大型高壓電動機磁平衡差動保護的原理分析與應(yīng)用 王燕敏

1、大型高壓電動機磁平衡差動保護的原理分析與應(yīng)用 王燕敏摘要 本文介紹了大容量高壓電動機差動保護的兩種方式：縱聯(lián)與磁平衡差動 保護的原理及二者特點的比較，結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用，給出了的保護的整定計算方 法。關(guān)鍵詞：大容量高壓電動機；縱聯(lián)差動保護；磁平衡差動保護；原理接線； 整定計算Abstract This paper introduces two modes of differential protection for large capacity high voltage motors: the principle of longitudinal and magnetic balance diff

2、erential protection, characteristic comparison of the two, and the method of setting calculation of the protection combined with the on-site practical application.Key words: Large capacity high voltage motor; longitudinal differential protection; magnetic balance differential protection; principle &

3、 wiring; setting calculation0 引言按 GB50062-2008 電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定： “2MW 及以上的電動機，或電流速斷保護靈敏系數(shù)不符合要求的 2MW 以下的電 動機，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護”。電動機保護裝置均采用微機保護，差動保護為電機 的主保護，保護裝置裝于電動機6kV開關(guān)柜中，差動保護電流取自開關(guān)柜和電機 中性點側(cè)電流互感器。而磁平衡差動保護則在電動機出口側(cè)和電機中性點同名相 加裝一組磁平衡電流互感器，構(gòu)成電機磁平衡差動保護。下面就二者的保護原理 和接線進行分析。1、縱聯(lián)差動保護的原理和接線電動機容量在 5MW 以下時，采用兩相式

4、接線見圖 1。正常時， A 、C 相電流 互感器電流平衡，微機保護不動作；當(dāng)A、C相互感器之間發(fā)生短路時，兩互感 器二次電流差值達到動作值時，保護動作。該保護對電機本體和電纜上發(fā)生的相 間短路都能起到保護作用。但也有一定的局限性，要求：開關(guān)柜內(nèi)電流互感器與 中性點側(cè)電流互感器型號相同；具有相同變比，伏安特性要一致； 10%誤差曲線 盡可能接近，才能保證保護對靈敏性和選擇性的要求。圖 1 縱聯(lián)差動保護接線2、磁平衡差動保護的原理與接線正常運行時，差動電流的構(gòu)成如圖2所示，3只磁平衡電流互感器TA裝在電動機接線盒內(nèi)，電動機的每相 進出線都穿過電流互感器，電機的三個出線經(jīng)電流互感器后再短接，其二次繞

5、組 分別接至磁平衡差動繼電器KD（磁平衡微機保護裝置）。根據(jù)磁平衡原理，正常運 行時，差動電流中不存在因互感器TA誤差原因產(chǎn)生的差電流成份。圖 2 磁平衡差動保護接線產(chǎn)生差電流的情況：2.2.1 電動機啟動時，同相兩側(cè)電流產(chǎn)生的磁通，因磁路不對稱引起漏磁通不 一致，將在 TA 內(nèi)產(chǎn)生不平衡電流；2.2.2當(dāng)電機內(nèi)部短路或發(fā)生其它故障時，故障電流破壞了磁路平衡，將在TA 二次側(cè)產(chǎn)生不平衡電流，流過磁平衡差動繼電器KD,達到動作值時，KD動作出 口；2.3、不同故障狀態(tài)下，磁平衡繼電器中電流的構(gòu)成2.3.1斷相。此時 TA 互感器中無電流流過，磁平衡差動保護不起作用。 2.3.2 同相中匝間短路(

6、見圖 3)。盡管電機繞組阻抗發(fā)生了變化，但流過互感器 TA 的電流值為零。2.3.6.1 若發(fā)生在電機的首端( 如圖 7a) ，則短路電流：Ia=,(Id 為電機供電回路末端三相短路電流)2.3.6.2 若發(fā)生在電機的末端( 如圖 7b) ，則短路電流：Ia=,(In 為電機額定電流)綜上所述，也就是只有在電機匝間短路和內(nèi)部單相短路發(fā)生時，磁平衡互感器中才有電流 流過，匝間短路時，其值在三相短路電流與電機額定電流之間變化；單相接地時為系統(tǒng)電容 電流。3、磁平衡差動保護整定與計算 由前面分析可知：正常運行時，同相首尾一次電流均經(jīng)過磁平衡電流互感器，由于兩側(cè)電 流產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反，僅有

7、兩側(cè)相同電流的漏磁通不一致所產(chǎn)生的不平衡電流。 為此：3.1 磁平衡差動保護可按躲過電動機起動時產(chǎn)生的最大磁不平衡電流計算，即：ldop1=Krelxlunb.max/nTA=KrelxKerxKstxlM.N/nTA=1.5x0.005x7x|M.N/nTA=0.05IM.N/nTA式式中：Idopl一磁平衡差動保護動作電流(A)；Krel一一可靠系數(shù)，一般取1.52；lunb.max電動機起動時生的最大不平衡電流(A)；Ker一一電動機兩側(cè)不平衡誤差，取0.5%；Kst電動機起動電流倍數(shù)，取7 ；IM.N一一電動機額定電流，(A)；nTA磁平衡電流互感器變比?，F(xiàn)場應(yīng)用，根據(jù)經(jīng)驗取ldop1

8、=(0.10.2)lM.N/nTA式(2)當(dāng)發(fā)生電機匝間短路時，其值在三相短路電流與電機額定電流之間變化；單相接地時為系 統(tǒng)電容電流。由于電動機6kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，其相間短路電流較大，而單相接地短路電 流很小，所以：3.2磁平衡差動保護可按躲過供電系統(tǒng)中其他線路或設(shè)備發(fā)生單相接地故障時，流過電機 磁平衡互感器的電流計算，此電流為系統(tǒng)電容電流與電動機配電回路電容電流差值，即：Idop2=Krelx(ICZX-ICM)/nTA式式中：Idop2一磁平衡差動保護動作電流(A)；Krel一一可靠系數(shù)，一般取1.3；ICZX一一系統(tǒng)單相接地時電容電流(A)；ICM一一電動機提供的電容電流(A)；nT

9、A磁平衡電流互感器變比。由于大型化工廠的供電系統(tǒng)的單相接地電流一般均超過20A，電機的單相對地電容又很小, 此時電機電容電流可忽略不計，故障電流即為系統(tǒng)電容電流ICZX。所以式又可變化為：Idop2=KrelxlCX/nTA式取Idopl、Idop2中的較小值作為保護的整定值，動作時限為top=0S。4、磁平衡差動保護在現(xiàn)場的應(yīng)用與優(yōu)點目前我公司在煤氣化磨煤單元循環(huán)風(fēng)機1臺2500kW和1臺2240kW增安型電機分別采用了 傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護和磁平衡差動保護，在使用中磁平衡差動保護較縱聯(lián)差動保護有以下優(yōu) 點:八、(1) 可靠性高。在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，2500kW電動機由于采用了中壓軟起動來降低起

10、動電流和減輕對電 網(wǎng)的沖擊，但由于可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷特性的差異，使得電動機啟動中的暫態(tài)過程復(fù)雜，啟 動時電動機條件多變，而發(fā)生差動保護誤動。即便采用提高差動動作電流和制動系數(shù)來規(guī)避， 也不能保證能可靠地躲過啟動過程，降低了保護在正常工作時可靠性和靈敏度。而2240kW 電機采用磁平衡差動保護，由于保護的磁平衡原理，不會出現(xiàn)互感器的飽和而誤動，在選型 時不需要過多的考慮其暫態(tài)特性。靈敏度高。傳統(tǒng)的縱差保護的整定原則按躲過電動機線路外部故障或電動機起動時的最大不平衡電流 整定，其值較大，在電動機內(nèi)部單相接地故障情況下一般不能動作。而磁平衡差動保護可以 反應(yīng)電動機定子繞組的相間短路、接地短路故障。在

11、我公司2240kW電機的整定計算上，我 們采用按系統(tǒng)的電容電流來整定，由于系統(tǒng)的電容電流值較小，整定值很低，區(qū)內(nèi)故障有很 高的靈敏度。接線簡單，造價低。我公司2500kW循環(huán)風(fēng)機電機高壓開關(guān)柜與電機本體有320米的距離。為避免和消除因 二次回路阻抗(導(dǎo)線阻抗、繼電器線圈阻抗、接觸電阻)對保護電流測量帶來誤差和影響，在 設(shè)計和電機制造時選用了額定二次電流為1A，5P20, 30VA的互感器，電纜截面采用了 4.0mm2 的銅芯電纜，這樣不僅增大了互感器和電機中性點接線盒的尺寸，給電機安裝和制 造造成不便，還增加了設(shè)備成本。結(jié)合我公司6kV系統(tǒng)電容電流的實際情況，2240kW循環(huán)風(fēng)機電機上我們選用了 LJA型增 安型零序電流互感器作為磁平衡差動保護的電流互感器，變比為50/1A，電纜截面降至 2.5mm2，裝在電機主接線盒內(nèi)，接線清晰，造價也大幅降低。此外，由于利用的是磁平衡原理，磁平衡式電流互感器即便出現(xiàn)二次側(cè)開路，也不會出 現(xiàn)過電壓，這是縱聯(lián)差動保護無法做到的。5、結(jié)束語 綜上所述，磁平衡差動保護接線簡單、靈敏度高，能夠可靠反應(yīng)