低压电动机启动引起接地保护误动的分析及改进

张琨 周浩

【摘  要】电厂内部分低压电动机运行功率较大，多次出现因启动瞬间产生大电流对接地保护电流互感器采样回路造成干扰，增大测量误差，导致接地保护继电器误动作事件。通过对电磁干扰和抗干扰措施的分析，提出提高电流互感器测量精度的改进方案，避免低压电动机启动引起接地保护误动。经过数据测量和现场验证，改进方案可在电厂应用和推广。

【关键词】低压电动机;干扰;接地保护;误动

Abstract：some low-voltage motors in the power plant have large operating power，and the sampling circuit of the ground protection current transformer caused by the large current generated at the moment of starting causes interference，increases the measurement error，and leads to the misoperation events of the grounding protection relay. Based on the analysis of electromagnetic interference and anti-interference measures，this paper puts forward an improved scheme to improve the measuring accuracy of current transformer and avoid the misoperation of grounding protection caused by the start of low-voltage motor. After data measurement and field verification，the improved scheme can be applied and popularized in power plant.

Key words：low-voltage motor  interference  grounding protection  misoperation

低压电动机作为转动部件，在电厂广泛应用，可连接风扇、泵体等设备。低压大容量电动机在单相绕组发生短路接地故障时，其上游熔断器熔断时间过长，不利于安全运行，因此需增设后备接地保护，在故障发生时，迅速动作切断电路。

电厂大容量低压电动机启动瞬间产生的启动电流可达电动机额定运行电流的数十倍。对于启动电流对接地保护电流互感器采样回路形成干扰，增大测量误差，导致接地保护误动作问题，需对干扰的形成进行深入分析，制定切实有效的抗干扰改进措施。

一、问题与现状

1.1典型事件

2018年5月，国内某电站在进行电动机（运行功率185kW）试转向时，点动试验过程中，上游开关接地保护动作跳闸。检查开关接线无松动过热现象，各元器件状态良好;测量电机三相绕组直阻平衡，三相对地及相间绝缘均大于160M?（要求大于10M?），电缆相间及对地绝缘大于60M?。2018年6月，再次对电动机进行点动试验，电机启动瞬间上游开关接地保护再次动作跳闸。

1.2保护配置

电厂低压电动机采用“断路器—接触器—热偶继电器—接地保护继电器”回路配置。

断路器用于下游负荷过流保护，在下游负荷发生短路故障时动作。断路器跳闸切断负荷，同时辅助接点动作，切断主回路接触器工作电源。

热偶继电器用于下游负荷过载保护。当下游负荷发生过载故障时，过载保护动作，切断主回路接触器工作电源，接触器断开。

接地保护继电器用于下游负荷接地保护。当下游负荷发生接地故障时，经过一定延时，接地保护继电器保护动作，切断主回路接触器工作电源，接触器断开。电动机回路额定功率大于等于55kW时要求配置接地故障保护。

二、接地保护设计

2.1接地保护功能

接地保护继电器通过穿入主回路的电流互感器进行采样，检测主回路中是否存在接地电流;当主回路绝缘下降或接地时，电流互感器會感应到一个不平衡电流矢量和信号，即ia+ib+ic≠0，该信号送入继电器进行放大后，监测接地电流是否超过设定值。当检测电流超过设定值，接地保护继电器保护动作，控制节点状态改变。

2.2保护整定原则

低压厂用变压器普遍采用中性点零序保护设计，变压器零序保护整定原则需满足作为用电负荷的后备保护和上下级差配合要求，以800kVA低压厂用变压器零序保护与185kW电动机回路保护配合为例，接线原理图及保护配置情况如下：

三、误动分析及改进

3.1误动分析

收集185kW电动机试转向时，点动跳闸录波波形，波形包含接地电流有效值、电流互感器二次采样电压有效值、三相电压有效值、三相电流有效值。

分析波形数据，确认电机三相启动电流平衡，三相电压稳定，但一次回路仍存在约50A的接地电流，且电流互感器二次侧感应出3.4V交流电压。

将开关及同型号备件电机运送至检修间，模拟现场工况，进行电机离线启动试验。电机启动运行无异常，然而开关接地保护仍然动作。对比离线试验录波波形与现场电机跳闸时录波波形相似。

将开关与同型号备件开关进行对比，发现部分元器件安装位置不同，开关热偶继电器及中间继电器在同一侧，穿过电流互感器一次侧三相电缆空间更为狭小。备件开关三相电缆穿过电流互感器的布置基本一致，而开关A相电缆斜向上方穿过电流互感器，对比图片如图4：

分析认为，当流过A相电缆的电流大小发生变化时，在其周围就会产生出变化的磁场。接地保护继电器检测回路处于该交变的磁场中，在回路中将感应出电动势和感应电流，这两部分通过磁力线形成相互干扰。

3.2改进依据

所有电气和电子设备工作都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这个能量发射到周围的环境中，从而对周围的设施产生电磁干扰。

电磁干扰进入设备可分为二大类、即传导和辐射。

（1）辐射干扰：干扰信号是通过电磁波辐射传播的。

（2）传导干扰：干扰信号是通过干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗进行传播的。

以上二种干扰传播方式可能互相转换，辐射干扰可以通过导线转换成为传导干扰，而传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。

干扰的传播途经有五种：导线直接传导耦合、经公共阻抗的耦合、电容性（电场）耦合、电感性（磁场）耦合、辐射（电磁场）耦合。前四种传播途径并称为传导性耦合。

通常对于有用信号以外的所有电子信号总称为噪声，按噪声的来源可以将噪声源分成三大类：

1）本征噪声源，其来源于物理系统内部的随机波动，例如热噪声、交流声、高频电路等;

2）人为噪声源，例如电机、开关、数字电子设备、无线电发射装置等在运行过程中所带来的噪声;

3）自然界干扰引起的噪声，例如雷击和太阳的黑子活动等。

A相电缆电流变化时产生的磁场可称作电流互感器的噪声源，感应出的电动势电压为Ui，Ui在电流互感器二次回路上产生的感应电流为I，噪声大小正比于噪声源回路的电流I变化率di/dt及互感M。一般而言，噪声源回路的电流I变化率是不可控的，有效的方法是如何减小互感。

3.3改进方案

以下两种情况可能导致耦合程度加深：回路之间的耦合距离，包括回路之间的相对位置较近;噪声回路和感应回路的环路面积较大。为避免耦合（干扰）程度加深，需设法减小互感。

3.1.1 拉开回路之间的耦合距离;

可以通过调整A相电缆与电流互感器之间的相对位置，加大与噪声导体之间的距离。

3.1.2减小噪声回路和感应回路的环路面积;

可以通过缩短电流互感器二次回路采样线长度，减小回路间环路交替面积。

3.1.3增加电磁屏蔽。

可以通过将电流互感器二次线更换为双绞电缆或屏蔽电缆，增加回路的电磁屏蔽能力。

3.4现场验证

将一次开关侧动力电缆准确穿过电流互感器中心，在电流互感器内壁增加屏蔽铁皮并均匀包裹，更换电流互感器二次屏蔽线。在相同的试验条件下，再次进行启动试验，接地保护未动作。

分析波形数据，确认电机三相启动电流平衡，三相电压稳定，接地电流有效值降低为2.1A，电流互感器二次电压有效值约1.6V。

改进后验证低压电动机启动正常，说明相应改进措施有效解决了一次启动电流对电流互感器的干扰问题。

四、结论

电厂内大容量电动机启动瞬间产生大电流，在电缆附近会形成变化的磁场。电动机后备接地保护往往未考虑电磁兼容措施，电流互感器在变化的磁场中受到干扰，导致测量误差增大，接地保护误动。

改进后的电动机接地保护回路采用拉开回路之间的耦合距离、减小噪声回路和感应回路的环路面积、增加电磁屏蔽等措施，有效减小了电动机一次启动电流对接地保护电流互感器的干扰，从根本上解决了低压电动机启动引起接地保护误动的问题。

参考文献：

[1]GB50054-2011低压配电设计规范

[2]GB/T16895.10-2010低压电气装置

[3]GB/T17626 电磁兼容试验和测量技术

[4]《电磁兼容原理与设计技术》 作者：杨克俊 出版社：人民邮电出版社 出版日期：2004

[5]《电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术》 作者：（法）米切尔 麦迪圭安（Michel Mardiguian）著 刘萍等译 出版社：機械工业出版社 出版日期：2002

作者简介：

张琨（1986-），男，籍贯：四川乐山，民族：汉，职称：工程师，学历：本科，研究方向：低压交流电气设备电磁干扰，单位：大亚湾核电运营管理有限责任公司，单位省市：广东省深圳市，单位邮编：518124，

（作者单位：大亚湾核电运营管理有限责任公司）