高壓電動機試運期間差動保護誤動事故分析

范建培

鄭州市鄭東新區熱電有限公司，河南鄭州 451464

0 引言

隨著火電機組單機容量的增大，大容量電動機在電廠的應用越來越多，繼電保護規程規定，容量2 000kW 及以上電動機，應裝設縱聯差動保護。要實現差動保護的靈敏可靠，在正確選擇保護用電流互感器（CT）的同時，還要考慮CT 二次負荷的匹配和保護邏輯的完善。鄭東電廠6kV 脫硫增壓風機（2 240kW、259.2A）在試轉期間頻繁出現差動保護誤動情況，下面對此進行具體分析。

1 調試期間的差動保護誤動過程

脫硫增壓風機電動機的保護由電動機差動保護和電動機綜合保護構成。試運期間，第一次啟動時出現合閘后瞬間跳開現象，保護裝置顯示差動保護動作。經檢查實際接線完全符合設計要求，電流互感器極性正確，電機無異常，在確認一、二次系統均無異常后，再次啟動，類似第一次啟動瞬間跳開的情況又再次出現，根本不能正常啟動。為調試方便，退出脫硫增壓風機差動保護出口硬壓板，重新啟動，合閘啟動成功，但差動保護發信，復歸后再投入差動保護硬壓板，運行仍正常。

停機后分析，認為中性點CT 與保護裝置連接導線的電阻過大，造成保護裝置兩側CT 二次負荷不匹配，將此連接電纜加大截面后，多次合閘均正常啟動，但整啟試運期間又出現一次差動誤動情況。

2 差動保護誤動原因分析

脫硫增壓風機差動保護采用兩組容量相同的電流互感器LZZBJ9-10A2G， 5P20 級，變比300/5，一組裝于6kV 配電室的開關柜內（機端出口CT），另一組裝于電動機本體處（三相繞組中性點CT），保護裝置安裝在開關柜上，電動機的裝設位置距離開關室320m，連接兩側CT 與保護裝置的為4mm2 銅芯電纜，

如圖1所示為CT 廠家提供的電流互感器準確限值系數與二次負荷關系曲線。下面計算電動機啟動時CT 準確限值系數n 對應的二次負荷能力，因電動機的啟動電流非常大，約為其額定電流的6～8 倍，現取7 倍計算，一次電流為I1=7X259.2=1814.4（A）,準確限值系數為n=1814.4/300=6.05,從圖中可以查出，準確限值系數6.05 對應的二次負荷為S2e=57VA，此時實際二次側所接負荷S2應不大于S2e。

即 S2=I2e2Z2≤ S2e ；Z2≤ S2e/I2e2=57/25=2.28（Ω）

Z2= r +r1+ r2；

式中r 為連接導線的阻抗（Ω）；r1 為接觸電阻（Ω），一般取0.1Ω； r2為保護裝置繼電器線圈電阻（Ω）；

根據保護裝置廠家提供的參數，保護裝置每相負荷不大于1VA，求得r1=1/52=0.04（Ω）。

則連接導線電阻r≤2.28-0.04-0.1=2.14（Ω）。

由導線截面積公式A=ρLc/r，得到在滿足CT 二次負荷要求的導線允許最小截面

A≥I2e2ρLc/[S2e- I2e2（r1+r2）]=ρLc/ （Z2-r1-r2）

式中，A、Lc 分別為連接導線截面和計算長度，單位分別為mm2和m；

ρ為導線電阻率，ρ銅=1.75X10-2Ω·mm2/m。

電纜的計算長度Lc的大小與CT的接線型式和保護裝置到CT的實際連接長度L 有關，對于星型接線Lc=L；對于不完全星型接線Lc=√3·L。

現場CT 為不完全星型接線，中性點和保護裝置的二次連接電纜截面為4mm2，其電阻為ρLc/A=0.0175X√3X320/4=2.42（Ω）＞2.14Ω，顯然電流互感器二次接線的負荷已超過要求的最大值，不滿足要求。

連接柜內CT的二次電纜為2.5mm2 不超過3m，其阻值rˊ=0.04Ω＜2.14Ω，滿足電流互感器的二次負荷要求。

在電動機啟動時，中性點側CT 因過負荷而飽和，而開關柜內CT 未飽和，一個存在較大的誤差，一個指示正確，而導致流過保護裝置的電流差值過大，引起差動保護裝置誤動。

為滿足中性點側CT 二次負荷要求，加大連接電纜截面。改造后沖擊合閘，啟動成功。但后來為何會出現偶爾的保護誤動呢？結合我廠的給水泵（電機距配電室25m，采用的4mm2銅芯電纜，額定負荷滿足大于二次實際負荷條件）試運期間也曾出現過一次類似誤動的情況，分析如下：

電動機啟動過程中， 定子啟動電流中不但有基頻交變分量，還存在著非周期分量即諧波分量，電流暫態過程很復雜，并和啟動時電動機條件有很大關系，啟動時諧波分量也可能會引起兩側電流互感器飽和特性不一致，產生不平衡電流，此電流有時能達到差動保護動作值，有時達不到保護動作值保護值。如果保護軟件沒能充分考慮電動機的暫態啟動過程，保護邏輯不完善，就不能可靠躲過啟動過程，會因諧波分量的干擾引起誤動。

3 差動保護誤動的解決方法

從以上分析中知道，鄭東電廠電動機啟動過程中差動保護誤動主要有兩種原因：1）保護裝置兩側CT的二次負載不匹配，中性點側CT二次過負荷；2）啟動時電流中的諧波分量引起誤動。

對于第一種原因的誤動，可以采取以下辦法來解決：

1）提高差動動作電流和差動制動系數來躲過；

2）改變電流互感器二次回路接線方式，從而改變接線系數；

3）增大CT的容量；

4）采用勵磁特性較高，二次負載能力強的二次為1A的CT；

5）加大電流回路電纜截面，減小連接導線阻抗。

采用提高差動動作電流和差動制動系數方法會降低保護在正常工作時的靈敏度，也不一定能可靠躲過啟動過程；對于第2），3），4）這3種方法，在設備已安裝完成進入調試的狀況下，現場很難實施；簡單易行且行之有效的方法是加大電流回路電纜截面，減小連接導線阻抗。

滿足電動機啟動時中性點CT二次負荷要求的連接導線最小截面為：

A1 ≥ ρLc/（ Z2-r1-r2）= √ 3ρL/（Z2-r1-r2）= √ 3X0.0175X320/（2.28-0.04-0.1）=4.53（mm2）

為保證三相短路時互感器二次負荷滿足容量要求，根據增壓風機速斷電流定值（2719.8A），求得n=2719.8/300=9.07，在電流互感器準確限值系數為9.07時的二次負荷能力為37VA，則Z2=37/52=1.48（Ω），滿足短路時中性點CT二次負荷要求的連接導線最小截面為：

A ≥√ 3ρL/（Z2-r1-r2）= √ 3X0.0175X320/（1.48-0.04-0.1）=7.24（mm2）

故從脫硫增壓風機到保護裝置加敷一根4 mm2銅芯電纜，分別與原來的中性點電流互感器二次電纜連接導線并聯使用，截面積達8mm2，大大減小了二次回路阻抗。滿足了啟動和事故短路的負荷要求。

對于第二種原因的誤動，可以采取以下辦法來降低諧波造成的影響。

1）提高差動動作電流和差動制動系數來躲過；

2）軟件內部設置一小段延時，躲過啟動過程中諧波造成的影響；

3）充分考慮電動機的暫態啟動過程，將軟件升級，完善保護邏輯。

若在啟動時設置一小段延時，會使保護可靠性降低；最根本的方法是完善保護邏輯。此情況與保護廠家聯系后，廠家到現場將產品程序升級，升級后裝置能根據電動機啟動和故障時兩種電流的不同特點，判斷是沖擊電流還是故障電流，從而判斷保護是否該動作，具有啟動時差動保護裝置的門檻電流自動加倍，故障時迅速動作出口的功能。該方案有效解決了因非周期分量暫態不平衡電流而造成差動誤動，可靠地躲過啟動過程。

經過上述處理后，經過多次啟動試驗及以后的實際運行，差動保護未再出現誤動情況，問題得以圓滿解決。

4 結論

無論是何種原因導致的電動機差動保護誤動，作為電氣工作人員，要仔細了解繼電保護裝置原理并根據誤動現象找出根本原因，才能提出切實可行的處理方法。廠家開發繼電保護新產品時，應充分了解現場被保護設備的使用條件和復雜特性，注意積累產品在運行中的經驗與教訓，吸取已有產品軟件編制方面的成功經驗，不斷提高軟件設計性能和使用質量。工程設計人員應充分考慮現場實際，選用經濟的適合具體工程特點的配置方案和接線方式，以提高設計質量，比如，如果電流互感器距離保護裝置較遠，可選擇二次額定電流為1A互感器，減小二次連接電纜截面滿足互感器復合誤差要求，降低投資。

[1]熊信銀.發電廠電氣部分.3版.中國電力出版，2004.

[2]馬志云.電機瞬態分析[M].中國電力出版，1998.