三種電動機差動保護原理的分析

林令知 于昆 劉強

摘要：國內常用比率制動式縱差保護以及國外運用廣泛的高阻抗差動保護和磁平衡差動的保護，針對電動機差動保護經常誤動得現狀,分析這三種差動保護的優缺點以及誤動的原因。

關鍵詞：電動機差動保護 比率制動 高阻抗 磁平衡 誤動

0 概述

微機型電動機保護廣泛應用于發電廠和大型廠礦企業, 一般電動機都裝設綜合保護,火力發電廠廠用電設計技術規定上規定2MW及以上的電動機以及2MW以下中性點具有分相引線的電動機，當電流速斷保護靈敏性不夠時應裝設縱聯差動保護，作為電動機的相間短路或匝間短路的主保護。

1 基于比率制動的縱差保護的動作原理及分析

比率制動式縱差保護繼電器的差動電流id和制動電流ires各為

id= i1- i2=（ 1- 2）/na

ires=（i1- i2）/2=（ 1+ 2）/2na

當差動保護區外短路時外部短路電流 k?ou為

1= 2= k?ou，id =0

隨著外部短路電流 k?ou的增大，雖然不平衡電流和差動電流id均有所增加，但是制動電流ires隨 k?ou的線性增大繼電器的動作電流也就相應的增大，從而達到保護不誤動的目的，保護動作的判據：

|I1-I2|≥Iset

|I1-I2|≥K|(I1+ I2)/2|

Iset為保護最小的動作電流，K為比率制動系數。

比率制動差動保護就是依靠動作電流和制動電流的動態變化，當兩個判據同時滿足使保護在區內故障靈敏動作。

接入差動保護的電流為設置在電動機三相電纜輸入端（中壓開關柜）及電動機的中性點的三組電流互感器二次三相電流，電動機差動保護由三個分相差動原件組成。由于用于電動機的差動保護CT空間安裝位置不同，造成二次回路阻抗大小不一致CT有不同的傳變特性，在電動機啟動或者外部短路時，容易引起差動保護誤動。所以比率制動差動保護引入比率制動系數K。在實際情況中可以給差動元件80~100ms的動作延時，以便躲過電動機啟動時的不平衡電流，防止電動機啟動時保護誤動也可以在保護裝置中增加諧波制動。

2 高阻抗差動保護的動作原理及分析

1) 正常運行時, I1 = I2 ,所以ij = i1 - i2 = 0。因此,繼電器兩端電壓Uab = ij ×Rj = 0。Rj 為繼電器內部阻抗。電流不流經繼電器線圈,也不會產生電壓,所以繼電器不動作。

2) 由于電動機啟動電流較大,是額定電流的6～8 倍且含有較大的非周期分量。當CT1 與CT2 特性存在差異或剩磁不同,如有一個CT 先飽和。假設CT2 先飽和,CT2 的勵磁阻抗減小,二次電流i2 減小。由于ij = i1 - i2導致ij 上升,繼電器兩端電壓Uab上升。這樣又進一步使CT2 飽和,直至CT2 完全飽和時,CT2 的勵磁阻抗幾乎為零。繼電器輸入端僅承受i1 在CT2 的二次漏阻抗Z02和連接電纜電阻Rw 產生的壓降。

Uab = ij ( Rw + Z02)

為了保證保護有較高的靈敏度及可靠性,就應使Uab減小,也就是要求CT 二次漏阻抗降低。這種情況下,繼電器的整定值應大于Uab ,才能保證繼電器不誤動

3) 發生區內故障時，i1 = Id/ n ( n為CT1 電流互感器匝數比) ij = i1 - ie≈ i1 , Uab = ij×Rj≈ i1 Rj 此時電流流入繼電器線圈,產生電壓,檢測出故障,繼電器動作。由于CT1 二次電流i1可分為流向CT 勵磁阻抗Zm 的電流ie 和流向繼電器的電流ij 。因此,勵磁阻抗Zm 越大,越能檢測出更小的故障電流,保護的靈敏度就越高。

高阻抗差動保護的主要優點: ① 區外故障CT飽和時不易產生誤動作; ②區內故障有較高的靈敏度。

高阻抗差動保護用的CT設計要點是:依據拐點電壓及拐點電壓下的勵磁電流來確定鐵芯尺寸。保證在區內故障時,CT 能提供足夠的動作電壓。

Uk ≥2US，Uk 為CT 的額定拐點電壓，US 為保證不誤動的電壓值。CT的額定拐點電壓也稱飽和起始電壓,此電壓定義為額定頻率正弦波電動勢最小方均根值加于被測CT 二次繞組兩端,一次繞組開路,測量勵磁電流,當電壓每增加10 %時,勵磁電流的增加至但不大于50 %。

一般情況下高阻抗差動保護用CT勵磁阻抗為幾十千歐姆的數量級，如果匝數比的分散性很大,CT1和CT2的二次電流i1 和i2 不能互相抵消, 該差值電流ij流經繼電器線圈,即成為產生誤動作的原因。英國標準中匝數比誤差規定為±0. 25 %，匝數較大CT容易滿足該規定并且能保證保護不發生誤動作，匝數較小CT即使滿足該規定,在電動機啟動時的差電壓也較大,足以造成保護誤動作。

為了避免保護誤動，用于該保護的CT要求勵磁阻抗高、二次漏抗低和匝數比誤差小而且CT鐵芯尺寸要依據拐點電壓及拐點電壓下的勵磁電流來確定。對于高阻抗差動保護用CT的特性在實際選用時應采用同一廠家,同一批產品中特性相近、匝數比相同的CT。

3磁平衡式差動保護的動作原理及分析

根據磁平衡原理，同相首尾一次電流經串芯電流互感器后，差動電流中不存在因TA誤差原因產生的差電流。在電動機正常運行或外部短路時，各相始端和終端電流一進一出，互感器一次安匝為零，不平衡電流幾乎為零。保護不動作。磁平衡差動保護三相接線時，電動機每相繞組的始端（機端）和終端（中性側）引線分別入、出磁平衡電流互感器TA的環形鐵芯窗口一次。

在電動機沒有發生相間短路的情況下，由于每相只用1 只電流互感器, 不存在縱差保護中2 只電流互感器負載不平衡的問題, 不平衡電流僅由反向穿過電流互感器的電流產生的漏磁通之差產生, 因此很小, 正常運行時小于0.005倍電動機額定電流。依靠互感器一次勵磁安匝的磁平衡，徹底根除電動機自啟動和外部故障短路暫態過程中的誤動作，而且簡化保護整定。由于磁平衡的原理，電流互感器二次側短線也不會產生過電壓現象。

磁平衡式電動機差動保護的保護范圍不包括電動機與開關柜之間的高壓電纜，對于非直接接地系統的電纜網絡供電時的電動機內部發生單相接地故障時，故障電流僅是電纜網絡的電容電流，要保證繼電器與CT的負載匹配，以求在電機繞組單相接地時能有靈敏反應。

4 結論

從上文分析中可以看出不管基于何種原理的電動機差動保護,由于存在不平衡電流引起差動保護誤動。CT選型、合理的選擇二次負載,優化保護整定值,對電動機差動保護正確動作有至關重要的作用。但是我們應看到基于磁平衡原理的差動保護在電動機啟動以及外部故障，能夠完善的避免保護誤動作。但是目前由于制造原因, 國內生產的電動機一般不裝置磁平衡保護所用的電流互感器, 導致磁平衡電動機差動保護沒有引起足夠的重視,現在國內南瑞、東大金智的數字式電動機保護均有磁平衡式電動機差動保護功能，在電動穩定運行要求較高的場合，電動機結構能滿足裝設磁平衡電流互感器的條件下，考慮到磁平衡差動保護較簡單可靠，應加以運用。

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注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。