電動機差動保護方式探析

李志輝

（廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州510655）

0 引言

根據(jù)國家電氣設(shè)計規(guī)范要求，當大型電動機容量大于2 000kW及以上時，需要裝設(shè)差動保護。國產(chǎn)電動機普遍采用縱聯(lián)差動保護，而部分進口電動機已采用自平衡差動保護。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗比較縱聯(lián)差動保護和自平衡差動保護，自平衡差動保護具有接線簡單、靈敏度和可靠性高的優(yōu)點。

1 縱聯(lián)差動保護和自平衡差動保護原理及接線

1．1 縱聯(lián)差動保護原理和接線

根據(jù)國家設(shè)計規(guī)范要求，不小于2 000kW的異步電動機需要裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。縱聯(lián)差動保護用作電動機的相間短路保護。電動機縱聯(lián)差動保護具有一定的局限性，需要異步電動機定子端具有6個引出端。電動機縱聯(lián)差動保護原理接線圖如圖1所示。

圖1 縱聯(lián)差動保護原理接線圖

電動機縱聯(lián)差動保護在中壓開關(guān)柜電動機回路裝設(shè)3個電流互感器，在電動機中性點附近裝設(shè)3個電流互感器，6個電流互感器的二次回路接入綜合繼保裝置，在綜合繼保裝置內(nèi)比較電動機始端電流與電動機末端電流，實現(xiàn)電流差動保護功能。電動機正常運行時或者差動保護區(qū)外短路故障時，綜合繼保裝置檢測到的不平衡電流小于綜合繼保裝置的動作電流，保護不動作。在保護區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時，綜合繼保裝置檢測到的故障電流遠大于綜合繼保裝置的動作電流，保護瞬時動作，跳開斷路器，保護電動機。

1．2 自平衡差動保護原理及接線

電動機自平衡差動保護在電動機定子線圈附近安裝3個電流互感器，電流互感器二次回路用控制線引出在電動機接線盒附近，并用控制線引入自平衡差動綜合繼保裝置。自平衡差動綜合繼保裝置安裝于該電動機回路的中壓柜上。

自平衡差動保護功能：電動機相間短路及定子繞組短路。

自平衡差動保護原理：利用磁通平衡的原理。在正常情況下，由于磁通平衡，電流相量和為0，自平衡差動互感器二次側(cè)不產(chǎn)生電流。當電動機發(fā)生相間短路故障時，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，二次側(cè)產(chǎn)生不平衡電流；當不平衡電流達到綜合繼保裝置整定值時，綜合繼保裝置啟動跳閘回路，斷路器跳閘，切斷電動機電源，保護電動機。

自平衡差動保護只需要在電動機中性點附近裝設(shè)3個電流互感器，比縱聯(lián)差動保護減少3個電流互感器，一定程度上解決了電流互感器的匹配問題。由于電流互感器接于電動機每相進出的2根線上，當電動機沒有相間短路故障時，電流互感器二次回路中的不平衡電流很小，所以自平衡差動保護的整定值可以設(shè)置得很小，大大提高了電動機保護的靈敏度。自平衡差動保護原理接線圖如圖2所示。

圖2 自平衡差動保護原理接線圖

2 自平衡差動保護整定

自平衡差動保護整定原則：自平衡差動保護用于電動機相間短路保護及電動機定子繞組短路保護，由于相間短路大多數(shù)發(fā)生在電動機進線、出線端子上，短路電流很大，不能作為確定自平衡差動保護整定值的依據(jù)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及查閱國內(nèi)外文獻，電動機自平衡差動保護的整定值應(yīng)以電動機單相接地電流為依據(jù)設(shè)定。10kV電源系統(tǒng)一般為不接地系統(tǒng)，當裝設(shè)自平衡差動保護的電動機回路發(fā)生單相接地短路時，流入自平衡差動保護裝置的故障電流為電網(wǎng)的總單相接地電容電流與故障回路電動機電容電流之差。當同一系統(tǒng)中其他線路發(fā)生單相接地故障時，裝設(shè)自平衡差動保護的電動機回路將產(chǎn)生單相接地電容電流，其大小與該回路的電纜長度、架空線長度、電纜截面、架空線截面、系統(tǒng)電壓有關(guān)，自平衡差動保護整定應(yīng)躲過此電容電流。

根據(jù)設(shè)計項目經(jīng)驗舉例如下：電動機額定電壓10kV，額定功率10 000kW，裝設(shè)自平衡差動保護作為電動機主保護。在電動機中性點附近裝設(shè)3個電流互感器，電流互感器變比為50／1，10kV電網(wǎng)的總單相接地電容電流為20A。10kV開關(guān)柜至電動機用電纜連接，3根3×240mm2電纜，每根電纜長度為320m。

裝設(shè)自平衡差動保護電動機回路單相接地電流計算如下：

每根電纜線路單相接地電容電流為：

式中，S為電纜芯線的標稱截面（mm2）；Ur為線路額定線電壓（kV）；l為線路長度（km）；IC為單相接地電容電流（A）。

裝設(shè)自平衡差動保護電動機回路單相接地電容電流ICM＝3×IC＝1．88A，此電動機自平衡差動保護一次動作電流應(yīng)躲過電動機回路單相接地電容電流。

裝設(shè)自平衡差動保護電動機回路保護裝置的一次動作電流應(yīng)整定為：

式中，Iop為保護裝置一次動作電流（A）；IC為電網(wǎng)的總單相接地電容電流（A）；ICM為裝設(shè)自平衡差動保護電動機電容電流（A）。

自平衡差動保護裝置一次動作電流整定范圍為：1．88A≤Iop≤14．5A，取10A。

自平衡綜合繼保裝置整定電流為：

式中，Iop．K為自平衡差動保護裝置整定電流（A）；Iop為自平衡差動保護裝置一次動作電流（A）；Kjx為自平衡差動保護裝置接線系數(shù)；nTA為自平衡差動保護回路電流互感器變比。

由于國內(nèi)設(shè)計規(guī)范關(guān)于自平衡差動保護的整定計算方法比較少，因此在使用此類型的大型異步電動機時，電動機保護設(shè)置需要按照廠家的要求，結(jié)合系統(tǒng)電網(wǎng)情況，合理設(shè)置自平衡差動保護的整定值。

3 結(jié)語

綜上所述，傳統(tǒng)的電動機縱聯(lián)差動保護需要異步電動機定子端具有6個引出端，特別需要裝設(shè)6個相同型號的電流互感器，具有一定的局限性，在設(shè)置保護定值時也有比較多的要求。電動機自平衡差動保護不受異步電動機定子端引出端頭數(shù)量的限制，只需要裝設(shè)3個相同型號的電流互感器，在設(shè)置保護定值時限制條件比較少。自平衡差動保護具有接線簡單、靈敏度高、可靠性強的優(yōu)點，特別適用于對電動機有防爆要求的區(qū)域。由于國家設(shè)計規(guī)范關(guān)于大型異步電動機自平衡差動保護定值的設(shè)置要求較少，在使用電動機自平衡差動保護時需要借鑒國外經(jīng)驗，并結(jié)合電動機運行過程中出現(xiàn)的情況，不斷總結(jié)經(jīng)驗，更好地使用和推廣10kV大型電動機自平衡差動保護。

［1］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院．工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊．第3版．中國電力出版社，2005

［2］賀家李，宋從矩．電力系統(tǒng)繼電保護原理（增訂版）．中國電力出版社，2004

［3］IEC60034－11—2004 旋轉(zhuǎn)電機 第11部分：內(nèi)裝式熱保護