海洋石油平台中压电动机差动保护的选择

张 龙，何金平

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

0 引 言

GB/T 50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》9.0.2 款1 条中规定：2 MW 及以上的电动机，或电流速断保护灵敏系数不符合要求的2 MW 以下的电动机，应装设纵联差动保护。差动保护是防止中压电动机发生相间短路的主保护。目前，海洋石油平台中压电动机通常采用的差动保护主要有2 种方式：纵联差动保护和自平衡差动保护。与陆地所用的中压电动机不同，用于海洋石油平台上的中压电动机一般容量不大，并且供电距离都比较短，这两种差动保护各有优缺点。相对而言，按照常规方式做纵联差动保护配置时弊大于利，因而宜优先采用自平衡差动保护方式。

1 纵联差动保护

1.1 纵联差动保护的工作原理

纵联差动保护利用基尔霍夫电流定理工作。当电动机及其供电线路正常运行或区外故障时，流入电动机及供电电力电缆的电流和流出电流相等，保护装置不动作；当电动机或供电线路发生短路故障时，两侧向故障点提供较大的短路电流，保护装置动作。

1.2 纵联差动保护的接线方式

在中压电动机侧和中压开关柜侧均安装两组变比相同的电流互感器，分别接入电动机纵联差动保护装置(安装在中压开关柜上)，通过电动机纵联差动保护装置对两侧电流进行比较，以此来判断保护范围内是否发生短路故障。

在正常或保护范围外发生短路故障时，中压电动机侧和中压开关柜侧装设的电流互感器二次侧差电流为0，纵联差动保护装置不会动作；而当保护范围内发生故障时，中压电动机侧和中压开关柜侧装设的电流互感器二次侧差电流很大，且超过纵联差动保护装置整定值，纵联差动保护装置启动并发出跳闸信号，使本电动机开关柜内的断路器跳闸，切除电动机电源，防止电动机或供电线路故障导致的事故扩大。纵联差动保护接线方式详见图1。

图1 纵联差动保护接线方式Fig.1 Connection of longitudinal differential protection

如图1 所示，要实现中压电动机纵联差动保护，需要在中压电动机中性点接线盒内安装3 只电流互感器(TA4)，在中压开关柜内安装3 只电流互感器(TA3)和1 套纵联差动保护装置(SEL 系列微机综合保护装置SEL-787)。

2 自平衡差动保护

2.1 自平衡差动保护的工作原理

自平衡差动保护是利用磁通平衡原理实现差动保护的一种方法。在正常情况下，由于磁通平衡，电流向量和为0，自平衡电流互感器二次侧不产生电流，保护装置不动作；当电动机内部出现故障时，故障电流破坏了电流互感器的磁通平衡，二次侧产生电流，保护装置动作[1]。

2.2 自平衡差动保护的接线方式

在中压电动机主接线盒内安装3 只自平衡电流互感器，中压电动机每相定子绕组的始端和中性点端的引线分别引入每只自平衡电流互感器的环形铁芯窗口一次，自平衡电流互感器的二次侧接入电动机带有自平衡保护功能的微机综合保护装置，通过微机综合保护装置来判断电动机内部是否发生短路故障。在电动机正常运行或起动过程中，流入A、B、C 三相始端的电流与流入中性点端的电流为同一电流，对于磁平衡电流互感器而言，该电流一进一出，互感器一次安匝为0，即一次励磁安匝处于磁平衡，则二次侧不产生电流，保护装置不动作。当电动机内部出现相间短路或接地故障时，故障电流破坏了电流互感器的磁通平衡，二次侧产生电流，当电流达到微机综合保护装置的整定值时，微机综合保护装置启动并发出跳闸信号，使本电动机开关柜内的断路器跳闸，切除电动机电源，防止电动机故障导致的事故扩大。自平衡式差动保护接线方式见图2。

图2 自平衡式差动保护接线方式Fig.2 Connection of self-balanced differential protection

如图2 所示，要实现中压电动机自平衡差动保护，则需要在中压电动机主线盒内安装3 只自平衡电流互感器，在中压开关柜内安装1 套微机综合保护装置(SEL 系列微机综合保护装置SEL-710)。

3 纵联差动保护和自平衡差动保护的对比

3.1 纵联差动保护的优点

纵联差动保护的所需要的2 组电流互感器，其中一组安装在中压电动机中性点接线盒内，另一组安装在为该电动机配电的中压开关柜内，对电动机内部短路故障和供电线路短路故障均能起到保护作用，差动保护范围广。

3.2 纵联差动保护存在问题

纵联差动保护所需要的2 组电流互感器的二次侧电流信号均应通过控制电缆引至安装在中压开关柜内的纵联差动保护装置上，此两组电流互感器距离纵联差动保护装置的距离不一致(中压电动机通常安装在生产区，中压开关柜通常安装在配电室内)，因此很容易造成电流互感器二次负载不匹配，即电动机启动时的激磁涌流会使电动机中性点侧电流互感器励磁过饱和而开关柜侧电流互感器励磁未饱和，从而产生不平衡电流。虽然在兼顾灵敏度的情况下，可以通过提高差动动作电流和差动制动系数来躲过不平衡电流，但是中压电动机启动中的电流暂态过程比较复杂，上述解决办法并不一定能可靠躲过启动过程中产生的不平衡电流[2]。

从微机综合保护装置的配置上来说，纵联差动保护和电动机的其他保护功能通常需要配置2 套微机综合保护装置，1 套(SEL-787)专门用于实现电动机的纵联差动保护功能，另外1 套(SEL-751A)用于实现电动机的其他保护功能，例如过负荷保护，堵转保护等等。因此，采用纵联差动保护时，需要配置3 绕组的电流互感器和2 套微机综合保护装置，相应电气设备和元器件的增加也会提高工程的造价。

3.3 自平衡差动保护的优点

①自平衡差动保护的电流互感器检测的是电动机定子绕组每相的不平衡电流，避免了因为两组电流互感器特性误差或者电流互感器二次回路阻抗不匹配而引起的微机综合保护装置误动作。

②在电动机没有内部短路故障时，自平衡电流互感器的二次侧不产生电流，所以微机综保装置继电保护动作电流的整定值可以很小，保护动作灵敏度高。

③从微机综合保护装置的配置上来说，自平衡差动保护和电动机的其他保护功能通常可以只配置1 套微机综合保护装置(SEL-710)，既能实现电动机的差动保护功能，也能实现电动机的其他保护功能，如过负荷保护、堵转保护等。采用自平衡差动保护时，只需要在中压开关柜内配置2 绕组的电流互感器和1 套微机综合保护装置，可以降低工程的造价。

3.4 自平衡差动保护存在问题

①自平衡差动保护的自平衡电流互感器安装在中压电动机侧，只能保护电动机内部短路故障，对于其供电线路则需要单独设置主保护。如果装设常规的电流速断保护，在短路容量较小或供电线路过长时，供电线路末端电流速断保护灵敏度系数不符合继电保护要求，可能造成供电线路末端不在保护范围之内，即存在死区。

②自平衡电流互感器通常安装在中压电动机本体上，且为穿芯式结构，每相定子绕组的始端和中性点端的引线分别引入每只自平衡电流互感器的环形铁芯窗口，因此自平衡电流互感器应安装在电动机主接线盒内，考虑到电动机主接线盒承担着供电线路接线端子的职能，主接线盒的尺寸会比较大。如果电动机的中心高比较低，主接线盒尺寸较大，其接线空间太小，则不能满足电缆的安装要求。

3.5 两种差动保护的比较

纵联差动保护和自平衡差动保护的比较见表1。

表1 纵联差动保护和自平衡差动保护对比Tab.1 Comparison table for longitudinal differential protection and self-balancing differential protecion

4 海洋石油平台中压电动机差动保护的选择和整定

4.1 中压电动机差动保护的选择

对于海洋石油平台来说，通常中压电动机容量较小，供电线路短，一般经核算后其供电线路全长均在电流速断保护范围之内，故应优先采用自平衡差动保护。应该注意的是，在电动机采购时，应与电动机供货商进行协商，确定电动机侧安装的是自平衡电流互感器；同时，应与中压开关柜和微机综合保护装置供货商沟通，确定采用自平衡差动保护。

4.2 中压电动机自平衡差动保护的整定

自平衡差动保护整定原则：自平衡差动保护对中压电动机内部(包括进、出线接线端子)相间短路及单相接地短路具有保护作用。由于相间短路故障电流大，不能作为确定自平衡电流互感器变比和自平衡差动保护整定值的依据[3]。海洋石油平台6 kV 或10 kV供配电系统为中性点不接地系统，单相接地短路故障电流是系统的总单相接地电容电流，其大小与系统电缆的截面和长度有关。所以，自平衡电流互感器的变比应按系统的总单相接地电容电流来确定，自平衡差动保护整定值应躲过同一系统中其他线路发生单相接地时流过此电动机的电容电流来确定。

根据《工业与民用配电设计手册》(第三版)，系统的单相接地电容电流按下式计算[4]：

式中：S 为电缆芯线标称截面，mm2；Ur为线路额定电压，kV；l 为线路长度，km；Ic为接地电容电流，A。

3～10 kV 电动机的单相接地保护整定按下式计算：

式中：Iop为保护装置一次动作电流，A；Ic∑为电网的总单相接地电容电流，A；Krel为可靠系数；Icx为其他线路发生单相接地时流过此电动机的电容电流，A。

5 结 语

自平衡差动保护的接线简单，灵敏度高，工程造价低，避免了纵联差动保护因两组电流互感器励磁特性不匹配引起的保护误动作。尤其在海洋石油平台上，供电线路距离较短，且电动机容量偏小，应优先考虑采用自平衡差动保护。