大型高压电动机磁平衡差动保护的原理分析与应用王燕敏

大型高压电动机磁平衡差动保护的原理分析与应用王燕敏

王燕敏

(云南大为制氨有限公司生产管理部云南省655338)

［摘要］本文介绍了大容量高压电动机差动保护的两种方式：纵联与磁平衡差动保护的原理及二者特点的比较，结合现场实际应用，给出了的保护的整定计算方法。

关键词：大容量高压电动机；纵联差动保护；磁平衡差动保护；原理接线；整定计算

[Abstract]Thispaperintroducestwomodesofdifferentialprotectionforlargecapacityhighvoltagemotors:theprincipleoflongitudinalandmagneticbalancedifferentialprotection,characteristiccomparisonofthetwo,andthemethodofsettingcalculationoftheprotectioncombinedwiththeon-sitepracticalapplication.

Keywords:Largecapacityhighvoltagemotor;longitudinaldifferentialprotection;magneticbalancedifferentialprotection;principle&wiring;settingcalculation

0引言

按GB50062-2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》的有关规定：“2MW及以上的电动机，或电流速断保护灵敏系数不符合要求的2MW以下的电动机，应装设纵联差动保护”。电动机保护装置均采用微机保护，差动保护为电机的主保护，保护装置装于电动机6kV开关柜中，差动保护电流取自开关柜和电机中性点侧电流互感器。而磁平衡差动保护则在电动机出口侧和电机中性点同名相加装一组磁平衡电流互感器，构成电机磁平衡差动保护。下面就二者的保护原理和接线进行分析。

1、纵联差动保护的原理和接线

电动机容量在5MW以下时，采用两相式接线见图1。正常时，A、C相电流互感器电流平衡，微机保护不动作；当A、C相互感器之间发生短路时，两互感器二次电流差值达到动作值时，保护动作。该保护对电机本体和电缆上发生的相间短路都能起到保护作用。但也有一定的局限性，要求：开关柜内电流互感器与中性点侧电流互感器型号相同；具有相同变比，伏安特性要一致；10%误差曲线尽可能接近，才能保证保护对灵敏性和选择性的要求。

图1纵联差动保护接线

2、磁平衡差动保护的原理与接线

2.1正常运行时，差动电流的构成

如图2所示，3只磁平衡电流互感器TA装在电动机接线盒内，电动机的每相进出线都穿过电流互感器，电机的三个出线经电流互感器后再短接，其二次绕组分别接至磁平衡差动继电器KD(磁平衡微机保护装置)。根据磁平衡原理，正常运行时，差动电流中不存在因互感器TA误差原因产生的差电流成份。

图2磁平衡差动保护接线

2.2产生差电流的情况：

2.2.1电动机启动时，同相两侧电流产生的磁通，因磁路不对称引起漏磁通不一致，将在TA内产生不平衡电流；

2.2.2当电机内部短路或发生其它故障时，故障电流破坏了磁路平衡，将在TA二次侧产生不平衡电流，流过磁平衡差动继电器KD，达到动作值时，KD动作出口；

2.3、不同故障状态下，磁平衡继电器中电流的构成

2.3.1断相。此时TA互感器中无电流流过，磁平衡差动保护不起作用。

2.3.2同相中匝间短路(见图3)。

尽管电机绕组阻抗发生了变化，但流过互感器TA的电流值为零。

2.3.6.1若发生在电机的首端(如图7a)，则短路电流：

Ia=,(Id为电机供电回路末端三相短路电流)

2.3.6.2若发生在电机的末端(如图7b)，则短路电流：

Ia=,(In为电机额定电流)

综上所述，也就是只有在电机匝间短路和内部单相短路发生时，磁平衡互感器中才有电流流过，匝间短路时，其值在三相短路电流与电机额定电流之间变化；单相接地时为系统电容电流。

3、磁平衡差动保护整定与计算

由前面分析可知：正常运行时，同相首尾一次电流均经过磁平衡电流互感器，由于两侧电流产生的磁通大小相等、方向相反，仅有两侧相同电流的漏磁通不一致所产生的不平衡电流。为此：

3.1磁平衡差动保护可按躲过电动机起动时产生的最大磁不平衡电流计算，即：

Idop1=Krel×Iunb.max/nTA=Krel×Ker×Kst×IM.N/nTA

=1.5×0.005×7×IM.N/nTA≈0.05IM.N/nTA式(1)

式中：Idop1——磁平衡差动保护动作电流(A)；

Krel——可靠系数，一般取1.5～2；

Iunb.max——电动机起动时生的最大不平衡电流(A)；

Ker——电动机两侧不平衡误差，取0.5%；

Kst——电动机起动电流倍数，取7；

IM.N——电动机额定电流，(A)；

nTA——磁平衡电流互感器变比。

现场应用，根据经验取

Idop1=(0.1～0.2)IM.N/nTA式(2)

当发生电机匝间短路时，其值在三相短路电流与电机额定电流之间变化；单相接地时为系统电容电流。由于电动机6kV系统为不接地系统，其相间短路电流较大，而单相接地短路电流很小，所以：

3.2磁平衡差动保护可按躲过供电系统中其他线路或设备发生单相接地故障时，流过电机磁平衡互感器的电流计算，此电流为系统电容电流与电动机配电回路电容电流差值，即：

Idop2=Krel×(ICΣX-ICM)/nTA式(3)

式中：Idop2——磁平衡差动保护动作电流(A)；

Krel——可靠系数，一般取1.3；

ICΣX——系统单相接地时电容电流(A)；

ICM——电动机提供的电容电流(A)；

nTA——磁平衡电流互感器变比。

由于大型化工厂的供电系统的单相接地电流一般均超过20A，电机的单相对地电容又很小，此时电机电容电流可忽略不计，故障电流即为系统电容电流ICΣX。所以式(3)又可变化为：

Idop2=Krel×ICΣX/nTA式(4)

取Idop1、Idop2中的较小值作为保护的整定值，动作时限为top=0S。

4、磁平衡差动保护在现场的应用与优点

目前我公司在煤气化磨煤单元循环风机1台2500kW和1台2240kW增安型电机分别采用了传统的纵联差动保护和磁平衡差动保护，在使用中磁平衡差动保护较纵联差动保护有以下优点:

(1)可靠性高。

在现场实际应用中，2500kW电动机由于采用了中压软起动来降低起动电流和减轻对电网的冲击，但由于可控硅的导通和关断特性的差异，使得电动机启动中的暂态过程复杂，启动时电动机条件多变，而发生差动保护误动。即便采用提高差动动作电流和制动系数来规避，也不能保证能可靠地躲过启动过程，降低了保护在正常工作时可靠性和灵敏度。而2240kW电机采用磁平衡差动保护，由于保护的磁平衡原理，不会出现互感器的饱和而误动，在选型时不需要过多的考虑其暂态特性。

(2)灵敏度高。

传统的纵差保护的整定原则按躲过电动机线路外部故障或电动机起动时的最大不平衡电流整定，其值较大，在电动机内部单相接地故障情况下一般不能动作。而磁平衡差动保护可以反应电动机定子绕组的相间短路、接地短路故障。在我公司2240kW电机的整定计算上，我们采用按系统的电容电流来整定，由于系统的电容电流值较小，整定值很低，区内故障有很高的灵敏度。

(3)接线简单，造价低。

我公司2500kW循环风机电机高压开关柜与电机本体有320米的距离。为避免和消除因二次回路阻抗(导线阻抗、继电器线圈阻抗、接触电阻)对保护电流测量带来误差和影响，在设计和电机制造时选用了额定二次电流为1A，5P20，30VA的互感器，电缆截面采用了4.0mm2的铜芯电缆，这样不仅增大了互感器和电机中性点接线盒的尺寸，给电机安装和制造造成不便，还增加了设备成本。

结合我公司6kV系统电容电流的实际情况，2240kW循环风机电机上我们选用了LJA型增安型零序电流互感器作为磁平衡差动保护的电流互感器，变比为50/1A，电缆截面降至2.5mm2，装在电机主接线盒内，接线清晰，造价也大幅降低。

此外，由于利用的是磁平衡原理，磁平衡式电流互感器即便出现二次侧开路，也不会出现过电压，这是纵联差动保护无法做到的。

5、结束语

综上所述，磁平衡差动保护接线简单、灵敏度高，能够可靠反应电动机的相间短路故障以及单相接地短路故障，在整定和应用上较传统的纵联差动保护优势明显，应在企业大型电动机的继电保护上推广使用。

参考文献：

1、贺家李、宋从矩《电力系统继电保护原理》中国电力出版社.2004

2、高春如《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术》第二版中国电力出版社.2010

3、袁兆强、凌艳《高压电动机差动保护误动原因分析》河南电力2007年第三期