淺談電動機差動保護基本原理及事故處理應(yīng)用

劉 哲，閆順康，陳毅航

（國網(wǎng)新源電力檢修分公司，北京市 100068）

淺談電動機差動保護基本原理及事故處理應(yīng)用

劉 哲，閆順康，陳毅航

（國網(wǎng)新源電力檢修分公司，北京市 100068）

本文主要介紹了電動機差動保護基本原理與邏輯，并以此分析解決某電廠高壓廠用電動機運行期間差動保護誤動問題，解決問題方法較新穎實用，此方法可推廣至發(fā)電機保護類似事故處理，為以后事故分析積累了經(jīng)驗。

差動保護；保護邏輯；故障錄波器；事故處理

0 引言

差動保護是反映被保護元件（或區(qū)域）兩側(cè)電流差而動作的保護裝置，差動保護作為被保護元器件的內(nèi)部故障的保護，電流互感器安裝在被保護設(shè)備的兩側(cè)，在正常或外部發(fā)生故障時，流入差動保護的電流為不平衡電流，在適當(dāng)選擇好兩側(cè)電流互感器的變比和接線方式下，該不平衡電流值很小，并小于差動保護的動作電流，故保護不會動作，被保護設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時，流入差動保護裝置的電流大于差動保護的動作電流，差動保護動作于跳閘。差動保護原理簡單，使用電氣量單純，保護范圍明確，保護動作迅速，一直作為變壓器、發(fā)電機、電動機、線路及母差等設(shè)備的主保護。由于變壓器差動保護涉及到不同接線方式及變比，掌握起來難點較多，故大家接觸較多并比較重視，而發(fā)電機與電動機差動保護涉及不到接線方式，并且兩端變比大多數(shù)情況下一樣，該保護較容易理解與掌握大家深究較少，而筆者正是根據(jù)電動機差動保護原理與邏輯巧妙的解決了一起差動保護誤動問題，下面結(jié)合某電動機差動保護原理與邏輯將事故經(jīng)過與解決方法進行闡述。

1 事故初步處理經(jīng)過

2014年2月20日17時23分某發(fā)電廠3號機組6kV一臺高壓電動機差動保護跳閘。就地檢查為6kV綜合保護裝置C相差動保護跳閘，針對此次保護跳閘電氣一次人員檢查一次設(shè)備未發(fā)現(xiàn)異常，電氣二次人員對保護裝置進行全面檢查也未發(fā)現(xiàn)事故原因，詳細事故檢查經(jīng)過及處理經(jīng)過如下：

檢查監(jiān)控系統(tǒng)報警，監(jiān)控系統(tǒng)顯示為該電動機差動保護比率制動C相動作。到該電動機現(xiàn)地保護柜處檢查，差動保護裝置事故報告為C相比率差動動作，三相差流分別為DIa=0.04A、DIb=0.09A、DIc=1.76A，制動電流HIc=1.54A，差動保護定值為Icd=1.3A，額定值Ie=3.8A，一段比率制動系數(shù)為0.5，其中C相差流DIc為1.76A超過保護定值，滿足保護跳閘判據(jù)，保護動作。經(jīng)過上面檢查可以確定該電動機跳閘因為差動保護裝置出口動作引起的，從而對保護裝置及二次回路進行了全面檢查。

為了判斷是否因為TA二次回路問題引起差動保護動作，在保護柜端子排上打開TA連片后分別對中性點和開關(guān)側(cè)兩組TA二次回路直阻進行了檢查，經(jīng)檢查兩組TA二次回路直阻數(shù)值平衡，回路直阻正常，數(shù)據(jù)見表1。檢查差動保護電流二次回路中性線接地情況滿足規(guī)程要求，斷開二次回路中性點接地線后用500V絕緣電阻表分別對兩組TA二次電流回路進行檢查，絕緣情況良好，未發(fā)現(xiàn)異常。

表1 TA二次回路直阻

進一步對該差動保護抗干擾情況進行了檢查，檢查該保護裝置外殼接地線良好，檢查保護裝置機殼對地電壓為0.01V，保護裝置外殼接地情況無異常。

對保護裝置工作電壓、操作電壓及電源模塊進行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，打開保護裝置檢查CPU板與控制板，各板件干凈整潔無開焊、燒毀與松動現(xiàn)象。

檢查完二次回路后對該差動保護裝置進行了保護校驗，首先對保護采樣進行檢查，各路電流采樣均正常，然后差動保護各相啟動值、比率制動系數(shù)及差動速斷定值進行了詳細的校驗，保護裝置均能正常準(zhǔn)確動作未發(fā)現(xiàn)異常。

經(jīng)過上面對二次回路與保護裝置全面檢查未發(fā)現(xiàn)事故跳閘的原因，同時電氣一次檢查一次電纜絕緣、電動機絕緣及電動機三相直阻也未發(fā)現(xiàn)異常，該電動機于2月20日21：20投入運行，投運后檢查差動保護裝置采樣正常。2月21日 22：32：45該差動保護C相再次動作（第二次），三相差流分別為DIa=0.04A、DIb=0.07A、DIc=1.32A，制動電流HIc=1.68A，滿足保護動作判據(jù)。針對此次跳閘采取故障逐項排除的方法，申請該電動機停運后，更換差動保護中性點到6kV開關(guān)端子排電纜，更換6kV開關(guān)側(cè)TA出線到端子排電纜，更換后檢查TA二次回路直阻、絕緣情況良好。2月22日13時將該電動機投入運行，此時為了防止差動保護裝置誤動而將差動保護跳閘線解除，該電動機后備保護正常投入，電動機啟動后記錄各相電流采樣、差值及相角均正常。2月22日14：10：59該差動保護C相再次動作（第三次），三相差流分別為DIa=0.01A、DIb=0.14A、DIc=2.05A，制動電流HIc=1.56A，滿足保護動作判據(jù)。因事先將差動保護跳閘出口線解除未造成該電動機停運。

至此，該電動機差動保護連續(xù)跳閘3次，從保護動作報告來看屬于正常動作，后備保護無異常反應(yīng)（無異常啟動），但對差動保護交流采樣、定值校驗、二次回路直阻、二次回路絕緣及干擾等方面檢查也沒發(fā)現(xiàn)異常，檢查保護電路板件，電路板干凈整潔無燒壞、開焊、松動現(xiàn)象，更換TA兩組二次電纜后保護也動作（同樣是差動保護C相動作），排除二次回路問題后，問題只有可能出現(xiàn)在保護裝置或者電氣一次設(shè)備上，由于電氣一次設(shè)備檢查絕緣、直阻及運行中紅外測溫均未發(fā)現(xiàn)異常，電氣一次設(shè)備難以再進一步排除問題，只能從保護裝置處入手。如果是保護裝置存在問題則是軟故障，這種故障發(fā)生后又返回難以捕捉，處理起來后難度較大，為此對該保護裝置原理與邏輯進一步研究。

2 微機電動機差動保護基本概念

隨著科學(xué)技術(shù)的基本，現(xiàn)在模擬式保護裝置基本被微機保護裝置所取代，并且微機保護裝置在可靠性、經(jīng)濟性等方面均具有很大優(yōu)勢，保護原理除在繼承原來模擬式保護裝置原理外，微機保護更具有靈活性，如原來模擬式差動保護對電流互感器極性有明確規(guī)定，即規(guī)定以被保護設(shè)備故障時流向故障點方向端為極性端，微機差動保護裝置則沒有此硬性要求，部分裝置可根據(jù)TA實際極性情況改變內(nèi)部極性控制字來實現(xiàn)，在差動電流、制動電流計算方法上根據(jù)極性端不同也有不同算法，但在可靠性、靈敏性方面基本一致的。為了理解后面處理方法，以該保護裝置技術(shù)說明書為基礎(chǔ)將電動機差動保護幾個基本概念與邏輯簡單介紹一下。

2.1 差動啟動元件

微機差動保護裝置差動速斷與比率差動一般采用突變量啟動元件和過流啟動元件，當(dāng)差動電流發(fā)生突變或者差動電流的最大值大于相應(yīng)過流定值時，啟動元件動作并開放差動保護一段時間。

2.2 差動電流制動電流計算公式

不同原理微機差動保護裝置在計算差動電流與制動電流時不盡相同，保護裝置規(guī)定的接入保護極性對算法也有一定影響，該保護按照同名端在一側(cè)的原則進行差動電流的計算，即為兩側(cè)電流矢量和，見公式（1），制動電流按照兩側(cè)電流和的一半計算，見公式（2）。

2.3 差動速斷保護

差動速斷保護沒有制動特性，實質(zhì)上是差流越限的高定值保護，電動機內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重短路故障時，為了迅速啟動保護而設(shè)置了此功能，該保護動作邏輯圖見圖1。保護動作判據(jù)為見公式（3）。

保護動作判據(jù)：

式中：Icdsd——差動速斷保護動作電流整定值。

圖1 差動速斷邏輯圖

2.4 比率制動式差動保護

比率制動式差動保護既能在外部短路時有可靠的制動作用，又能在內(nèi)部短路時有較高的靈敏度，有的微機差動保護采用兩折線制動原理，有的采用三折線制動原理。該電動機差動保護采用三折線比率差動原理，其動作曲線見圖2。

圖2 比率制動動作曲線

三折線電動機差動保護動作判據(jù)如下：

式中：Icdqd——比率差動保護動作電流整定值；

Ie——電動機運行額定電流二次值。

2.5 TA斷線閉鎖差動保護

為防止因TA斷線引起比率差動保護誤動，現(xiàn)在微機差動保護基本都有TA斷線瞬時閉鎖差動保護、TA斷線告警功能，用戶可根據(jù)實際情況選擇投入TA斷線閉鎖差動保護功能，或者是TA斷線后讓差動保護跳閘，該電動機差動保護具有TA斷線閉鎖差動保護功能，并投入了運行。

3 事故進一步分析處理

經(jīng)過對電動機差動保護的原理與邏輯進一步研究，發(fā)現(xiàn)微機式電動機差動保護與變壓器差動保護在分析處理電流采樣上面有所不同，由于現(xiàn)在微機變壓器差動保護TA二次回路普遍采用星型接線方式，由此接線導(dǎo)致的幅值、相位差均由保護內(nèi)部換算修正，根據(jù)接線方式不同在內(nèi)部換算時存在某相電流由另外兩相電流折算而來的情況，故變壓器差動保護對三相相序有嚴(yán)格要求，而電動機差動保護內(nèi)部處理采樣時是三相分別單獨比較，不需要折算，直接一側(cè)A相對另一側(cè)a相，B相對b相，C相對c相進行比較，對三相電流相序沒有要求，根據(jù)此原理借助錄波器對差動保護裝置進行了進一步檢查。

為了分清是保護裝置問題還是一次設(shè)備問題，將差動保護裝置6路TA在端子排處封死，分別將中性點、開關(guān)側(cè)TA的B、C相交換位置，即實際二次回路的B相電流進保護裝置的C相采樣回路，實際二次回路的C相電流進保護裝置的B相采樣回路，見換線后接線示意圖3。

圖3 換線差動保護接線示意圖

后備保護回路未變，仍正常相序運行。同時將實際回路B相二次電流（即差動保護裝置C相電流采樣回路）中性點側(cè)與開關(guān)側(cè)分別接入錄波器的通道2與錄波器的通道3，將差動保護裝置跳閘出口引入錄波器的通道1并將該量發(fā)生變化作為錄波器的起動量。2月22日上午11：41將該電動機投入運行，此時后備保護正常投入，差動保護跳閘回路繼續(xù)解除。2月23日2：23：54該差動保護再次動作，保護動作報告為比率差動保護C相跳閘，三相差流分別為DIa=0.01A、DIb=0.2A、DIc=2.00A，制動電流HIc=1.74A，滿足保護動作判據(jù)，錄波器錄波圖見圖4。

從錄波圖上分析發(fā)現(xiàn)錄波器通道一保護跳閘出口時間保持67.6ms后返回，在保護動作出口前后通道2與通道3電流波形無電流突變與波動，兩個通道電流基本重疊故無差動電流，而此時保護動作報告顯示C相差流為2A，保護動作后瞬間返回。

圖4 保護跳閘錄波圖

2月23日下午該保護廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場來檢查，廠家技術(shù)人員通過專用軟件調(diào)取保護裝置本身故障時跳閘波形，但保護裝置沒有任何記錄，隨即廠家人員做TA閉鎖差動保護試驗，將開關(guān)側(cè)C相電流封死，斷開TA二次端子排連片，此時流入保護裝置的電流為0，滿足TA斷線判據(jù)，經(jīng)延時保護面板顯示TA斷線，但報警燈不亮，且不向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警，稍后差動保護動作，TA斷線功能未閉鎖住差動保護動作，不滿足保護裝置邏輯。

根據(jù)差動保護多次動作數(shù)據(jù)及錄波器錄波圖分析可以基本確定多次保護跳閘為保護裝置誤動，但由于為軟故障，并未發(fā)現(xiàn)明顯的故障點，保護誤動具體原因需要等保護裝置回廠家檢驗完畢后才能知道。另外差動保護裝置未能正確記錄到故障時錄波數(shù)據(jù)，并且TA斷線閉鎖差動保護功能存在問題，更加確認了保護裝置也存在問題。

在明確了此次事故原因后采取了相應(yīng)的措施，包括更換該電動機差動保護裝置，將其更換為升級后的保護裝置，并對更換后的保護進行了全部校驗，暫時將差動保護跳閘出口解除（保留后備保護），待穩(wěn)定后投入運行，將差動保護C相電流引入錄波器繼續(xù)對該電機進行監(jiān)視，將存在問題的差動保護裝置送至廠家進行檢驗。事后經(jīng)過連續(xù)運行2周時間該電動機的差動保護未發(fā)生異常，經(jīng)廠里批準(zhǔn)后將差動保護正式投入運行，根據(jù)廠家事后反饋為CPU板件存在缺陷，升級后的裝置已將該缺陷消除。

4 小結(jié)

本次事故屬于保護裝置軟故障，故障后保護裝置又瞬間返回，通過檢測難以發(fā)現(xiàn)事故原因，處理起來難度很大，而筆者深入了解該裝置原理與邏輯后，將該裝置B相與C相電流互換，并借助錄波器巧妙的判斷出了故障原因，以后大家在分析處理事故時應(yīng)深入掌握理解設(shè)備原理、邏輯，多借助外部工具，問題便可迎刃而解。

[1] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2] 國調(diào)中心.電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)實用技術(shù)問答 （第二版）[M]. 北京，中國電力出版社，1997.

[3] 國調(diào)中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護培訓(xùn)教材 [M]. 北京，中國電力出版社，2009.

劉 哲（1982—），男，本科，工程師，專工，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)。郵箱：82754716@qq.com

閆順康（1964—），男，本科，助工，主任，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)。

陳毅航（1989—），男，本科，助工，專工、主要研究方向：電力系統(tǒng)高壓試驗。

Brief Talking on the Basic Theory of Electric Motor’s Differential Protection and the Application of Accident Treatment

LIU Zhe，YAN Shunkang，CHEN Yihang
（State Grid Xin Yuan Power Maintenance Branch，F(xiàn)engtai District，Beijing 100068）

This paper mainly describes the differential protection theory and logic of the electric motor，we can analyze and solve the problem of differential protection during the running of the electric motor. This method will be more innovative and practical，which can be popularized to solve the similar accidents of the power generator protection. It also contributes more experience to the accident analysis.

differential protection；protection logic；fault recorder；accident processing