5600KW空壓機(jī)電機(jī)磁平衡保護(hù)應(yīng)用原稿

1、5600KW空壓機(jī)電機(jī)磁平衡保護(hù)應(yīng)用史濤濤 孫軍威1引言電動(dòng)機(jī)的故障形式多種多樣，其中主要故障是定子繞組的相間短路、單項(xiàng)接地和匝間短路。定子繞組的相間短路會(huì)導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)電壓顯著 下降，且故障電流大，一般對(duì)于容量為 2000kW以上 或容量小余 2000KW勺重要電動(dòng)機(jī)，需要裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)以反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的相間 短路故障。然而，傳統(tǒng)縱差保護(hù)受兩側(cè)電流互感器飽和和特性、互感 器二次負(fù)載、剩磁大小不定等原因的影響，可能出現(xiàn)外部故障時(shí)誤動(dòng) 的情況。這也使得傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)較難， 同時(shí)保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程 中的可靠性與內(nèi)部故障的靈敏度。另一方面，大型電動(dòng)機(jī)一般接入中 性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生單相接地故

2、障時(shí)，故障電流很小，傳統(tǒng)縱差保護(hù)不能動(dòng)作。所以結(jié)合公司實(shí)際，我們?cè)?600K姓壓機(jī)上，裝設(shè)了磁平衡式差動(dòng)保護(hù)。本文將從多方面對(duì)磁平衡式差動(dòng)保護(hù) 進(jìn)行闡述。2電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的方案2.1傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù) 傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理接線示意圖，如圖 1所示。圖中 修、ITS 分別為電動(dòng)機(jī)供電側(cè)一、二次側(cè)電流，INP、INS為中性點(diǎn)的一、二側(cè) 電流。八pCT2 圖1傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)縱差保護(hù)回路接線圖二次差動(dòng)回路中的差電流為:I OP = ITS T NS(1)為了保證差電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行和外部故障情況下， 電流互感器CT1CT2二次側(cè)回路差點(diǎn)流為零，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生內(nèi) 部故障時(shí)，差電流很大，此時(shí)保護(hù)動(dòng)

3、作。顯然。要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)三相縱 差保護(hù)，則需要6個(gè)電流互感器與3個(gè)電流繼電器。動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的靈活性和外部故障的可靠性，縱差動(dòng)保護(hù)一般都采 用比率制動(dòng)方法?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)縱差保護(hù)受互感器特性的 影響，可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。例如當(dāng)控制室離電機(jī)操作現(xiàn)場(chǎng)很遠(yuǎn)時(shí)，中性 點(diǎn)側(cè)CT要承載過(guò)多電纜電阻負(fù)載，這樣會(huì)使得提前進(jìn)入飽和，從而 電流增大，保護(hù)誤動(dòng)。2.2 磁平衡式差動(dòng)保護(hù)基本原理磁平衡式差動(dòng)保護(hù)，又叫自平衡式差動(dòng)保護(hù)，是利用磁平衡原理實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的一種方法，其基本原理接線圖如圖2所示。高壓電動(dòng)機(jī)圖2磁平衡式差動(dòng)保護(hù)接線圖由圖可知，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)包含三組自平衡互感器以及三個(gè)電 流繼電器。其基本原理是將電

4、動(dòng)機(jī)每相定子繞組始端和中性點(diǎn)端的引 線分別入、出磁平衡電流互感器的環(huán)形鐵芯窗口一次。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或起動(dòng)過(guò)程中，流入各相始端的電流與流入中 性點(diǎn)端的電流為同一電流，對(duì)于磁平衡電流互感器而言，該電流一進(jìn) 一出，互感器一次安匝為零，即一次勵(lì)磁安匝處于磁平衡，則二次側(cè) 不產(chǎn)生電流，保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地故障時(shí)， 故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡， 二次側(cè)產(chǎn)生電流，當(dāng)電流達(dá) 到規(guī)定值時(shí)啟動(dòng)電流繼電器，繼電器使電動(dòng)機(jī)配電柜內(nèi)的斷路器跳 閘，切除電動(dòng)機(jī)電源，達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。2.3 兩種保護(hù)方案的比較縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的缺點(diǎn)在于兩側(cè) CT飽和特性不一致可能引起誤 動(dòng)；而磁平衡式差動(dòng)保

5、護(hù)不存在 CT特性不一致的問(wèn)題，動(dòng)作可靠性 高。在保護(hù)性能方面，傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)主要反應(yīng)的時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的相間短路故障，其整定計(jì)算需要考慮躲過(guò)的最大不平衡電流較大，因 此單相接地短路時(shí)由于故障電流太小，傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)一般不具有足夠 的靈敏度動(dòng)作于跳閘。而磁平衡式差動(dòng)保護(hù)可以反應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的相 間短路故障，若電動(dòng)機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的電容電流足夠大， 磁平衡保護(hù)還應(yīng) 能夠反應(yīng)區(qū)內(nèi)接地短路故障。需要指出的是，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的電流互感器裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)的 出線處，保護(hù)范圍僅僅是本體內(nèi)部。而傳統(tǒng)的電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的電 流互感器可以安裝在供電電纜的開關(guān)柜出口處， 因此其保護(hù)范圍可以 包含電動(dòng)機(jī)以及供電電纜。3電動(dòng)機(jī)磁平

6、衡式差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算磁平衡式差動(dòng)保護(hù)應(yīng)保證在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行、起動(dòng)以及外部故障時(shí)可靠不動(dòng)作；而當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部相間故障時(shí)能夠可靠動(dòng)作， 若電動(dòng)機(jī) 所接電網(wǎng)內(nèi)的電容電流足夠大，磁平衡差動(dòng)保護(hù)還應(yīng)能夠反應(yīng)區(qū)內(nèi)單 相接地短路故障。下面分別以圖3所示網(wǎng)絡(luò)為例，分析研究磁平衡差 動(dòng)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)區(qū)內(nèi)區(qū)外故障情況下得差電流。C B A電動(dòng)機(jī)圖3正常運(yùn)行時(shí)的電流分布圖3.1 電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行情況圖3所示電網(wǎng)包等效單元S、線路I、II ,以及電動(dòng)機(jī)。對(duì)于 電動(dòng)機(jī)支路，I5、IG比分別表示各相流入和流出電動(dòng)機(jī)的電流，1cM、 1cI、IcII、IcG分別為各之路的對(duì)地電容電流。由圖可知，正常運(yùn)行情況下，流過(guò)電動(dòng)機(jī)各相磁

7、平衡式互感器一 次側(cè)的不平衡電流為各相等效對(duì)地電容電流，即Iub = I CM = U Com式中：U邛為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的相電壓，可取額定電壓 Un；切為系統(tǒng)角頻率；Com為電動(dòng)機(jī)每相等效對(duì)地電容。顯然，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 情況下，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的差電流表達(dá)式同樣為式（2）,既不平衡 電流很小，保護(hù)可靠不誤動(dòng)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)縱差動(dòng)保護(hù)。3.2 電動(dòng)機(jī)區(qū)外故障的情況電動(dòng)機(jī)一般接入中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)發(fā)生單相接 地故障時(shí)，故障相電壓降為零，而健全升高 6倍。因此，故障相的對(duì)地電容電流為零，而健全相的對(duì)地電容電流變?yōu)檎＿\(yùn)行時(shí)電容電流的春倍。假設(shè)電動(dòng)機(jī)外部發(fā)生 A相接地故障，電流分布如圖4所

8、O圖4外部單相接地時(shí)，三相系統(tǒng)電流分布圖由圖4可知，對(duì)電動(dòng)機(jī)磁平衡式差動(dòng)保護(hù)而言， 故障相的不平衡 電流為零，而健全相的一次側(cè)不平衡電流為:I ub = ICM = 3U C COM當(dāng)電動(dòng)機(jī)區(qū)外發(fā)生兩相相間短路時(shí)，故障相相電壓降為原來(lái)的 0.5倍，而非故障相相電壓基本不變，此時(shí)電動(dòng)機(jī)三相磁平衡保護(hù)互感器中的最大不平衡電流為：Iub =UCom當(dāng)電動(dòng)機(jī)外部發(fā)生三相短路時(shí)，各相相電壓都降低，甚至為零，此時(shí)流過(guò)電動(dòng)機(jī)磁平衡互感器的幾乎為零。3.3 電動(dòng)機(jī)區(qū)內(nèi)故障的情況當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)，假設(shè)A相接地，此時(shí)系統(tǒng)電流分布如圖5所示，由不接地系統(tǒng)的故障分析可知， 健全 相電壓升高3倍，

9、即對(duì)地電容電流增大 收倍。所以健全相對(duì)應(yīng)的磁 平衡式差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流與式（3）相同。圖5內(nèi)部單相接地時(shí)，三相系統(tǒng)電流分布圖對(duì)于電動(dòng)機(jī)故障相的定子繞組而言，其負(fù)荷電流大小無(wú)論如何變 化，對(duì)磁平衡式差動(dòng)保護(hù)而言都屬于穿越性電流。但是，此時(shí)全系統(tǒng) 電容電流構(gòu)成的接地點(diǎn)短路電流就在差流回路中形成了差電流，其值為：(5)當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生相間故障時(shí)，故障電流很大，遠(yuǎn)大于前述分析計(jì)算的電容電流大小。3.4 磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算原則傳統(tǒng)縱差動(dòng)保護(hù)的整定原則按照躲過(guò)外部故障或電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) 的最大不平衡電流整定，其值較大，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部單相接地故障情況 下一般不能動(dòng)作。顯然，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)可以反應(yīng)電動(dòng)機(jī)

10、定子繞組的相間短路故 障、接地短路故障，不反應(yīng)定子繞組每相自身的匝間短路故障。電動(dòng) 機(jī)所在供電網(wǎng)一般為不接電系統(tǒng)，具相間短路電流較大，而接地短路 電流很小，若要可靠反應(yīng)這兩種故障，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的整定原則 應(yīng)為：（1）躲過(guò)磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的最大不平衡電流；（2）躲過(guò)供電系統(tǒng)中其他設(shè)備或設(shè)備發(fā)生單相接地故障時(shí)，電 動(dòng)機(jī)各相提供的最大電容電流（不應(yīng)包括保護(hù)范圍以外的電動(dòng)機(jī)供電 電纜的電容電流，因?yàn)榇牌胶怆娏骰ジ衅饕话阊b設(shè)在電動(dòng)機(jī)出線處， 供電電纜的對(duì)地電容電流不通過(guò)互感器的環(huán)形鐵芯窗口）。按照上述原則，由式（2） 式（4）的分析可知，磁平衡式差動(dòng) 保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)整定為： 3U n COMI K

11、.act 一 Krel nCT（6）式中：Krel為可靠系數(shù)，可取1.3；加丁為磁平衡式電流互感器變比，通 常為 50A/5A。由式（5）可知，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)區(qū)內(nèi)單項(xiàng)接地故障時(shí)的靈敏度為:senK re1coM由于電動(dòng)機(jī)的供電電纜不在磁平衡式差動(dòng)保護(hù)范圍之內(nèi)，因此,只要全系統(tǒng)等效電容足夠大，由式（7）可知，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)能 夠可靠反應(yīng)區(qū)內(nèi)單相接地故障有上述分析也可知，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流很小， 故整定值可以很低，區(qū)內(nèi)故障時(shí)有很高的靈敏度。4磁平衡式互感器的一些考慮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)縱差動(dòng)保護(hù)由于差動(dòng)繼電器兩臂的電流互感器在電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)過(guò)程中的暫態(tài)特性往往難以完全一致，導(dǎo)

12、致不平衡電流增大，從而導(dǎo)致縱差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。因此，個(gè)別應(yīng)用場(chǎng)合甚至考慮采用TP類電流互感器。而磁平衡式差動(dòng)保護(hù)不會(huì)出現(xiàn)互感器飽 和而誤動(dòng)，對(duì)于一般電動(dòng)機(jī)保護(hù)不需要過(guò)多考慮其暫態(tài)特性，選擇 P 類電流互感器即可。另外，由于利用磁平衡原理，磁平衡式電流互感 器二次側(cè)斷線也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象，這些都是傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)無(wú)法 做到的。由于磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的互感器一般都采用穿芯式結(jié)構(gòu)，為了保證互感器的感應(yīng)靈敏度，就要求在安裝時(shí)一定要注意讓兩側(cè)導(dǎo)線穿過(guò) 一次側(cè)線圈的正中央。將互感器直接安裝在電動(dòng)機(jī)本體上更容易實(shí)現(xiàn) 磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的接線，但這對(duì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了困難。 目前，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)接線的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活確定。5經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會(huì)效應(yīng)傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)在保護(hù)接線以及電流互感器方面，需要6個(gè)CT,接線復(fù)雜，且由于差電流較大導(dǎo)致其變比較大、價(jià)格較高。而磁 平衡差動(dòng)保護(hù)中只需要3個(gè)CT,電動(dòng)機(jī)只需要引出三個(gè)端子，接線 簡(jiǎn)單、可靠。且變比較小、價(jià)格較低。而且采用磁平衡式差動(dòng)保護(hù)能 降低保護(hù)誤動(dòng)的可能性，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中還能對(duì)電動(dòng)機(jī)的單相 接地進(jìn)行保護(hù)，為安全連續(xù)的生產(chǎn)提供了保障。我們?cè)谑褂么牌胶馐讲顒?dòng)保護(hù)上積累了許多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 作為整 個(gè)國(guó)際化工內(nèi)部第一家使用磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的單位， 為集團(tuán)在大功 率