高压电动机试运期间差动保护误动事故分析

范建培

郑州市郑东新区热电有限公司，河南郑州 451464

0 引言

随着火电机组单机容量的增大，大容量电动机在电厂的应用越来越多，继电保护规程规定，容量2 000kW 及以上电动机，应装设纵联差动保护。要实现差动保护的灵敏可靠，在正确选择保护用电流互感器（CT）的同时，还要考虑CT 二次负荷的匹配和保护逻辑的完善。郑东电厂6kV 脱硫增压风机（2 240kW、259.2A）在试转期间频繁出现差动保护误动情况，下面对此进行具体分析。

1 调试期间的差动保护误动过程

脱硫增压风机电动机的保护由电动机差动保护和电动机综合保护构成。试运期间，第一次启动时出现合闸后瞬间跳开现象，保护装置显示差动保护动作。经检查实际接线完全符合设计要求，电流互感器极性正确，电机无异常，在确认一、二次系统均无异常后，再次启动，类似第一次启动瞬间跳开的情况又再次出现，根本不能正常启动。为调试方便，退出脱硫增压风机差动保护出口硬压板，重新启动，合闸启动成功，但差动保护发信，复归后再投入差动保护硬压板，运行仍正常。

停机后分析，认为中性点CT 与保护装置连接导线的电阻过大，造成保护装置两侧CT 二次负荷不匹配，将此连接电缆加大截面后，多次合闸均正常启动，但整启试运期间又出现一次差动误动情况。

2 差动保护误动原因分析

脱硫增压风机差动保护采用两组容量相同的电流互感器LZZBJ9-10A2G， 5P20 级，变比300/5，一组装于6kV 配电室的开关柜内（机端出口CT），另一组装于电动机本体处（三相绕组中性点CT），保护装置安装在开关柜上，电动机的装设位置距离开关室320m，连接两侧CT 与保护装置的为4mm2 铜芯电缆，

如图1所示为CT 厂家提供的电流互感器准确限值系数与二次负荷关系曲线。下面计算电动机启动时CT 准确限值系数n 对应的二次负荷能力，因电动机的启动电流非常大，约为其额定电流的6～8 倍，现取7 倍计算，一次电流为I1=7X259.2=1814.4（A）,准确限值系数为n=1814.4/300=6.05,从图中可以查出，准确限值系数6.05 对应的二次负荷为S2e=57VA，此时实际二次侧所接负荷S2应不大于S2e。

即 S2=I2e2Z2≤ S2e ；Z2≤ S2e/I2e2=57/25=2.28（Ω）

Z2= r +r1+ r2；

式中r 为连接导线的阻抗（Ω）；r1 为接触电阻（Ω），一般取0.1Ω； r2为保护装置继电器线圈电阻（Ω）；

根据保护装置厂家提供的参数，保护装置每相负荷不大于1VA，求得r1=1/52=0.04（Ω）。

则连接导线电阻r≤2.28-0.04-0.1=2.14（Ω）。

由导线截面积公式A=ρLc/r，得到在满足CT 二次负荷要求的导线允许最小截面

A≥I2e2ρLc/[S2e- I2e2（r1+r2）]=ρLc/ （Z2-r1-r2）

式中，A、Lc 分别为连接导线截面和计算长度，单位分别为mm2和m；

ρ为导线电阻率，ρ铜=1.75X10-2Ω·mm2/m。

电缆的计算长度Lc的大小与CT的接线型式和保护装置到CT的实际连接长度L 有关，对于星型接线Lc=L；对于不完全星型接线Lc=√3·L。

现场CT 为不完全星型接线，中性点和保护装置的二次连接电缆截面为4mm2，其电阻为ρLc/A=0.0175X√3X320/4=2.42（Ω）＞2.14Ω，显然电流互感器二次接线的负荷已超过要求的最大值，不满足要求。

连接柜内CT的二次电缆为2.5mm2 不超过3m，其阻值rˊ=0.04Ω＜2.14Ω，满足电流互感器的二次负荷要求。

在电动机启动时，中性点侧CT 因过负荷而饱和，而开关柜内CT 未饱和，一个存在较大的误差，一个指示正确，而导致流过保护装置的电流差值过大，引起差动保护装置误动。

为满足中性点侧CT 二次负荷要求，加大连接电缆截面。改造后冲击合闸，启动成功。但后来为何会出现偶尔的保护误动呢？结合我厂的给水泵（电机距配电室25m，采用的4mm2铜芯电缆，额定负荷满足大于二次实际负荷条件）试运期间也曾出现过一次类似误动的情况，分析如下：

电动机启动过程中， 定子启动电流中不但有基频交变分量，还存在着非周期分量即谐波分量，电流暂态过程很复杂，并和启动时电动机条件有很大关系，启动时谐波分量也可能会引起两侧电流互感器饱和特性不一致，产生不平衡电流，此电流有时能达到差动保护动作值，有时达不到保护动作值保护值。如果保护软件没能充分考虑电动机的暂态启动过程，保护逻辑不完善，就不能可靠躲过启动过程，会因谐波分量的干扰引起误动。

3 差动保护误动的解决方法

从以上分析中知道，郑东电厂电动机启动过程中差动保护误动主要有两种原因：1）保护装置两侧CT的二次负载不匹配，中性点侧CT二次过负荷；2）启动时电流中的谐波分量引起误动。

对于第一种原因的误动，可以采取以下办法来解决：

1）提高差动动作电流和差动制动系数来躲过；

2）改变电流互感器二次回路接线方式，从而改变接线系数；

3）增大CT的容量；

4）采用励磁特性较高，二次负载能力强的二次为1A的CT；

5）加大电流回路电缆截面，减小连接导线阻抗。

采用提高差动动作电流和差动制动系数方法会降低保护在正常工作时的灵敏度，也不一定能可靠躲过启动过程；对于第2），3），4）这3种方法，在设备已安装完成进入调试的状况下，现场很难实施；简单易行且行之有效的方法是加大电流回路电缆截面，减小连接导线阻抗。

满足电动机启动时中性点CT二次负荷要求的连接导线最小截面为：

A1 ≥ ρLc/（ Z2-r1-r2）= √ 3ρL/（Z2-r1-r2）= √ 3X0.0175X320/（2.28-0.04-0.1）=4.53（mm2）

为保证三相短路时互感器二次负荷满足容量要求，根据增压风机速断电流定值（2719.8A），求得n=2719.8/300=9.07，在电流互感器准确限值系数为9.07时的二次负荷能力为37VA，则Z2=37/52=1.48（Ω），满足短路时中性点CT二次负荷要求的连接导线最小截面为：

A ≥√ 3ρL/（Z2-r1-r2）= √ 3X0.0175X320/（1.48-0.04-0.1）=7.24（mm2）

故从脱硫增压风机到保护装置加敷一根4 mm2铜芯电缆，分别与原来的中性点电流互感器二次电缆连接导线并联使用，截面积达8mm2，大大减小了二次回路阻抗。满足了启动和事故短路的负荷要求。

对于第二种原因的误动，可以采取以下办法来降低谐波造成的影响。

1）提高差动动作电流和差动制动系数来躲过；

2）软件内部设置一小段延时，躲过启动过程中谐波造成的影响；

3）充分考虑电动机的暂态启动过程，将软件升级，完善保护逻辑。

若在启动时设置一小段延时，会使保护可靠性降低；最根本的方法是完善保护逻辑。此情况与保护厂家联系后，厂家到现场将产品程序升级，升级后装置能根据电动机启动和故障时两种电流的不同特点，判断是冲击电流还是故障电流，从而判断保护是否该动作，具有启动时差动保护装置的门槛电流自动加倍，故障时迅速动作出口的功能。该方案有效解决了因非周期分量暂态不平衡电流而造成差动误动，可靠地躲过启动过程。

经过上述处理后，经过多次启动试验及以后的实际运行，差动保护未再出现误动情况，问题得以圆满解决。

4 结论

无论是何种原因导致的电动机差动保护误动，作为电气工作人员，要仔细了解继电保护装置原理并根据误动现象找出根本原因，才能提出切实可行的处理方法。厂家开发继电保护新产品时，应充分了解现场被保护设备的使用条件和复杂特性，注意积累产品在运行中的经验与教训，吸取已有产品软件编制方面的成功经验，不断提高软件设计性能和使用质量。工程设计人员应充分考虑现场实际，选用经济的适合具体工程特点的配置方案和接线方式，以提高设计质量，比如，如果电流互感器距离保护装置较远，可选择二次额定电流为1A互感器，减小二次连接电缆截面满足互感器复合误差要求，降低投资。

[1]熊信银.发电厂电气部分.3版.中国电力出版，2004.

[2]马志云.电机瞬态分析[M].中国电力出版，1998.