三種電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理的分析

林令知 于昆 劉強(qiáng)

摘要：國(guó)內(nèi)常用比率制動(dòng)式縱差保護(hù)以及國(guó)外運(yùn)用廣泛的高阻抗差動(dòng)保護(hù)和磁平衡差動(dòng)的保護(hù)，針對(duì)電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)經(jīng)常誤動(dòng)得現(xiàn)狀,分析這三種差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及誤動(dòng)的原因。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù) 比率制動(dòng) 高阻抗 磁平衡 誤動(dòng)

0 概述

微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠(chǎng)和大型廠(chǎng)礦企業(yè), 一般電動(dòng)機(jī)都裝設(shè)綜合保護(hù),火力發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定上規(guī)定2MW及以上的電動(dòng)機(jī)以及2MW以下中性點(diǎn)具有分相引線(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電流速斷保護(hù)靈敏性不夠時(shí)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，作為電動(dòng)機(jī)的相間短路或匝間短路的主保護(hù)。

1 基于比率制動(dòng)的縱差保護(hù)的動(dòng)作原理及分析

比率制動(dòng)式縱差保護(hù)繼電器的差動(dòng)電流id和制動(dòng)電流ires各為

id= i1- i2=（ 1- 2）/na

ires=（i1- i2）/2=（ 1+ 2）/2na

當(dāng)差動(dòng)保護(hù)區(qū)外短路時(shí)外部短路電流 k?ou為

1= 2= k?ou，id =0

隨著外部短路電流 k?ou的增大，雖然不平衡電流和差動(dòng)電流id均有所增加，但是制動(dòng)電流ires隨 k?ou的線(xiàn)性增大繼電器的動(dòng)作電流也就相應(yīng)的增大，從而達(dá)到保護(hù)不誤動(dòng)的目的，保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)：

|I1-I2|≥Iset

|I1-I2|≥K|(I1+ I2)/2|

Iset為保護(hù)最小的動(dòng)作電流，K為比率制動(dòng)系數(shù)。

比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)就是依靠動(dòng)作電流和制動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)兩個(gè)判據(jù)同時(shí)滿(mǎn)足使保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障靈敏動(dòng)作。

接入差動(dòng)保護(hù)的電流為設(shè)置在電動(dòng)機(jī)三相電纜輸入端（中壓開(kāi)關(guān)柜）及電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)的三組電流互感器二次三相電流，電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)由三個(gè)分相差動(dòng)原件組成。由于用于電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)CT空間安裝位置不同，造成二次回路阻抗大小不一致CT有不同的傳變特性，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或者外部短路時(shí)，容易引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。所以比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)引入比率制動(dòng)系數(shù)K。在實(shí)際情況中可以給差動(dòng)元件80~100ms的動(dòng)作延時(shí)，以便躲過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的不平衡電流，防止電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)保護(hù)誤動(dòng)也可以在保護(hù)裝置中增加諧波制動(dòng)。

2 高阻抗差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作原理及分析

1) 正常運(yùn)行時(shí), I1 = I2 ,所以ij = i1 - i2 = 0。因此,繼電器兩端電壓Uab = ij ×Rj = 0。Rj 為繼電器內(nèi)部阻抗。電流不流經(jīng)繼電器線(xiàn)圈,也不會(huì)產(chǎn)生電壓,所以繼電器不動(dòng)作。

2) 由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流較大,是額定電流的6～8 倍且含有較大的非周期分量。當(dāng)CT1 與CT2 特性存在差異或剩磁不同,如有一個(gè)CT 先飽和。假設(shè)CT2 先飽和,CT2 的勵(lì)磁阻抗減小,二次電流i2 減小。由于ij = i1 - i2導(dǎo)致ij 上升,繼電器兩端電壓Uab上升。這樣又進(jìn)一步使CT2 飽和,直至CT2 完全飽和時(shí),CT2 的勵(lì)磁阻抗幾乎為零。繼電器輸入端僅承受i1 在CT2 的二次漏阻抗Z02和連接電纜電阻Rw 產(chǎn)生的壓降。

Uab = ij ( Rw + Z02)

為了保證保護(hù)有較高的靈敏度及可靠性,就應(yīng)使Uab減小,也就是要求CT 二次漏阻抗降低。這種情況下,繼電器的整定值應(yīng)大于Uab ,才能保證繼電器不誤動(dòng)

3) 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，i1 = Id/ n ( n為CT1 電流互感器匝數(shù)比) ij = i1 - ie≈ i1 , Uab = ij×Rj≈ i1 Rj 此時(shí)電流流入繼電器線(xiàn)圈,產(chǎn)生電壓,檢測(cè)出故障,繼電器動(dòng)作。由于CT1 二次電流i1可分為流向CT 勵(lì)磁阻抗Zm 的電流ie 和流向繼電器的電流ij 。因此,勵(lì)磁阻抗Zm 越大,越能檢測(cè)出更小的故障電流,保護(hù)的靈敏度就越高。

高阻抗差動(dòng)保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn): ① 區(qū)外故障CT飽和時(shí)不易產(chǎn)生誤動(dòng)作; ②區(qū)內(nèi)故障有較高的靈敏度。

高阻抗差動(dòng)保護(hù)用的CT設(shè)計(jì)要點(diǎn)是:依據(jù)拐點(diǎn)電壓及拐點(diǎn)電壓下的勵(lì)磁電流來(lái)確定鐵芯尺寸。保證在區(qū)內(nèi)故障時(shí),CT 能提供足夠的動(dòng)作電壓。

Uk ≥2US，Uk 為CT 的額定拐點(diǎn)電壓，US 為保證不誤動(dòng)的電壓值。CT的額定拐點(diǎn)電壓也稱(chēng)飽和起始電壓,此電壓定義為額定頻率正弦波電動(dòng)勢(shì)最小方均根值加于被測(cè)CT 二次繞組兩端,一次繞組開(kāi)路,測(cè)量勵(lì)磁電流,當(dāng)電壓每增加10 %時(shí),勵(lì)磁電流的增加至但不大于50 %。

一般情況下高阻抗差動(dòng)保護(hù)用CT勵(lì)磁阻抗為幾十千歐姆的數(shù)量級(jí)，如果匝數(shù)比的分散性很大,CT1和CT2的二次電流i1 和i2 不能互相抵消, 該差值電流ij流經(jīng)繼電器線(xiàn)圈,即成為產(chǎn)生誤動(dòng)作的原因。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中匝數(shù)比誤差規(guī)定為±0. 25 %，匝數(shù)較大CT容易滿(mǎn)足該規(guī)定并且能保證保護(hù)不發(fā)生誤動(dòng)作，匝數(shù)較小CT即使?jié)M足該規(guī)定,在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的差電壓也較大,足以造成保護(hù)誤動(dòng)作。

為了避免保護(hù)誤動(dòng)，用于該保護(hù)的CT要求勵(lì)磁阻抗高、二次漏抗低和匝數(shù)比誤差小而且CT鐵芯尺寸要依據(jù)拐點(diǎn)電壓及拐點(diǎn)電壓下的勵(lì)磁電流來(lái)確定。對(duì)于高阻抗差動(dòng)保護(hù)用CT的特性在實(shí)際選用時(shí)應(yīng)采用同一廠(chǎng)家,同一批產(chǎn)品中特性相近、匝數(shù)比相同的CT。

3磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作原理及分析

根據(jù)磁平衡原理，同相首尾一次電流經(jīng)串芯電流互感器后，差動(dòng)電流中不存在因TA誤差原因產(chǎn)生的差電流。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或外部短路時(shí)，各相始端和終端電流一進(jìn)一出，互感器一次安匝為零，不平衡電流幾乎為零。保護(hù)不動(dòng)作。磁平衡差動(dòng)保護(hù)三相接線(xiàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)每相繞組的始端（機(jī)端）和終端（中性側(cè)）引線(xiàn)分別入、出磁平衡電流互感器TA的環(huán)形鐵芯窗口一次。

在電動(dòng)機(jī)沒(méi)有發(fā)生相間短路的情況下，由于每相只用1 只電流互感器, 不存在縱差保護(hù)中2 只電流互感器負(fù)載不平衡的問(wèn)題, 不平衡電流僅由反向穿過(guò)電流互感器的電流產(chǎn)生的漏磁通之差產(chǎn)生, 因此很小, 正常運(yùn)行時(shí)小于0.005倍電動(dòng)機(jī)額定電流。依靠互感器一次勵(lì)磁安匝的磁平衡，徹底根除電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)和外部故障短路暫態(tài)過(guò)程中的誤動(dòng)作，而且簡(jiǎn)化保護(hù)整定。由于磁平衡的原理，電流互感器二次側(cè)短線(xiàn)也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓現(xiàn)象。

磁平衡式電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍不包括電動(dòng)機(jī)與開(kāi)關(guān)柜之間的高壓電纜，對(duì)于非直接接地系統(tǒng)的電纜網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)的電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流僅是電纜網(wǎng)絡(luò)的電容電流，要保證繼電器與CT的負(fù)載匹配，以求在電機(jī)繞組單相接地時(shí)能有靈敏反應(yīng)。

4 結(jié)論

從上文分析中可以看出不管基于何種原理的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù),由于存在不平衡電流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。CT選型、合理的選擇二次負(fù)載,優(yōu)化保護(hù)整定值,對(duì)電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作有至關(guān)重要的作用。但是我們應(yīng)看到基于磁平衡原理的差動(dòng)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以及外部故障，能夠完善的避免保護(hù)誤動(dòng)作。但是目前由于制造原因, 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)一般不裝置磁平衡保護(hù)所用的電流互感器, 導(dǎo)致磁平衡電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)沒(méi)有引起足夠的重視,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)南瑞、東大金智的數(shù)字式電動(dòng)機(jī)保護(hù)均有磁平衡式電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)功能，在電動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行要求較高的場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足裝設(shè)磁平衡電流互感器的條件下，考慮到磁平衡差動(dòng)保護(hù)較簡(jiǎn)單可靠，應(yīng)加以運(yùn)用。

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