電動機差動保護誤動分析與改進措施

石生旺

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電動機差動保護誤動分析與改進措施

石生旺

（廣東韶關發電廠，廣東韶關 512132）

對電動機起動過程中差動保護誤動原因的分析，一般認為多重因素導致電動機起動時電動機側電流互感器嚴重飽和，使二次電流出現畸變失真引起差動保護誤動。針對電動機差動保護和電流互感器特點，本文給出了多個解決電流互感器飽和的方案，并結合目前發電廠廠用電發展趨勢，提出廠用電流互感器參數選擇、二次回路設計等方面需要考慮與保護配合，避免保護發生拒動、誤動。

飽和；差動保護；二次負荷；起動電流；準確限值；電纜截面積

當發電廠高壓廠用電動機2MW及以上的電動機、或2MW以下但電流速斷保護靈敏系數不符合要求時，可裝設縱聯差動保護，縱聯差動保護應防止在電動機自起動過程中誤動作[1]。在工程應用中，在保護電流互感器參數選擇、回路電纜設計時未考慮高壓電動機特有的高倍起動電流特點和電動機位置至保護安裝處距離兩個因素，導致高壓電動機起動時差動保護誤動時有發生[2]。本文通過高壓電動機差動保護誤動分析，提出多條解決措施，并結合現場廠用保護應用情況和電流互感器制造現狀，提出廠用電電流互感器參數應結合多因素使用條件選擇，滿足保護測量要求，以供設計、維護參考。

1 高壓電動機起動誤動實例

1.1 保護誤動情況

給水泵電動機YKS5500-4額定電壓為6kV，額定功率為5500kW，額定電流為611A，額定轉速為1491r/min，繞組接法Y，功率因數為0.892。

電動機開關和電動機側配置天津市百利紐泰克AS12/150b/4S的CT，A、C兩相配置，變比為800/5，保護準確級為5P20，二次額定容量為20VA，二次繞組直流電阻CT=0.52W，開關側CT二次側采用2.5mm2軟導線引接至保護裝置；電動機側CT置于電動機尾部，采用2.5mm2屏蔽電纜引接至開關柜保護裝置，長度為150m。

保護配置東大金智WDZ-3C，裝于6kV開關柜體。保護定值：動作電流為1.53A，比率系數為0.2，自動加倍功能投入。

給水泵帶載起動時，出現差動保護動作。差動動作電流為12.5A。電動機檢查絕緣、直阻合格，CT回路及極性正確。錄波顯示起動電流最大達到5.4倍額定電流。

1.2 保護動作分析

1）電流互感器伏安特性因素分析

電動機無故障，差流越限動作。起動電流qd= 3299A，電流互感器準確限值一次電流pal=20×800= 1600A，qd＜pal，在電流互感器誤差范圍內的準確限值一次電流遠遠大于電動機起動電流，說明互感器的準確限值沒問題。對電動機開關側及電機側CT進行伏安特性測試，見表1，可見兩者差異不大。

表1 電機兩側CT伏安特性試驗數據（單位：A）

2）二次負荷因素分析

電流互感器簡化等值電路如圖1[3]所示。

圖1 電流互感器簡化等值電路

注：p為一次電流；s為一、二次電流；s為二次感應電動勢；e為一、二次勵磁電流；Ze為一勵磁阻抗；ct為一、二次繞組漏抗；ct為一、二次繞組電阻；s為一、二次電壓；b為一、二次負荷阻抗。

當鐵心不飽和時，二次勵磁電流e很小，一次電流p成正比傳變為二次電流s，誤差很小；當鐵心飽和時，勵磁阻抗e變小，二次勵磁電流e增大，導致傳變誤差增大，不能真實反應一次電流，誤差主要是勵磁電流e。

電流互感器二次負荷為

電纜單程阻抗為

（2）

電流互感器實際二次負荷阻抗為

式中，r為數字繼電器，僅計電阻r，取0.04；c為接觸電阻取0.05；rc為接線阻抗換算系數為；lc為電纜連接導線阻抗換算系數為[3]。

由式（3）計算實際負荷b＞bn，給水泵電動機起動時，起動過程中電動機側電流互感器實際二次負荷為

穩態運行時的電動機側的電流互感器二次負荷已經超過電流互感器額定負荷。電動機起動二次負荷b遠遠大于互感器額定二次負荷bn，b=41bn。

根據電流倍數與允許負載關系以廠家互感器10%誤差曲線或者準確限值系數曲線校核，但通常廠家不提供該特性曲線。在工程應用中通過伏安特性試驗核算負載阻抗和誤差關系時，需要勵磁電流必須大于互感器二次額定電流，且伏安特性飽和，否則不能校核二次負載[7]。從表1中數據和拐點判別標準，當額定頻率電壓增加10%時，勵磁電流方均根值增加不大于50%，可以看出在勵磁電流在0.5A已經處于拐點[3]。按照起動電流20.6A的10%誤差算，在勵磁電流2A時，勵磁電壓對應220V左右，起動互感器回路二次電壓s為

s＜，核算滿足。當制造廠不能提供準確限值系數曲線核驗時，現場測試的伏安特性曲線可作為參考。從本次工程中和實際應用中，高伏安特性的互感器允許的實際二次負載遠大于理論計算負載。

電流互感器的鐵心飽和是影響其性能的最重要因素。影響互感器飽和的主要因素有電流幅值、二次回路的阻抗、電流互感器的工頻勵磁阻抗、電流互感器匝數比和剩磁等[3]。

（1）電流幅值因素，qd＜pal，起動電流大不是引起電流互感器飽和誤差的決定因素。

（2）起動運行工況下，電動機側電流互感器二次二次容量為額定值41倍，二者之差不是一個數量級，二次感應電動勢很高，引起磁通密度增加，鐵心高度飽和，勵磁e增加，輸出電流二次電流s不能正確反應一次電流p，出現畸變。

實際上電動機起動是一個復雜的過程，起動瞬間為暫態過程，存在非周期分量，起動電流嚴重偏移，為保證準確傳變暫態短路電流，電流互感器在暫態過程中所需磁鏈可能是傳變等值穩態對稱短路電流磁鏈的幾倍至幾十倍，這可能導致電流互感器嚴重暫態飽和[3-4]。

（3）電流互感器參數是二次勵磁阻抗、匝數比、剩磁。這三者參數特性固定，現場安裝后不可改變。勵磁阻抗取決于鐵心的大小和材質，在給定的的一次電流和鐵心截面前，增加變比可以減少磁通密度，降低飽和因素。P級的型號互感器對剩磁無限制，微機保護使用使得二次負荷由阻感性變為電阻性，剩磁取決于一次電流開斷瞬間鐵心的磁通，使得P類電流互感器的殘留剩磁大大增加，剩磁可能使互感器在一次電流遠小于飽和值時過早飽和，國內很多文獻推薦采用剩磁限制的PR類互感器[5]，從剩磁不確定性和投資成本上，廠用電選用對剩磁不限制的P級互感器是常規之選，新導則[3]在廠用電用電流互感器未明確推薦使用PR級互感器。

高倍起動電流、含非周期分量暫態，持續時間長、二次負荷嚴重超限等多重因素，引起電動機起動過程中互感器輸出二次負荷不能滿足電動機起動工況，鐵心嚴重飽和，二次電流畸變，差流越限，保護動作。

2 防止電流互感器飽和處理措施和參數分析

2.1 二次回路優化和互感器參數

從上述分析可知，降低回路二次阻抗，是防止電動機起動過程中電流互感器飽和而差動誤動的有效措施[6-10]。降低二次負荷有多重措施，要根據現場設備、安裝空間，先易后難優先選擇，主要有以下幾種方法。

1）提高電流互感器變比，選用勵磁特性較好的的電流互感器，減小準確限值倍數，降低電流互感器的飽和程度因素。

2）將二次額定電流從5A降至1A，在負載阻抗不變的情況下，相應的二次回路負荷降低了25倍，互感器不容易飽和。

3）改變電流互感器接線方式，將兩相不完全星形接線改為三相完全星形接線，可降低二次負荷。

4）互感器二次繞組串接，輸出容量增大一倍，提高電流互感器輸出抗飽和能力。

5）提高二次電纜截面積，減小CT二次負載。

6）采用抗飽和能力強的保護原理。

在方法1）至3）中，需要更換電流互感器，受設備初始安裝空間限制，改造難度較大、費用高；原互感器如有兩個二次繞組，方法4）是最簡單的；方法5是在不能改變電流互感器的條件下最有效的方法，鑒于廠用電暫態問題忽略不計，廠用電保護電流原理居多，對于采用有效值傅氏算法延時電流保護，均不能效抗飽和，更換保護裝置意義不大；方法6不適用。

給水泵電動機側電流互感器輸出兩個保護級二次繞組，采用方法4）、6），以改善電流互感器抗飽和措施。

表2 不同電纜截面積電機側電流二次回路數據

表2給出了在電動機側使用不同電纜截面積時電流互感器二次阻抗數據，只有當電纜截面積10mm2以上時，額定參數下二次實際容量b小于互感器額定容量bn。根據現場實際接線端子大小，考慮二次負載為互感器飽和重要因素，決定選用16mm2屏蔽電纜。電動機側互感器具備兩個保護繞組，將短接的另外一個繞組串接。這樣互感器二次負荷容量提升一倍達到bn=40VA，bn=1.6W，由式（3）得實際二次負荷為0.39W，b＜bn。起動時實際二次負荷僅為165VA，為原來的15%，為額定容量的4倍，極大改善了起動時電動機側互感器的運行性能，互感器飽和不明顯。改進后，3臺電動機給水泵任何工況下起動均未再發生過差動誤動情況。

后續電廠增引合一引風機改造工程、新擴建機組中，廠用6kV大容量的電動機電流互感器采用增加變比、二次額定電流選用1A、電纜截面積提高的方法，改善電流互感器運行性能。在調試、運行階段從未發生差動誤動。

2.2 廠用電流互感器選型問題

大容量的發電廠6kV高壓廠用電系統短路電流可達40～50kA[3]，饋線負荷類型較多，部分只有幾十A，有些負載電纜很長。按照回路電流選擇變比，短路電流遠超互感器準確限值一次電流，短路時，互感器嚴重飽和。近年來的確多次出現6kV廠用電系統中定值靈敏度很高的情況下，發生電流速斷和定時限保護拒動實例[6]。如按照短路不飽和選擇互感器，又存在互感器一次電流P遠大于負荷電流，變比太大，出現開關柜內安裝困難、投資費用大、測量精度差、保護整定困難甚至保護裝置不能滿足要求和無法整定的情況。在選擇電流互感器時應綜合考慮短路電流、保護裝置限幅電流、負荷電流、開關型號來確定互感器參數。

對于采用F-C開關回路，高壓熔斷器具有短路限流保護，互感器可按照饋線回路選擇，不考慮一次短路電流飽和影響因素。采用真空斷路器開關時，則不能按照負荷電流來選擇，適當提高變比，防止短路飽和保護拒動。互感器準確限值電流alfn為2倍整定電流，保證保護可靠動作[3]，基于中壓互感器飽和特性，一般采用10P20即可，對于采用有效值傅氏算法延時電流保護，在飽和狀態下，其有效值保持有效增大，仍能可靠動作[9]。對于用于差動保護的互感器則需要考慮不平衡電流影響，需要二次負荷、10%誤差曲線核算，確認外部故障、電動機起動狀態下不發生保護誤動。

目前廠用互感器二次額定電流1A和5A的CT在造價費用、技術性能、安全制造方面基本相當，推薦采用1A互感器。遠距離電纜保護互感器不宜采用不完全星形和兩相差接線，用完全星形接線，均是有利于降低二次負荷、降低電纜截面積、改善互感器運行性能、防止飽和的有效措施。

3 結論

發電廠電動機起動特性和保護遠距離特點要求電動機側電流互感器二次負荷滿足起動過程，增加電纜面積是降低二次負荷、改善互感器飽和的有效措施。在互感器選型參數確定階段，差動保護用的互感器應根據電動機起動特點，多方面改善電動機起動工況下的互感器飽和狀態，電流速斷則應結合系統短路電流、保護性能、開關類型和負荷電流綜合確定相關參數，以保證不出現因互感器參數選型不當而引起的保護拒動和誤動。

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Nalysis of Electrical Motor Differential Protection Misoperation and Its Improvement

Shi Shengwang

(Guangdong Shaoguan Power Plant, Shaoguan, Guangdong 512132)

An analysis of differential protection misoperation in electrical motor start-up process suggests that a multitude of factors lead to gross saturation of the motor side current transformer in motor start-up and the distortion in secondary current gives rise to differential protection misoperation. To address current transformer saturation, several solutions were proposed having regard to the characteristics of motor differential protection and the current transformer. In consideration of the service power generation trend at present in power plants, it has been suggested that the service power current transformer parameters and secondary circuit design, among others, shall take into account the coordination with protection in order to forestall failure to trip or misoperation in protection.

saturation; differential protection; secondary load; starting current; accuracy limit; cable sectional area

石生旺（1974-），男，河南安陽人，工程師，從事發電廠二次設備管理工作。