M60电动机差动电流计算及试验方法研究

M60电动机差动电流计算及试验方法研究

丁瑞杨晓芬朱佳佳

（江苏省骆运水利工程管理处江苏宿迁223800）

摘要：本文对电动机差动保护的基本原理，以及美国GE公司M60继电保护设备的差动保护特性和曲线进行了介绍，并探讨了M60电动机差动保护的试验方法（本文所介绍的差动皆为纵差动）。

关键词：电动机差动保护动作特性计算试验

在水利工程建设中泵站是一个重要的组成部分，它合理地配置了我们国家分布在各地的水资源，使水资源的利用率大为提高。电动机作为泵站不可或缺的一份子，只有它的顺利运转才能保障泵站的正常运行，可见电动机的安全对水利系统的意义非常重大。随着社会的快步发展，生产力突飞猛进，电动机在现代社会电力系统中的作用越来越显著。此外大容量电动机价格昂贵，如果发生电动机烧毁的严重事故，不仅会对生产的正常运行造成严重影响，而且也会导致惨重的经济损失，因此保证电动机的安全运行显得极其重要。

对于2000kVA及以上的大容量电动机，因其额定电流大，则其启动电流也大，导致整定时，电流速断等一般保护无法满足其内部故障时对保护灵敏度及速动性的要求。根据规程要求，高压电动机容量2MW及以上，或容量在2MW以下，具有六个引出线的电动机，当电流速断保护灵敏度系数不符合要求时，应装设纵联差动保护[1]。本文结合皂河泵站采用的M60电动机保护，来阐述M60保护装置的差动电流计算及试验方法。

1M60电动机保护介绍

作为美国GE公司UR系列继电器中的一员，电动机全功能继电器——M60，它基于微处理器对大中型马力的电动机提供了保护与管理。M60采用强大的开关量输入、输出模块化设计，拥有了保护、控制、通讯等方面的多种先进理念，通过串口通讯为现代泵站提供强大的网络和自动化支持。M60相比其他继电保护装置，综合了技术先进的CT饱和检测算法，提高继电器应对严重的外部故障和抗扰动的能力。

2差动保护原理

电动机纵差动保护是根据基尔霍夫电流定律制成的，差动电流是流进电动机和流出电动机的电流差。在电动机正常工作时，差动电流为零，而当电动机定子相间故障时，就会产生差动电流。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，上位机报警保护出口动作，将被保护设备的断路器跳开，使故障设备断开电源。

为了让这种保护达到效果，在电动机的中性点位置装设一组电流互感器TA1，在连接通往电动机电缆的断路器下桩头装设相同型号、相同变比的另一组电流互感器TA2。电动机的纵差动保护的保护区，即在这两组电流互感器TA1、TA2之间。电流互感器TA1与TA2的二次侧采用异极性连接法，差动电流继电器即并联接入这两连线之间。IⅠ2与IⅡ2分别是电流互感器TA1与TA2的二次侧电流，它们的电流差就是流过继电器线圈的纵差动电流【2】。电动机的差动保护单线原理接线图如图1所示。

当电力系统运行方式为中性点不接地系统时，在采用M60微机保护装置的电动机三相绕组首尾端分别装设两组电流互感器，把六组电流互感器的二次侧接线全部接入继保设备，其原理图如下图2所示。继电保护设备上设有模拟量输入的端子，接线时要注意它的极性端，否则将造成保护的不正确动作。极性端即是带有*的，如电动机的端电流：Ia1、Ia1*；Ib1、Ib1*；Ic1、Ic1*，电动机的中性线电流：Ia2、Ia2*；Ib2、Ib2*；Ic2、Ic2*。

2.1差动速断保护

为了使继电保护在电动机内部出现严重短路故障时，能够迅速保护动作，设置了差动速断保护。由于在电动机启动中会产生瞬间的最大不平衡电流，为了让差动速断在此时能够正常工作，应躲开这个电流，设置整定值Isd大于启动瞬间的最大不平衡电流[3]。

启动保护判据：Ida>Isd（Ida：A相差动电流）

或Idb>Isd（Idb：B相差动电流）

或Idc>Isd（Idc：C相差动电流）

2.2比率差动保护

当电动机发生外部短路时，穿越电流会非常大，使电流互感器的误差增大从而导致误动作。让差动电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高即是比率差动保护。M60比率差动保护采用了分相式保护，即三相中任意一相动作，继电保护均动作。

M60采用了先进的差动保护曲线，具有双斜率、双拐点，差动比率制动特性如图3所示，特性曲线共分4段，第1段为与Ir轴平行的平直横线，保护的最小动作电流为纵坐标，此电流是无制动状态下的；第2段为延长线过原点的斜线，其斜率为第1段制动斜率（K1），制动范围由与第1段相交处到拐点1（B1）之间，K1段提升了内部故障的灵敏性；第3段为过渡曲线，它在两拐点之间平滑过渡，使保护装置的动作特性更接近电流互感器的饱和特性，曲线制动范围在拐点1（B）和拐点2（B2）之间，其曲线方程为

，曲线在拐点1和捌点2处平滑过渡，C0、C1、C2、C3可由拐点1、拐点2处的坐标和斜率求得；第4段同样为延长线过原点的斜线，其斜率为第2段制动斜率（K2），制动范围在拐点2（B2）右侧，以防止严重穿越性故障产生大差动电流使电流互感器饱和时装置误动，提高了外部故障的稳定性。

0差动保护试验方法

以皂河泵站主机纵差动保护为例说明，其主机绕组首尾端动作电流启动门槛值为1A、“比率拐点1”为6A、“差动比率制动系数1”为20%、“比率拐点2”为20A、“差动比率制动系数2”为60%。其动作曲线如图3所示。

动作方程为:①Ir=Max{I1、I2}；②Id=|I1-I2|；③K=Id/Ir

（1）理论值计算

结合动作方程和动作曲线图，可从理论上计算出几组I1、I2的确切值。

当在图3中K1段斜线上取一点Ir=5.5A时，

Id=Ir×K1=5.5×0.2=1.1A

根据动作方程①，Ir=I1=5.5A

根据动作方程②，则Id=∣5.5-I2∣=1.1A，得到I2=4.4A

所以我们得到一点(I1=5.5AI2=4.4A)

当在图3中K1段斜线上再取一点Ir=6A时

Id=Ir×K1=6×0.2=1.2A

根据动作方程①，Ir=I1=6A

根据动作方程②，则Id=∣6-I2∣=1.2A，得到I2=4.8A

所以我们得到另一点(I1=6AI2=4.8A)

同理我们在K2段斜线上取Ir为22A和24A则得到两点(I1=22AI2=8.8A)和(I124AI2=9.6A)

（2）继电保护校验仪检验

将测试仪上的“Ia”、“In”分别与保护的差动首端电流回路的A相相连（为了便于阐述人为规定了A相，其他相也是可以的）；测试仪上的“Ib”、“In”分别与保护的差动尾端电流回路的A相相连。按照上述接线方式接线完毕，开启微机保护校验仪，在“电压、电流（交流）”菜单里，设Ia设为5.5A,为常量保持不变。Ib为第一变量，变化步长设为0.01A;在“记录变量”设置上默认和第一变量相同即可（Ib）;“变化范围”设置第一变量变化的起点和终点，应能保证覆盖保护的动作范围。此处设为4.6A（变化起点）—4.3A（变化终点）。固定一侧，让另一侧为变量，直到差动保护动作，此时记录动作时的电流值。在三相差动电流回路的两段制动斜率曲线上分别取若干组点，将得到的值与上述理论值相比较，如吻合则表明微机保护的差动功能及设置的曲线达到保护和设计要求。需注意的是，要弄清保护装置的差动保护是同向电流差还是反向电流差，在施工过程中电流互感器的接线一定要与保护装置的差动电流方向保持一致，否则会误动作。

4总结

电动机差动保护是电力系统中电动机最常用的主保护，为保护不同的动作特性和出口方式提供了有利条件。在进行差动保护试验时，必须熟知其差动电流和制动电流计算方法，才能达到试验目的。美国GE公司的M60继电保护装置，在骆运管理处下属皂河、刘老涧等泵站的电气保护中具有良好的可靠性和灵敏性，满足了实际运行中对电动机的保护要求，且通过MODBUS协议通讯有利于泵站实现自动化，是现代化泵站理想的微机保护装置。

参考文献

[1]GB/T14285-2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[2]粱晓红.大型高压异步电机差动保护动作分析与处理.电工技术,2012.

[3]范宇豪.高压变频器对电动机差动保护的影响.华中电力,2012.