变压器励磁涌流引起高压同步电动机差动误动作的原因分析及对策

吴奇

（湘潭钢铁集团有限公司动力厂，湖南湘潭 411101）

1 设备概况

变压器励磁涌流，是由于铁芯的磁饱和产生的。励磁涌流通常在接通电源1/4周期后开始产生，幅度最大值可能超过变压器额定电流的几倍甚至几十倍，持续时间较长，从数十个电源周期直至数十秒不等。同时变压器励磁涌流有以下2个特点：

（1）波形呈现尖顶形状，含有相当成分的非周期分量和高次谐波分量，其中高次谐波以二次和三次（或直流分量）为主，随着时间推移，二次谐波含量可能超过基波分量的一半以上。

（2）励磁涌流幅值与变压器空载投入的电压初相角相关。电压过零点投入时励磁涌流幅值最大。

湘钢动力厂2号电动风机的轴流压缩机型号为AV80-15，由曼（MAN）公司生产；高压同步电机型号1DZ2052-8AE02-Z，由西门子公司生产。

其一次主接线如图1所示，上级电源来自同一母线，该35 kV母线上有其他35 kV变压器负载，主电机的电源经过变压器T2后减压至10 kV。T1与T2变压器容量均为5×104kVA。该高压同步电机功率33 MW，额定电压10 kV，额定电流2079 A，辅助最大励磁电压AC 201 V，辅助最大励磁电流103 A。

图1 高炉风机主接线图

2 电机差动保护原理和定值设置

电机的差动保护特性，如图2所示，图中纵坐标Iop为动作电流，横坐标Ires为制动电流，KDres为比率制动斜率，ID，st为差动启动电流，It为差动特性拐点电流，比率差动保护能保证外部短路不动作，内部故障有较高的灵敏性。

图2 电动风机纵差保护动作曲线

差动保护的设置，通常比率制动差动的保护最小动作电流应躲过正常运行时差动回路的不平衡电流，ID,st一般取0.2～0.4倍额定二次电流；ID,set差速动作电流一般取3～8倍额定二次电流。KDres制动斜率一般取0.3～0.4。

3 主电机故障现象及分析

3.1 故障现象

10月29日，2#电动风机监控电脑显示“主电机综合报警”，2#电动风机停机。检查发现西门子励磁保护柜保护装置上“common trip”“diff trip”“blocked”3个LED报警灯亮，初步判断是差动保护动作（diff trip），后再巡查主电机、主变以及主变保护装置均无其他异常。

3.2 故障排查及分析

故障发生后，检查电机保护故障记录（见表1），后对主电机进行了检查，试验数据正常，电机合格。其中极化指数为：4.36 GΩ/1.569 GΩ=2.77，大于2；直流电阻：A-B间0.01367 Ω，B-C间0.01368 Ω，AC间0.01365 Ω；25 kV耐压试验时，泄漏电流12 μA。

表1 主电机保护装置两次报警画面内容

导出西门子保护装置定值，差动保护启动值为0.2倍额定电流，差速定值为7.5倍额定电流，制动系数为0.25。从故障录波可以看出，T1变压器冲击137 ms后，电机差动保护启动（大于85%的定值），此时B相差流也超过了0.2倍额定电流，且达到跳闸出口条件，但由于该过程含有较大直流分量（63.1%）抬高了启动定值，且差动启动持续了40.4 ms后，三相差流小于0.2倍差流，保护没有出口，直到250 ms，差流值小于70%定值，差动保护返回。第二次T1变压器冲击108 ms后，电机差动保护启动（大于85%的定值），此时B相差流也超过了0.2倍额定电流，且达到跳闸出口条件，差动启动持续了2个周波40 ms后保护出口，70 ms后断路器跳闸，110 ms后差动保护返回。差动启动时L2相差流Idiff-L2=0.25068I/In0＞定值0.2I/In0，制动电流Irest-L2=0.9141 I/In0（见表2），Idiff-L2/Irest-L2=0.274＞斜率1（见图3，定值为0.25），刚好在图3中的A点处差动动作区内，因此差动动作。

图3 差动保护的动作特性

表2 差动启动时故障录波参数

经过分析故障波形，结合系统同一时刻该系统电网运行方式，发现当天T1变压器（容量5×104kVA）大修后进行3次冲击送电。第一次冲击，T1变压器冲击送电137 ms后，电机差动保护启动，但由于该过程含有较大直流分量（63.1%）抬高了启动定值，保护没有出口。第二次T1变压器冲击送电108 ms后，电机差动保护启动且跳闸出口。变压器冲击时，电机电流互感器通过的电流在额定以下（3.04 A，小于5 A），未达到磁饱和的情况（该电流互感器额定电流为2 500 A，电流互感器保护级为5P10，10倍额定电流下误差为5%），但两个互感器检测的电流大小（即首尾端正常电流和谐波电流衰减情况）还与同步电机谐波含量的大小、电流互感器特性曲线等多方面有关。

从故障录波看，差动动作前电机首尾端电流IL1-S1、IL2-S1、IL3-S1、IL1-S2、IL1-S2、IL1-S2有一个增大的趋势，并且首、尾端同步变化（见图4）。尾端CT2（S2）的电流衰减率相比首端CT1（S1）更快。这样就会产生差流IL-S1 -IL-S1。因此差流产生原因为首尾端CT特性存在一定差异导致CT电流衰减率不一致。进一步检查发现，西门子电机差动保护配套的首端CT型号（CT12H）与末端CT型号（SGS10）不一致，形成了一定差流。

图4 差动启动时首尾段电流互感器故障录波曲线

因此，该次故障的主要原因是同一系统T1变压器大修后的冲击送电时，负载电流产生较多二次谐波分量和直流分量，而电机首尾互感器特性不一致引起的差流大于启动值而误动作。后咨询西门子电机厂家差动保护相关问题，答复电机的差动保护没有二次谐波制动功能，保护启动定值不建议调整。

4 主要措施

针对以上原因分析，制定了如下措施：

（1）用于差动保护的必须采用同一厂家且同一批次的互感器，两组电流互感器的技术特性尽量相同。

（2）在外部变压器冲击送电时，必须对主变采用的比率制动式差动保护的最大动作电流、比率制动电流及比率制动系数的整定值进行重新的校核和整定，差动的灵敏性要大于1.5，差速的灵敏性要大于1.2，以便可靠地躲过非周期暂态电流及主变励磁涌流的影响。

（3）保护定值的设置要躲过区外冲击负荷和正常不平衡电流的影响，还要考虑直流分量抬高保护定值的影响。

（4）在临近有变压器或大型电机投运时，可临时退出本电机的差动保护出口压板，启动完成后再投入差动保护出口压板，防止误动作。