高阻抗差動保護在核電廠大型電動機中的應用

朱興文，衣蘭妹（華能山東石島灣核電有限公司，山東　榮成　264312）

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高阻抗差動保護在核電廠大型電動機中的應用

朱興文，衣蘭妹
（華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成264312）

摘要：高阻抗差動保護作為電動機的主保護在國外應用已十分廣泛，但在國內電廠應用較少。國內某核電站大型電動機采用SPAE010高阻抗保護繼電器，這是該類型保護在國內核電首次應用。針對核電站大型電動機保護問題，結合SPAE010高阻抗保護繼電器特點，分析了高阻抗差動保護原理及整定原則，介紹了大型電動機高阻抗差動保護的調試方法。

關鍵詞：高阻抗；差動保護；大型電動機；保護原理；整定；調試

0　引言

目前，核電機組單機容量持續向大型化發展，大容量電動機在核電機組中發揮著越來越重要的作用。而核電站對安全近乎苛刻的要求，對大型電動機的保護提出了更高的標準。高阻抗差動保護因其特有的穩定性和可靠性，而逐漸在核電站得到應用［1］。分析高阻抗差動保護原理及整定原則，并以SPAE010高阻抗保護繼電器的現場實際調試為例，闡述大型電動機高阻抗差動保護的定值整定和校驗方法。

1　高阻抗差動保護原理

1.1正常運行

圖1為正常運行時高阻抗差動保護原理圖，其中TA1、TA2為電流互感器，Ru為保護電阻器，KD為高阻抗差動繼電器，QF為電動機負荷開關。當正常運行或發生穿越性故障時，TA1一次側電流與TA2一次側電流有I1=I2，如果此時TA1與TA2變比相同，且二次側并聯，則在理想條件下TA1二次側電流i1與TA2二次側電流i2大小相等、方向相反，即ij=i1-i2=0。因此，高阻抗差動繼電器兩端的電壓Uab=ijRj=0，Rj為高阻抗差動繼電器的內部阻抗。

由以上分析可知，正常運行時，兩個TA二次繞組所流過的電流，在Ru和繼電器內阻上產生電壓降大小相等且方向相反，使繼電器輸入電壓為零，所以高阻抗差動繼電器不動作。但只適合于正常運行或發生穿越性故障且電流互感器TA沒有飽和的情形。

1.2電動機啟動

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。在兩個TA變比匹配合格的情況下，高阻抗差動保護繼電器兩端的電壓在兩個TA中單個完全飽和時電壓最高［2］。這種極端情況下的等效電路見圖2。

圖1　正常運行時高阻抗差動保護原理

圖2　 TA勵磁等效電路

圖中，Z1n為電流互感器TA一次側阻抗，Z2n為TA二次側阻抗，Zm為TA勵磁阻抗，ZL為TA二次負載阻抗，U1為一次電壓，U2二次負載電壓。當電流互感器TA完全飽和時，其勵磁阻抗Zm為0，且一二次側無電磁能量轉換，忽略二次漏抗，TA二次側輸入電阻僅為二次繞組的直流電阻Rin［3］。

圖3是電動機啟動時的原理接線圖，其中Rw為TA2連接電纜電阻，Z2n為TA2二次阻抗。

圖3　啟動時動作原理（TA2飽和）

當電流互感器TA2開始飽和時，TA2的勵磁阻抗減小，二次電流i2減小。當TA2完全飽和時，TA2的勵磁阻抗幾乎為零，二次電流i2也為零［4］。

在高阻抗差動回路中，由于繼電器支路的高阻抗特性，未飽和TA1的二次電流將流過飽和TA2回路，TA1的二次電流在TA2的二次阻抗及回路電阻上的壓降即為差動保護繼電器的兩端電壓Uab。

Uab=i1（Z2n+Rw）（1）

為了保證保護具有較高的靈敏度及可靠性，就應使Uab減小，也就是要求TA二次阻抗低，回路連接電纜電阻小。并且Uab的有效值應小于差動繼電器的動作整定值［5］。

1.3內部故障

圖4為內部故障時高阻抗差動保護動作原理圖。在電動機發生各種內部故障時，TA1和TA2二次側的電流大小相等、方向相同，且兩者的矢量和與一次側的故障電流成正比，二次側故障電流流過繼電器的高阻抗負載，使差動回路兩端電壓上升，高阻抗差動繼電器動作。

圖4　內部故障動作原理

當發生內部故障時，圖4的高阻抗差動回路等效電路如圖5所示。其中n為電流互感器匝數比，Zm為TA的勵磁阻抗值，Z02為TA的二次阻抗值。

圖5　高阻抗差動回路等效電路

在圖5中，TA的二次故障電流id=Id/n（Id為流過TA一次側故障電流），由于勵磁阻抗Zm很大，ie很小，所以有。此時，電流流入繼電器線圈，產生電壓。又因為繼電器阻抗Rj較大，TA的二次阻抗可忽略不計，繼電器兩端的電壓為由于繼電器支路的高阻抗特性，很小的故障電流即能引起繼電器動作。

2　高阻抗差動保護的整定

要使電動機高阻抗差動保護穩定有效，最主要的是滿足：在電機啟動時穿越性電流流過兩個電流互感器TA，差動保護不動作；在電動機發生各種內部故障時，差動保護及時動作。

繼電器動作電壓的整定電壓范圍較寬，要求整定值必須按最不利的電流互感器TA飽和情況和躲過最大的穿越性故障電流來選擇，以保證保護不誤動作。取1．3倍電動機最大啟動電流Ikmax作為最大穿越電流，一端電流互感器TA飽和繼電器不誤動，忽略飽和電流互感器TA二次漏抗，繼電器動作電壓需滿足

當電機發生內部故障時，流過故障電流的TA為高阻抗差動繼電器提供電壓。為使在區內故障時，TA能夠提供足夠的動作電壓，保障差動保護繼電器及時動作，電流互感器TA的勵磁拐點電壓Uk應為繼電器動作電壓Uop兩倍左右［6］。即

2.1保護定值整定計算

以某核電站凝結水泵為例，電動機參數：P= 10 500 kW，IN=1 029 A。TA參數：匝數比n=1 500/1，Rin=10．4 Ω，Uk=170 V；TA二次側電纜從保護安裝處到TA安裝處環路電阻值，需根據實際電纜截面及長度來測得，Rw暫取1 Ω。SPAE 010高阻抗差動繼電器參數：整定范圍0．4～1．2 Un，整定時間范圍不大于120 ms，Un=100 V。

2.2高阻抗差動繼電器定值整定

由以上計算結果知：Uop=82 V，又因Un=100 V，繼電器整定點為0．82Un。高阻抗差動繼電器SPAE010的裝置面板如圖6所示。用繼電保護測試儀在差動保護裝置002XI的40—41端子加單相電壓，電壓值為繼電器動作電壓整定值82V，然后用螺絲刀手動旋轉保護裝置面板的電壓調整旋鈕（），先粗調至0．8，然后再細調旋鈕，直至高阻抗差動保護動作，定值設置完畢。

圖6　高阻抗差動保護裝置面板

3　高阻抗差動保護校驗

根據大型電動機高阻抗差動保護原理分析及定值整定計算，設置好高阻抗差動繼電器的動作電壓定值，高阻抗差動保護在應用中還需注意：高阻抗差動保護用TA特性匹配正確，選用匝數比相同的TA，且兩個TA回路連接電纜電阻對稱；TA勵磁阻抗高、二次漏抗低、回路連接線電阻小；TA勵磁拐點電壓與繼電器動作電壓匹配［7］。為確定設置完定值后的電動機高阻抗差動保護是否合格，應對其進行校驗。

3.1高阻抗差動保護校驗方法分析

傳統的差動保護校驗方法，一般是通過繼電保護測試儀在保護用TA回路二次側加入故障電流，模擬差流，使差動保護繼電器動作，進而檢驗差動保護的正確性。然而高阻抗差動保護因差動繼電器回路的高阻抗特性，在TA二次回路加故障電流的方法在高阻抗差動保護的校驗中并不適用。

通過高阻抗差動保護原理分析知：當電動機發生內部故障時，TA二次側故障電流流過高阻抗差動繼電器支路和TA二次勵磁支路。為了保證高阻抗差動繼電器能可靠動作，要求與繼電器動作電壓相對應的TA勵磁電流與高阻抗差動繼電器支路電流之和小于最小故障電流對應的二次電流。

因此，可通過測試內部故障的最小電流值高阻抗差動繼電器是否動作，來確定電動機高阻抗差動保護的可靠性。校驗原理如圖7所示。在電流互感器TA1一次側的P1和P2端施加電流，從0開始逐漸增大，記錄繼電器動作時TA1的一次電流值Id，并檢測保護動作時差動保護裝置002XI的40—41端子的電壓是否為定值整定值。

圖7　高阻抗差動保護校驗原理

3.2高阻抗差動保護校驗方法驗證

根據上述保護校驗方法分析，可采用一次通流法校驗高阻抗差動保護。一次通流法原理如圖8所示。

圖8　一次通流原理示意

一次通流法采用從母線TV柜下口加電流，同時使電動機回路開關下口接地，操作開關合閘實現電流流過一次設備并通過大地形成回流。

3．2．1一次通流的實施方法

該核電站6．6 kV中壓系統采用的是UniGear ZS1型開關柜，該類型開關柜接地開關與柜門存在機械聯鎖，在進行一次通流試驗設備狀態設置時需人為強制解鎖。

1）將電動機回路開關柜接地開關合上，柜門打開，用短接線將其三相接地，然后分開接地開關，用螺絲刀頂住柜門與開關位置的聯鎖機構（因柜門打開時，有機械閉鎖不允許將開關推到工作位），將開關推至工作位置，并用就地試驗盒將電動機回路開關合閘；

2）合上母線TV柜接地開關，打開TV柜下艙門，手動強制艙門與接地開關位置的聯鎖機構，然后分開接地開關；

3）將繼電保護測試儀的A、B、C三相電流測試線接在TV柜下艙的U、V、W上，N相接在接地母排上；

4）用繼電保護測試儀通過連接在TV柜下艙的U、V、W的試驗線向母線加電流，電流從0開始逐漸增大；

5）用打到交流電壓檔的萬用表測量差動保護裝置002XI 40—41端子的電壓，驗證是否在定值電壓附近保護動作，同時記錄下動作時繼電保護測試儀加在一次側的電流值。

采用上述試驗方法對某核電站凝結水泵（P= 10 500 kW，IN=1 029 A）進行高阻抗差動保護校驗，經檢驗：差動保護動作時，測得電壓值為81．7 V，高阻抗差動保護的定值為82 V，即在定值附近保護可靠動作，高阻抗差動保護校驗合格。

3．2．2一次通流應注意的問題

一次通流保護校驗法僅適用于單體調試或母線停電檢修階段。

因試驗操作需進行開關柜接地開關與柜門之間機械閉鎖的強制解鎖，誤操作易損壞設備，所以強制解除閉鎖時應嚴格按照開關運維手冊的相關說明進行操作。

試驗前做好接地線和測試線的連接記錄，并認真檢查試驗接線正確性，試驗后根據相關記錄拆除接線，做好試驗恢復。

若在開關柜側無法進行一次通流進行保護校驗，在電動機機端側現場滿足試驗條件的情況下，可采取在電動機機端側TA一次通流驗證，但需做好電動機機端側TA通流和開關柜側電氣參數測量、保護裝置動作記錄之間的配合。

4　結語

高阻抗差動保護目前在國內應用較少，且還沒有相應的保護標準，因此在工程應用中，應結合實際情況和選用的電流互感器的特性、參數等，進行合理的定值整定和保護校驗。通過實踐驗證了一次通流法對于實現大型電動機高阻抗差動保護校驗的可行性，為其他核電項目的大型電動機高阻抗差動保護的校驗提供借鑒和參考。

參考文獻

［1］李德佳．大型電動機高阻抗差動保護原理、整定及應用［J］．繼電器，2004，32（10）：67-69．

［2］黃秋根．變壓器高阻抗差動保護的應用［J］．電工技術，2011（6）：10-12．

［3］樂啟昌，樂蕭彤．高阻抗變壓器的應用［J］．黑龍江電力，2001，23 （6）：442-445．

［4］郭玉恒，宋好鳳，蔣文林．廠用系統保護TA配置探討［J］．繼電器，2003，31（5）：56-58．

［5］袁層，邰能靈．一起主變高阻抗差動保護誤動分析［J］．電力自動化設備，2008（8）：121-123．

［6］DL/T 866—2004電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則［S］．

［7］遲永久，劉海濤，邱斌．高阻抗差動繼電器用電流互感器及其設計［J］．低壓電器，2002（2）：48-51．

Application of High Impedance Differential Protection for Large M otors in Nuclear Stations

ZHU Xingwen，YI Lanmei
（Huaneng Shandong Shidaobay Nuclear Power Company，Rongcheng 264312，China）

Abstract:High impedance differential protection as the main protection of motors is widely applied in foreign power plants，while it is rarely applied in China．SPAE010 high impedance protection relay is applied to the large motor protection in domestic nuclear power plant．This is the first time for it to be applied in nuclear power projects in China．For the protection problem of large motors in nuclear station，combined with features of SPAE010，the principium and setting principles of the high impedance differential protection are analyzed，and the debugging method of the high impedance differential protection for large motors is introduced．

Key words:high impedance；differential protection；large motor；principium；setting；debugging

中圖分類號：TM77

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9904（2016）02-0055-05

收稿日期：2015-10-29

作者簡介：

朱興文（1986），男，工程師，從事核電廠電氣調試工作。