變壓器勵磁涌流引起高壓同步電動機差動誤動作的原因分析及對策

吳奇

（湘潭鋼鐵集團有限公司動力廠，湖南湘潭 411101）

1 設備概況

變壓器勵磁涌流，是由于鐵芯的磁飽和產生的。勵磁涌流通常在接通電源1/4周期后開始產生，幅度最大值可能超過變壓器額定電流的幾倍甚至幾十倍，持續時間較長，從數十個電源周期直至數十秒不等。同時變壓器勵磁涌流有以下2個特點：

（1）波形呈現尖頂形狀，含有相當成分的非周期分量和高次諧波分量，其中高次諧波以二次和三次（或直流分量）為主，隨著時間推移，二次諧波含量可能超過基波分量的一半以上。

（2）勵磁涌流幅值與變壓器空載投入的電壓初相角相關。電壓過零點投入時勵磁涌流幅值最大。

湘鋼動力廠2號電動風機的軸流壓縮機型號為AV80-15，由曼（MAN）公司生產；高壓同步電機型號1DZ2052-8AE02-Z，由西門子公司生產。

其一次主接線如圖1所示，上級電源來自同一母線，該35 kV母線上有其他35 kV變壓器負載，主電機的電源經過變壓器T2后減壓至10 kV。T1與T2變壓器容量均為5×104kVA。該高壓同步電機功率33 MW，額定電壓10 kV，額定電流2079 A，輔助最大勵磁電壓AC 201 V，輔助最大勵磁電流103 A。

圖1 高爐風機主接線圖

2 電機差動保護原理和定值設置

電機的差動保護特性，如圖2所示，圖中縱坐標Iop為動作電流，橫坐標Ires為制動電流，KDres為比率制動斜率，ID，st為差動啟動電流，It為差動特性拐點電流，比率差動保護能保證外部短路不動作，內部故障有較高的靈敏性。

圖2 電動風機縱差保護動作曲線

差動保護的設置，通常比率制動差動的保護最小動作電流應躲過正常運行時差動回路的不平衡電流，ID,st一般取0.2～0.4倍額定二次電流；ID,set差速動作電流一般取3～8倍額定二次電流。KDres制動斜率一般取0.3～0.4。

3 主電機故障現象及分析

3.1 故障現象

10月29日，2#電動風機監控電腦顯示“主電機綜合報警”，2#電動風機停機。檢查發現西門子勵磁保護柜保護裝置上“common trip”“diff trip”“blocked”3個LED報警燈亮，初步判斷是差動保護動作（diff trip），后再巡查主電機、主變以及主變保護裝置均無其他異常。

3.2 故障排查及分析

故障發生后，檢查電機保護故障記錄（見表1），后對主電機進行了檢查，試驗數據正常，電機合格。其中極化指數為：4.36 GΩ/1.569 GΩ=2.77，大于2；直流電阻：A-B間0.01367 Ω，B-C間0.01368 Ω，AC間0.01365 Ω；25 kV耐壓試驗時，泄漏電流12 μA。

表1 主電機保護裝置兩次報警畫面內容

導出西門子保護裝置定值，差動保護啟動值為0.2倍額定電流，差速定值為7.5倍額定電流，制動系數為0.25。從故障錄波可以看出，T1變壓器沖擊137 ms后，電機差動保護啟動（大于85%的定值），此時B相差流也超過了0.2倍額定電流，且達到跳閘出口條件，但由于該過程含有較大直流分量（63.1%）抬高了啟動定值，且差動啟動持續了40.4 ms后，三相差流小于0.2倍差流，保護沒有出口，直到250 ms，差流值小于70%定值，差動保護返回。第二次T1變壓器沖擊108 ms后，電機差動保護啟動（大于85%的定值），此時B相差流也超過了0.2倍額定電流，且達到跳閘出口條件，差動啟動持續了2個周波40 ms后保護出口，70 ms后斷路器跳閘，110 ms后差動保護返回。差動啟動時L2相差流Idiff-L2=0.25068I/In0＞定值0.2I/In0，制動電流Irest-L2=0.9141 I/In0（見表2），Idiff-L2/Irest-L2=0.274＞斜率1（見圖3，定值為0.25），剛好在圖3中的A點處差動動作區內，因此差動動作。

圖3 差動保護的動作特性

表2 差動啟動時故障錄波參數

經過分析故障波形，結合系統同一時刻該系統電網運行方式，發現當天T1變壓器（容量5×104kVA）大修后進行3次沖擊送電。第一次沖擊，T1變壓器沖擊送電137 ms后，電機差動保護啟動，但由于該過程含有較大直流分量（63.1%）抬高了啟動定值，保護沒有出口。第二次T1變壓器沖擊送電108 ms后，電機差動保護啟動且跳閘出口。變壓器沖擊時，電機電流互感器通過的電流在額定以下（3.04 A，小于5 A），未達到磁飽和的情況（該電流互感器額定電流為2 500 A，電流互感器保護級為5P10，10倍額定電流下誤差為5%），但兩個互感器檢測的電流大?。词孜捕苏ｋ娏骱椭C波電流衰減情況）還與同步電機諧波含量的大小、電流互感器特性曲線等多方面有關。

從故障錄波看，差動動作前電機首尾端電流IL1-S1、IL2-S1、IL3-S1、IL1-S2、IL1-S2、IL1-S2有一個增大的趨勢，并且首、尾端同步變化（見圖4）。尾端CT2（S2）的電流衰減率相比首端CT1（S1）更快。這樣就會產生差流IL-S1 -IL-S1。因此差流產生原因為首尾端CT特性存在一定差異導致CT電流衰減率不一致。進一步檢查發現，西門子電機差動保護配套的首端CT型號（CT12H）與末端CT型號（SGS10）不一致，形成了一定差流。

圖4 差動啟動時首尾段電流互感器故障錄波曲線

因此，該次故障的主要原因是同一系統T1變壓器大修后的沖擊送電時，負載電流產生較多二次諧波分量和直流分量，而電機首尾互感器特性不一致引起的差流大于啟動值而誤動作。后咨詢西門子電機廠家差動保護相關問題，答復電機的差動保護沒有二次諧波制動功能，保護啟動定值不建議調整。

4 主要措施

針對以上原因分析，制定了如下措施：

（1）用于差動保護的必須采用同一廠家且同一批次的互感器，兩組電流互感器的技術特性盡量相同。

（2）在外部變壓器沖擊送電時，必須對主變采用的比率制動式差動保護的最大動作電流、比率制動電流及比率制動系數的整定值進行重新的校核和整定，差動的靈敏性要大于1.5，差速的靈敏性要大于1.2，以便可靠地躲過非周期暫態電流及主變勵磁涌流的影響。

（3）保護定值的設置要躲過區外沖擊負荷和正常不平衡電流的影響，還要考慮直流分量抬高保護定值的影響。

（4）在臨近有變壓器或大型電機投運時，可臨時退出本電機的差動保護出口壓板，啟動完成后再投入差動保護出口壓板，防止誤動作。