引江濟淮工程蜀山泵站電動機主保護配置研究

何云霞

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088)

引江濟淮工程蜀山泵站設計裝機8臺套，水泵為立式全調節混流泵，配套電機為TL7500-48/4800型立式同步電機，單機功率7500kW，額定電壓10kV，總裝機容量60000kW。

為保證泵站安全可靠運行，對同步電動機、變壓器等主要電氣設備均按文[1]的規定進行繼電保護配置。8臺同步電動機是泵站正常運行的關鍵設備， 根據文獻1規定“2MW及以上的電動機，或電流速斷保護靈敏系數不符合要求的2MW以下的電動機，應裝設縱聯差動保護”；縱聯差動保護與后備綜合保護裝置配套構成電動機的全套保護。

1 電動機差動保護配置方案

1.1 保護裝置布置

蜀山泵站主廠房總長125m，電機層直列布置8臺立式同步機組，機組間距13m。設備控制樓布置在主廠房的左端， 8臺同步電動機饋電開關柜布置在設備控制樓10kV配電裝置室內，距離10kV配電裝置室最遠的為8#機組約185m，電動機保護裝置裝設在電動機饋電柜內。

1.2 差動保護裝置比選

(1)常規縱聯差動保護方案。常規縱聯差動保護是一側電流互感器裝設在開關柜，另一側電流互感器裝設在電動機中性點側，實現三相縱聯差動保護需要6只電流互感器，兩側電流互感器型號相同，變比相同。其原理接線如圖1所示。

圖1 常規縱聯差動保護原理接線圖

電動機正常運行和外部故障下，電流互感器二次側回路差電流為零，保護裝置不會動作，當電動機發生內部故障時，差電流很大，保護裝置動作。常規縱聯差動保護對兩側電流互感器的參數一致性的匹配要求較高。

對蜀山泵站，電動機距電動機饋電柜較遠，中性點側電流互感器二次電纜較長，約185m，兩側電流互感器二次電纜電阻如表1所列。

表1 差動兩側電流互感器TA不同截面電纜的直流電阻

由表1可見，差動兩端電流互感器的二次阻抗存在嚴重不匹配狀態，中性點側TA承載較大的電纜電阻負載，易使得其提前進入飽和，造成電動機差動保護起動時回路中有較大的不平衡電流，使保護誤動作，可靠性降低。

為防止縱聯差動保護在起動過程中的誤動，常采取將制動特性的最小動作電流和制動特性斜率適當提高，這種措施降低了起動過程縱聯差動保護靈敏度。

圖2 磁平衡差動保護原理接線圖

(2)磁平衡差動保護方案。為克服常規縱聯差動保護缺點，可采用磁平衡差動保護。在電動機出口側和中性點側同名相加裝一組磁平衡電流互感器，將電動機每相定子繞組始端和中性點端的引線分別進、出磁平衡電流互感器的環形鐵心窗口一次，其二次繞組接磁平衡保護裝置；保護僅需要3只自平衡電流互感器，如圖2所示。

磁平衡差動保護在電動機正常運行或起動過程中，流入各相始端的電流與流入中性點端的電流為同一電流，對磁平衡電流互感器而言，相當互感器一次繞組電流為零，一次繞組處于磁平衡狀態，二次側不產生電流，保護不會動作，避免了兩組TA之間的特性差異引起的不平衡電流，提高了差動保護的靈敏性和可靠性。當電動機內部發生相間短路或接地故障時，故障電流破壞了互感器的磁平衡，二次側產生電流，當達到動作值時，保護動作跳電動機開關，切除電動機電源，達到保護電動機目的。

由于磁平衡差動保護電流互感器裝設在電動機出線接線盒處，保護范圍僅為電動機本體內部，需與裝設在高壓開關柜上電動機后備綜合保護聯合對供電電纜和電動機的故障進行保護。

(3)保護方案選擇。對于蜀山泵站電動機與饋電開關柜保護裝置距離較遠，采用常規縱聯差動保護，差動兩端電流互感器的二次阻抗存在嚴重不匹配，飽和特性不一致，易引起保護誤動作，可靠性差；常規縱聯差動保護主要反應電動機內部相間短路故障，對單相接地短路故障不具有足夠的靈敏度動作于跳閘。磁平衡差動保護動作可靠性高，不僅反應電動機內部相間短路故障，若電動機所接電網內電容電流足夠大，還能反映內部單相接地短路故障。為確保水泵電動機安全運行，蜀山泵站電動機采用磁平衡差動保護。

2 磁平衡差動保護整定

2.1 磁平衡電流互感器參數確定

為使磁平衡差動保護發揮作用，選擇合理的電流互感器參數，以確保最嚴重短路故障情況下不發生飽和，快速切除故障，減少故障范圍。

電動機正常運行和起動情況下，流過電動機各相磁平衡電流互感器一次側的不平衡電流為各相等效對地電容電流。電動機對地電容電流由式(1)計算：

(1)

其中,K為由絕緣材料確定的系數，K≈40，SrM為電動機額定容量8333kVA，UrM為電動機額定電壓10kV，n為電動機轉速125r/min。

經計算,電動機電容電流約為0.93A，不平衡電流很小；為滿足誤差精度要求，通常磁平衡電流互感器變比選用50/5A或50/1A；電流互感器二次電流選用1A，對于電纜距離較遠的，二次負荷比較容易滿足要求，故磁平衡電流互感器變比選用50/1A。泵站基本采用智能儀表和微機型保護裝置，其功耗比較低，影響電流互感器二次負荷的主要是連接電纜的長度和截面，由于本站電動機距電動機饋電開關柜保護裝置較遠，TA額定容量選用10VA。3kV～35kV電流互感器準確限值系數按保證保護裝置準確動作的原則選擇，一般采用10P20。因此，磁平衡電流互感器選用的參數為：變比50/1A、額定容量10VA、準確限值系數10P20。

2.2 磁平衡差動保護整定

磁平衡差動保護可以反應電動機定子繞組的相間短路故障、接地短路故障，其整定原則為：①躲過磁平衡差動保護的最大不平衡電流；②躲過供電系統中其他線路或設備發生單相接地故障時，電動機各相提供的最大電容電流。則磁平衡差動保護的動作電流由式(2)計算：

(2)

其中，Kp.u為可靠系數取1.3，nTA為磁平衡電流互感器變比50/1A, COM為電動機相對地電容。

由于蜀山泵站10kVI、II段母線為分段運行，系統等效電容不足夠大，當電動機內部發生單相接地時，磁平衡保護不能動作，需裝設單相接地保護。

2 結束語

針對蜀山泵站主電動機距高壓開關柜較遠情況，在比較常規縱聯差動保護和磁平衡縱差動保護的基礎上，確定采用磁平衡差動保護。通過計算分析，合理選擇磁平衡電流互感器參數以及保護整定值。從保護整定值看，比常規縱聯差動保護靈敏度高，保護性能好。磁平衡縱差動保護和電動機后備綜合保護聯合對電動機及其供電電纜的故障進行保護，為電動機和泵站穩定、安全運行提供了可靠保障。