新问题，需要更多的认识和研究。
正是如此，所以在条件允许的情况下，应该使用专用的变频电动机，另外，同时必须完善电动机在变频运行工况下的保护功能，来更多的避免变频电源对普通电动机绝缘造成的破坏。
1.1 SPWM变频器对电动机的绝缘影响
SPWM 波形上升时间非常短，一般为50ns～0.1μs ，脉冲电压在电机线圈中的分布非常不均匀，在电动机绕组的首端几匝绕组上承担了约75%-80%[2]的过电压幅值，这样首匝绕组承受的匝间电压过高，甚至超过平均匝间电压10倍以上，再加上电机端子上约2倍的过冲电压，将会引起电动机内部匝间局部放电，从而导致绝缘性能变坏使得寿命变短。
图1 冲击电压在电动机线圈上的分布[3]
具有急陡前沿脉冲的电压波施加在交流电动机绕组上时，其电压分布与施加普通工频电压不同，这时电动机绕组的各个线圈上所分布的电压是不均匀的，越是靠近电源侧的线圈，其所分布的电压值越高。
1.2变频器到电动机连接电缆的长度形成的过冲电压
脉冲波在电缆中的传播脉冲波进入电缆后沿电缆传播，当遇到波阻抗不相等时就会产生反射与透射。如电缆与电动机相连时，电动机为感性阻抗，其波阻抗远大于电缆的波阻抗，因此脉冲波在电动机端会产生反射与透射[2]。
由于电动机与电缆的阻抗不匹配而产生折射和反射，反射波和折射波使电动机端子上的电压产生了振荡过电压，此过电压有时是50Hz 电压的2倍之多，过冲电压的出现将会引起电动机内部匝间局部放电，从而导致电动机绝缘的损伤。
1.3温升对电动机绝缘的伤害
变频器输出的SPWM脉冲电压谐波成分丰富，脉冲频率高且上升沿陡直，这种状况与用50Hz的交流正弦波驱动电动机的状况大不相同，在能量转换过程中，电动机内部将不可避免地产生损耗，使电动机的温度升高。当温升超过最高容许工作温度时，电动机的使用寿命将大幅缩短。
对于变频器供电的电动机而言，由于高次谐波的存在，电机内部会产生以下附加损耗：①高次谐波带来的定子和转子附加铜损耗；②高次谐波带来的定子附加铁耗；③高次谐波带来的附加杂散损耗；④三相异步电动机在高频下运行时，集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加。这些高次谐波电压和电流产生的附加损耗，致使电动机温升增大，效率降低，输出功率减小。另一方面，对于普通标准电动机而言，冷却风扇直接安装在转子轴上，转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低频运转时冷却效果大幅下降，更会加剧电动机温升的提高。 2.变频改造对电动机保护的影响
变频装置的应用对于高压电动机的保护产生了很大的影响，尤其对作为大容量高压电机主保护的纵联差动保护影响最大。因为常规差动保护装置是针对不调速的电机而设计的，不能适用于宽范围调速的高压变频电动机[4]，所以目前进行变频改造的高压电机一般都取消了差动保护，而改装灵敏度较差的电流速断保护，这对于高压电机保护来说是不够的，也不符合国家继电保护规程的规定。
我国的继电保护设计规范，对3kV及以上异步电动机的主保护做了如下的规定：当发生电动机绕组及引出线的相间短路时，2MW以下的电动机宜采用电流速断保护作为主保护；2MW及以上的电动机或电流速断保护灵敏系数不满足要求时，应装设纵联差动保护作为主保护[10]。
根据以上的规定，高压电动机以纵联差动保护或者电流速断保护作为主保护，以过负荷保护、低电压保护和单相接地等保护作为后备保护。电流速断保护的特点是快速可靠、简单经济，但整定值要躲开电动机的启动电流，而且如果高压变频器带有输入变压器和大容量电容，则电流速断保护还需要躲开变压器的励磁涌流和电容冲击电流，该电流可以达到额定电流7倍，导致速断保护的灵敏度低[5] [6]。纵联差动保护的特点是灵敏度高，它的整定只需要躲开启动时因为两侧电流互感器不一致而产生的不平衡电流。
高压变频改造的影响对于电流差动影响最大，其主要原因是变频器的工作频率范围很宽泛，在低频情况下容易引起常规CT饱和，电流测量值偏差较大。同时常规的电动机差动保护是按照工频50Hz设计的，不能适用于宽频率工作范围。在此情况下，传统的电流差动保护不得不退出运行，而改用灵敏度较差的电流速断保护作为变频电动机的主保护。
基于变频电源对普通电动机主绝缘和匝间绝缘的危害很大[7] [8]，所以给变频运行下的保护装置提出了更多的技术要求，需要更完善可靠的电动机保护，在差动主保护设置的前提下，还应该考虑匝间绝缘故障的逻辑判断，比如设置变频电动机的匝间保护。
3.保护功能设置
3.1差动保护
图2 电动机工频及变频工况下保护配置图
为了保证内部故障时差动保护灵敏动作，同时防止外部故障时及电动机起动时暂态不平衡电流引起的误动，北京四方公司CSC236D/B变频电动机保护装置，包含变频差动保护和变频后备保护，从而给予变频运行电动机完善的保护。
同时，专门研发设计适用于变频电动机的宽频率范围的CT，此 CT在宽范围都有良好的线性度，完全满足变频电动机保护采样的需要[9]。
3.2后备保护
为了变频运行时，有相应的后备保护反映电机的各种异常运行状态，需要设置有速断过流、过流保护和负序保护功能，用于检测电机的堵转、匝间等故障。
后备保护实时检测变频电动机运行频率，并计算对应的电流有效值，判别电机状态。当电机工频启动时，对应的保护功能退出，此时考虑采用电机原综保装置来完成后备保护。
当电动机在变频方式运行时，如果发生匝间故障，故障电流水平与发生故障时刻频率的大小有关系，为了提高负序电流保护对匝间故障的灵敏度，设置有多段定值，检测不同频率下的匝间故障。
4.结语
通过以上几方面的研究，我们可以得出如下结论：
1）电力逆变技术的应用给电气绝缘技术带来了新的问题，需要更多的认识和研究。国内外，大批变频调速电机绝缘过早破坏的现象不断出现，有些变频电机的寿命只有1到2年，甚至有些在试运行期间电机绝缘就被击穿破坏，而且击穿通常发生在匝间绝缘；
2）在笔者和一些电厂用户的交流中发现，部分技术人员觉得变频运行的电动机，处于低电压、小电流环境中，故障发生几率会大大降低，觉得没有必要安装变频电动机保护，这其实是不合适的；
3）在条件允许的情况下，现场需要进行变频改造的的电动机，应该使用专用的变频电动机，从电动机本体绝缘及结构等方面给予重视；
4）基于以上分析的研究，必须增设变频电动机保护装置，其包含变频差动保护和变频后备保护，来更好的保护变频运行的电动机。
5）北京四方公司CSC236D/B变频电动机保护装置，包含变频差动保护和变频后备保护，经过现场的实际使用，装置运行良好，可以给予变频运行电动机完善的保护。
参考文献：
[1] 亨都，电动机因经受变频器快速脉冲而产生的匝绝缘老化，绝缘材料通讯，2005，5
[2]于钦学，任文娥，SPWM变频调速电动机线圈局部放电的测量，电工技术学报，2006，21（1）
[3]孙雅玲，冲击电压对高压交流电机定子绕组匝间绝缘的影响，防爆电机，2005，40（122）
[4]张超，张艳艳，黄生睿.大容量变频器对电动机继电保护的影响EJ3，继电器，2007，35（17）
[5]马晋辉，高压变频器工频旁路设计及保护配置整定，继电保护与自动装置，2008，27（13）
[6]张继业，高压变频装置对电动机及继电保护影响的探讨，第二届工业企业节电技术研讨会论文集
[7]陈迎松，变频电源对普通电动机绝缘的危害，漯河职业技术学院学报（综合版），2004，3（2）
[8]孙雅玲，大型交流变频调速同步电机绝缘体系及应用，大电机技术，2003，1
[9] CSC236DB变频电动机保护说明书
[10] SFW继电保护技术规程GB14285-2004（2005，9，26）
作者简介：
张天宇（1971-），男，沈阳电力专科学校毕业，工程师，现任浙江大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司设备部主任工程师，从事部门检修、维护等管理工作。