引江濟(jì)淮工程蜀山泵站電動(dòng)機(jī)主保護(hù)配置研究

何云霞

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230088)

引江濟(jì)淮工程蜀山泵站設(shè)計(jì)裝機(jī)8臺(tái)套，水泵為立式全調(diào)節(jié)混流泵，配套電機(jī)為TL7500-48/4800型立式同步電機(jī)，單機(jī)功率7500kW，額定電壓10kV，總裝機(jī)容量60000kW。

為保證泵站安全可靠運(yùn)行，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)、變壓器等主要電氣設(shè)備均按文[1]的規(guī)定進(jìn)行繼電保護(hù)配置。8臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)是泵站正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備， 根據(jù)文獻(xiàn)1規(guī)定“2MW及以上的電動(dòng)機(jī)，或電流速斷保護(hù)靈敏系數(shù)不符合要求的2MW以下的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)”；縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)與后備綜合保護(hù)裝置配套構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的全套保護(hù)。

1 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)配置方案

1.1 保護(hù)裝置布置

蜀山泵站主廠房總長125m，電機(jī)層直列布置8臺(tái)立式同步機(jī)組，機(jī)組間距13m。設(shè)備控制樓布置在主廠房的左端， 8臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)柜布置在設(shè)備控制樓10kV配電裝置室內(nèi)，距離10kV配電裝置室最遠(yuǎn)的為8#機(jī)組約185m，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)饋電柜內(nèi)。

1.2 差動(dòng)保護(hù)裝置比選

(1)常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方案。常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是一側(cè)電流互感器裝設(shè)在開關(guān)柜，另一側(cè)電流互感器裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)側(cè)，實(shí)現(xiàn)三相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)需要6只電流互感器，兩側(cè)電流互感器型號(hào)相同，變比相同。其原理接線如圖1所示。

圖1 常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理接線圖

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行和外部故障下，電流互感器二次側(cè)回路差電流為零，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，差電流很大，保護(hù)裝置動(dòng)作。常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)對(duì)兩側(cè)電流互感器的參數(shù)一致性的匹配要求較高。

對(duì)蜀山泵站，電動(dòng)機(jī)距電動(dòng)機(jī)饋電柜較遠(yuǎn)，中性點(diǎn)側(cè)電流互感器二次電纜較長，約185m，兩側(cè)電流互感器二次電纜電阻如表1所列。

表1 差動(dòng)兩側(cè)電流互感器TA不同截面電纜的直流電阻

由表1可見，差動(dòng)兩端電流互感器的二次阻抗存在嚴(yán)重不匹配狀態(tài)，中性點(diǎn)側(cè)TA承載較大的電纜電阻負(fù)載，易使得其提前進(jìn)入飽和，造成電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)起動(dòng)時(shí)回路中有較大的不平衡電流，使保護(hù)誤動(dòng)作，可靠性降低。

為防止縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)在起動(dòng)過程中的誤動(dòng)，常采取將制動(dòng)特性的最小動(dòng)作電流和制動(dòng)特性斜率適當(dāng)提高，這種措施降低了起動(dòng)過程縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)靈敏度。

圖2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)原理接線圖

(2)磁平衡差動(dòng)保護(hù)方案。為克服常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)缺點(diǎn)，可采用磁平衡差動(dòng)保護(hù)。在電動(dòng)機(jī)出口側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)同名相加裝一組磁平衡電流互感器，將電動(dòng)機(jī)每相定子繞組始端和中性點(diǎn)端的引線分別進(jìn)、出磁平衡電流互感器的環(huán)形鐵心窗口一次，其二次繞組接磁平衡保護(hù)裝置；保護(hù)僅需要3只自平衡電流互感器，如圖2所示。

磁平衡差動(dòng)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或起動(dòng)過程中，流入各相始端的電流與流入中性點(diǎn)端的電流為同一電流，對(duì)磁平衡電流互感器而言，相當(dāng)互感器一次繞組電流為零，一次繞組處于磁平衡狀態(tài)，二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，避免了兩組TA之間的特性差異引起的不平衡電流，提高了差動(dòng)保護(hù)的靈敏性和可靠性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生相間短路或接地故障時(shí)，故障電流破壞了互感器的磁平衡，二次側(cè)產(chǎn)生電流，當(dāng)達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳電動(dòng)機(jī)開關(guān)，切除電動(dòng)機(jī)電源，達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)目的。

由于磁平衡差動(dòng)保護(hù)電流互感器裝設(shè)在電動(dòng)機(jī)出線接線盒處，保護(hù)范圍僅為電動(dòng)機(jī)本體內(nèi)部，需與裝設(shè)在高壓開關(guān)柜上電動(dòng)機(jī)后備綜合保護(hù)聯(lián)合對(duì)供電電纜和電動(dòng)機(jī)的故障進(jìn)行保護(hù)。

(3)保護(hù)方案選擇。對(duì)于蜀山泵站電動(dòng)機(jī)與饋電開關(guān)柜保護(hù)裝置距離較遠(yuǎn)，采用常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)兩端電流互感器的二次阻抗存在嚴(yán)重不匹配，飽和特性不一致，易引起保護(hù)誤動(dòng)作，可靠性差；常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)主要反應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部相間短路故障，對(duì)單相接地短路故障不具有足夠的靈敏度動(dòng)作于跳閘。磁平衡差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作可靠性高，不僅反應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部相間短路故障，若電動(dòng)機(jī)所接電網(wǎng)內(nèi)電容電流足夠大，還能反映內(nèi)部單相接地短路故障。為確保水泵電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，蜀山泵站電動(dòng)機(jī)采用磁平衡差動(dòng)保護(hù)。

2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定

2.1 磁平衡電流互感器參數(shù)確定

為使磁平衡差動(dòng)保護(hù)發(fā)揮作用，選擇合理的電流互感器參數(shù)，以確保最嚴(yán)重短路故障情況下不發(fā)生飽和，快速切除故障，減少故障范圍。

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行和起動(dòng)情況下，流過電動(dòng)機(jī)各相磁平衡電流互感器一次側(cè)的不平衡電流為各相等效對(duì)地電容電流。電動(dòng)機(jī)對(duì)地電容電流由式(1)計(jì)算：

(1)

其中,K為由絕緣材料確定的系數(shù)，K≈40，SrM為電動(dòng)機(jī)額定容量8333kVA，UrM為電動(dòng)機(jī)額定電壓10kV，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速125r/min。

經(jīng)計(jì)算,電動(dòng)機(jī)電容電流約為0.93A，不平衡電流很??；為滿足誤差精度要求，通常磁平衡電流互感器變比選用50/5A或50/1A；電流互感器二次電流選用1A，對(duì)于電纜距離較遠(yuǎn)的，二次負(fù)荷比較容易滿足要求，故磁平衡電流互感器變比選用50/1A。泵站基本采用智能儀表和微機(jī)型保護(hù)裝置，其功耗比較低，影響電流互感器二次負(fù)荷的主要是連接電纜的長度和截面，由于本站電動(dòng)機(jī)距電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)柜保護(hù)裝置較遠(yuǎn)，TA額定容量選用10VA。3kV～35kV電流互感器準(zhǔn)確限值系數(shù)按保證保護(hù)裝置準(zhǔn)確動(dòng)作的原則選擇，一般采用10P20。因此，磁平衡電流互感器選用的參數(shù)為：變比50/1A、額定容量10VA、準(zhǔn)確限值系數(shù)10P20。

2.2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定

磁平衡差動(dòng)保護(hù)可以反應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組的相間短路故障、接地短路故障，其整定原則為：①躲過磁平衡差動(dòng)保護(hù)的最大不平衡電流；②躲過供電系統(tǒng)中其他線路或設(shè)備發(fā)生單相接地故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)各相提供的最大電容電流。則磁平衡差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流由式(2)計(jì)算：

(2)

其中，Kp.u為可靠系數(shù)取1.3，nTA為磁平衡電流互感器變比50/1A, COM為電動(dòng)機(jī)相對(duì)地電容。

由于蜀山泵站10kVI、II段母線為分段運(yùn)行，系統(tǒng)等效電容不足夠大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地時(shí)，磁平衡保護(hù)不能動(dòng)作，需裝設(shè)單相接地保護(hù)。

2 結(jié)束語

針對(duì)蜀山泵站主電動(dòng)機(jī)距高壓開關(guān)柜較遠(yuǎn)情況，在比較常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和磁平衡縱差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上，確定采用磁平衡差動(dòng)保護(hù)。通過計(jì)算分析，合理選擇磁平衡電流互感器參數(shù)以及保護(hù)整定值。從保護(hù)整定值看，比常規(guī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)靈敏度高，保護(hù)性能好。磁平衡縱差動(dòng)保護(hù)和電動(dòng)機(jī)后備綜合保護(hù)聯(lián)合對(duì)電動(dòng)機(jī)及其供電電纜的故障進(jìn)行保護(hù)，為電動(dòng)機(jī)和泵站穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了可靠保障。