景電工程大型電動機差動保護誤動分析

李永敏

摘? 要：景泰川電力提灌工程（簡稱景電工程）是重大民生工程，景電泵站正常安全運轉是保證灌溉效率的基本前提，同時也是發揮工程經濟效益的關鍵。該文針對某景電工程的大型泵站電動機進行研究，對當前存在的差動保護誤動現象進行分析，并針對電動機工作中的差動保護誤動原理及原因提出相應的解決措施，旨在解決景電工程電動機出現的差動保護誤動問題，保證景電工程能夠持續發揮經濟效益。

關鍵詞：景電工程? ?差動保護? ?差動繼電器? ?保護誤動

中圖分類號：TU85? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）07（c）-0032-03

Abstract： Jingtaichuan Electric Power Pumping Irrigation Project （Jingdian Project for short） is a major livelihood project. The normal and safe operation of Jingdian Pump Station is not only the basic premise to ensure irrigation efficiency， but also the key to give full play to the economic benefits of the project. This paper studies the motor of a large pump station in Jingdian project， analyzes the current differential protection maloperation， and puts forward corresponding solutions for the principle and causes of differential protection maloperation in motor work， in order to solve the differential protection maloperation problem of motor in Jingdian project and ensure that Jingdian project can continue to give full play to economic benefits.

Key Words： Jingdian project; Differential protection; Differential relay; Protection maloperation

1? 工程概況

該文研究對象為景泰川電力提灌二期工程泵站。該泵站當前已有大型電動機48臺，其中2 240 kW電動機40臺，2 000 kW電動機8臺，主保護均為差動保護。在工程投入運營以來，電動機在啟動過程中頻繁出現差動保護動作的現象。為了解決該問題，工作人員對電動機及相關設備進行了詳細的檢查，同時還對所有繼電保護定值進行校驗，但并未發現電動機及相關設備存在異常問題，所以初步判斷為差動保護誤動。但是，工作人員很難區分保護動作和保護誤動。保護動作主要是由于電動機內部故障，電動機內部故障也會導致電動機停止工作。一旦電動機真的存在故障，此時若采取連續啟動方式來研究差動保護誤動就會導致電動機故障更加嚴重，會對電動機造成不同程度的損壞。另外，電動機相關規定表明，電動機在熱態狀況下不建議連續啟動，否則會給電動機差動保護誤動分析工作帶來一定的困難。對此，景電工程工作人員不得不反復進行繼電保護校驗，從而判定此問題到底是差動保護誤動還是動作保護。這種校驗方式需要工作人員來回奔波于項目中，不僅耗費了大量的人力，還嚴重影響了灌區的澆灌問題，與此同時也大大增加了景電工程運營管理成本，電動機被損壞的風險也進一步加大，大大降低了工程效益。基于此，該文對該泵站差動保護進行試驗，以期查找有關原因，提出合理的解決措施，進而保證泵站電動機能夠正常運轉，幫助發揮工程效益。

2? 電動機差動保護誤動的原理及原因分析

2.1 電動機差動保護誤動基本原理

差動保護作為景電工程大型電動機保護的手段之一，也是最常見的保護方式，這種保護是基于三段式比率差動原理。具體來說，主要是基于電流互感器信號，通過對電路進行調整，將中性點以及電機端的電流進行轉化，進而得到電壓信號，再通過后續一系列轉化后被主控單元讀入，其原理方程如下：

上述動作方程中，I1和I2分別為電動機兩側的電流，均以流入電動機為正向，Id=I1-I2為差動電流;Ied、Ir分別是差動保護電流、制動電流;K1、K2分別是制動曲線斜率、內部固定系數（取0.7）;Ir1、Ir2則是第1、2拐點電流。繪制如圖1的差動保護動作曲線。

基于上述原理，電動機的差動保護是非常完整的，但在實際運行和試轉時，其差動保護不能可靠啟動，此時就會出現誤動保護，表現為差動保護啟動，也就是誤動跳閘[1-2]。該文結合現場情況和差動保護基本工作原理，分析差動保護誤動的具體原因，并找出相應的保護補救措施。

2.2 電動機差動保護誤動原因分析

2.2.1 高次諧波原因及電流互感器不匹配問題

通過分析可知，電動機啟動時，差動回路會出現較大的不平衡電流，這種不平衡電流主要是由二次諧波導致的。事實上，啟動電流與其啟動特性，即電動機的制造質量有關，另外，斷路器的相位角也是影響啟動電流的重要因素。經過詳細測試，對電流波形分析可知，啟動過程產生的不平衡電流二次諧波的持續時間約為10個周波左右。其有效值已經超過了6 A，進一步對比差動保護的定值可知，電動機差動保護電流設置值為4 A，動作時間為0.1 s，這表明電動機保護下，動作電流超過設定值和動作時間就會發生差動保護問題[3-4]。為了進一步驗證此問題，工作人員同時對電動機進行檢驗，發現電動機內部并不存在故障，這表明差電流二次諧波過大導致的問題是由差動保護誤動引起。

2.2.2 電流互感器（CT）二次負載問題

泵站電動機在啟動中，電路中存在3種不同的電流分量，第一種是基頻交變分量，第二種是非周期分量，第三種是低頻交變分量。其中，第二種分量在短期內就會衰減至0，在其衰減過程中，這種非周期變量會導致電路電流變大，即前文所述的高次諧波[5-6]。通過進一步對電流互感器（CT）的二次負載進行分析，發現在電動機啟動過程中，當前期低速轉動時，電流通常較大，由于差動保護兩側的CT存在特性差異，電路中出現不平衡電流，造成差動誤動動作。在泵站中，電動機的裝設位置離開關柜有一段距離，該工程電動機采用兩組容量相近的CT，分別安裝在電源側的高壓開關柜和中性點側，差動保護裝置則直接安裝在開關柜上。從表面上看，這兩種CT在容量上沒有區別，但實際上，中性點側的CT通常處于飽和過載狀態。根據記錄的數據來看，當電動機處于啟動過程中時，開關柜側的CT二次負載為0.3 Ω時，中性點側的CT二次負載則為1.5 Ω，幾乎是前者的50倍，在泵站電動機正常運轉時，中性點側的CT已經接近滿載，并且電動機在啟動時的電流又為正常工作時電流的6倍左右，在CT飽和的情況下，差動回路產生的電流差值已經超過了差動保護的設定值，在這種情況下就會引發差動保護誤動。

3? 電動機差動保護誤動對策

3.1 降低CT的二次負載或增大TA的容量

分析可知，電路中電流不平衡主要是由于兩處的CT容量不足導致的，我們可以以CT容量為切入點，對差動保護誤動問題進行分析。當CT允許負載滿足誤差曲線的10%時，就不會導致后續差動保護誤動問題。當某些情況無法增加CT容量時，可以以電路中電流為切入點，同樣也能達到減少CT二次負載的目的，主要是通過使電路中電纜芯線的界面劑增大，以降低回路中的不平衡電流，從而消除一般情況下的差動保護誤動動作。

事實上，近年來的新建工程，大多都采用了較大容量的CT，比如：某些電動機開始采用二次為1 A的CT，緩解二次負荷問題。這種CT的勵磁特性較高，具有更大的負荷能力，可以很好地解決回流電流不平衡問題。

3.2 用高導磁材料改造電動機

由于此次研究的電動機已經投入運用，電動機本身屬性無法改動，并且國家有關標準均未對電動機的二次諧波進行明確規定，所以電動機在制造中無法控制。對于這種情況，相關管理單位可以出資對電動機本身進行改造，通過采用高導磁材料，有效解決高次諧波問題。但改造費用極高，管理單位進行改造時審批和申請流程極為復雜，且周期較長，這也導致目前管理單位還并未采取相應改造措施。隨著材料技術發展，高導磁材料的普及應用將會是解決此問題的重要方向之一。

3.3 系統投運后的補救措施

考慮到景電工程電動機已經投入使用，不具備改造的電動機CT選擇不恰當，可以通過如下方法進行適當調整：（1）對于電流互感器（CT）在飽和時出現的二次電流暫態特征，優先考慮二次諧波的制動原因，在啟動電動機時產生的電流過大問題，可以先詳細計算分析二次諧波的幅值，并將其與基波幅值進行比較，若是兩者比值要高于整定值，可以判定是由于CT問題導致的差動保護誤動動作，此時可以采取閉鎖比率差動保護動作方式，避免出現誤動動作。（2）當故障電動機合閘時，會出現啟動兼短路故障情況，而二次諧波還會增加電動機的誤動動作時間，大約為3個周期，這個短暫性的時間有利于降低差動誤動動作的即時性，事實上也起到了解決差動保護誤動問題的作用。

4? 結語

電動機差動保護是為了防止電動機在工作時由于故障原因出現損壞，但過于頻繁的差動保護誤動不僅會影響電動機的性能，還會導致景電工程無法正常發揮作用。在實際運用中，電動機頻繁出現誤動保護動作，會對工程運行造成較大影響。該文通過對引起差動保護的原因進行分析，基于差動保護原理提出解決差動保護誤動的有關措施，解決了電流互感器二次負載問題導致的差動誤動動作，同時對運行中的系統給出了補救措施，從根本上保證了景電工程的順利運行，大大提高了灌溉效率，社會效益和經濟效益也得到極大的提升。

參考文獻

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