磁平衡差動保護(hù)在φ5.5×8.5球磨同步電動機(jī)上的應(yīng)用

虎尚友

（陜西有色冶金礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西西安，710000）

在大型礦山企業(yè)中，由于生產(chǎn)工藝的需要，經(jīng)常采用破碎機(jī)、球磨機(jī)、砂泵等一些機(jī)械設(shè)備，而這些設(shè)備常常配套使用大功率的同步或異步電動機(jī)作為動力來滿足生產(chǎn)工藝的要求；為了保證生產(chǎn)工藝的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，電動機(jī)的正確選擇與可靠運(yùn)行就顯得尤為重要；因此，在注重電動機(jī)本身產(chǎn)品質(zhì)量的同時，對電動機(jī)使用過程中的保護(hù)問題也是企業(yè)必須要重視的，它關(guān)系到一個選礦生產(chǎn)線的正常運(yùn)行和供電網(wǎng)絡(luò)的供電安全問題。故此，對于電壓為3kV及以上的異步電動機(jī)和同步電動機(jī)，應(yīng)對下列故障及異常運(yùn)行方式裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置：⑴定子繞組相間短路；⑵定子繞組單相接地；⑶定子繞組過負(fù)荷[1]；⑷電動機(jī)運(yùn)行中繞組與軸承過熱；⑸定子繞組低電壓；⑹同步電動機(jī)失步；⑺同步電動機(jī)失磁；⑻同步電動機(jī)出現(xiàn)非同步?jīng)_擊電流；⑼相電流不平衡[1]；⑽電動機(jī)電纜外部故障等。此外，對于容量＜2000kW當(dāng)電流速斷保護(hù)不能滿足靈敏度要求或容量≥2000kW的3kV及以上異步或同步電動機(jī)必須裝設(shè)差動保護(hù)裝置。

某集團(tuán)公司日處理10000t/d鉬選礦生產(chǎn)線，一段磨礦采用一臺φ5.5×8.5球磨機(jī)，配套電動機(jī)為哈電集團(tuán)TMW4500-30/3050型同步電動機(jī)，其技術(shù)參數(shù)分別為：。本文將通過該同步電動機(jī)繼電保護(hù)這一具體事例，介紹磁平衡差動保護(hù)的工作原理、計(jì)算整定、與傳統(tǒng)差動保護(hù)的異同及在大型球磨機(jī)配套同步電動機(jī)上使用的成功例證。

1 磁平衡差動保護(hù)的工作原理

磁平衡差動保護(hù)也稱為自平衡差動保護(hù)，是利用磁平衡原理實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)的一種方法，常規(guī)的磁平衡差動保護(hù)一般由三個磁平衡電流互感器和三個電流繼電器組成。它與普通的電流互感器在使用上不同的是，普通電流互感器一次線只穿過CT一次，磁平衡電流互感器一次線穿過CT兩次。在傳統(tǒng)的電動機(jī)差動保護(hù)中，如用常規(guī)電流互感器，則電動機(jī)進(jìn)線處和中性點(diǎn)處各裝一組CT；用磁平衡電流互感器時，電動機(jī)的進(jìn)線和中性點(diǎn)接線同樣穿過磁平衡CT，當(dāng)電動機(jī)繞組正常時，一正一反兩次穿過磁平衡CT，相互抵消，磁平衡CT二次無感應(yīng)電流。如電動機(jī)繞組有故障，則一正一反兩次穿過磁平衡CT時，不能相互抵消，磁平衡CT二次有感應(yīng)電流，差動保護(hù)動作。其原理接線圖[2]如圖1所示。

圖1 高壓電動機(jī)磁平衡差動保護(hù)原理接線圖

從圖1可以很直觀的看到，磁平衡差動保護(hù)的組成是在電動機(jī)出口側(cè)與中性點(diǎn)側(cè)同名相加裝一組磁平衡電流互感器CTa、CTb、CTc，其二次繞組分別接至磁平衡差動繼電器CJa、CJb、CJc上組成完整的保護(hù)裝置。根據(jù)磁平衡原理，差動電流中不存在因CT誤差原因產(chǎn)生的差電流。電動機(jī)啟動時，同相兩側(cè)電流產(chǎn)生的磁通，因磁路不對稱引起漏磁通不一致，在CT內(nèi)產(chǎn)生不平衡電流，若兩側(cè)電纜在同時穿過CT并安裝的比較對稱，正常情況下不平衡電流幾乎為零[1]。在電動機(jī)啟動或正常運(yùn)行過程中，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，對于磁平衡電流互感器而言，該電流一進(jìn)一出，互感器一次安匝為零，即一次勵磁安匝處于磁平衡，則二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護(hù)不動作。當(dāng)電動機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地故障時，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，二次側(cè)產(chǎn)生電流，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時啟動電流繼電器，繼電器使電動機(jī)配電柜內(nèi)的斷路器跳閘，切除電動機(jī)電源，達(dá)到了保護(hù)電動機(jī)的目的。

2 高壓電動機(jī)磁平衡差動保護(hù)的整定計(jì)算

同相首尾一次電流流經(jīng)磁平衡電流互感器后，由于兩側(cè)電流產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，僅有兩側(cè)相同電流的漏磁通不一致所產(chǎn)生的磁不平衡電流，其數(shù)值很小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般≯5‰IP（IP三相平衡一次相電流）；因此磁平衡差動保護(hù)動作電流按躲過電動機(jī)啟動時產(chǎn)生最大磁不平衡電流計(jì)算：

式中：Idz—磁平衡差動保護(hù)動作電流；

Kk—可靠系數(shù)，一般取1.5～2；Ib.max—電動機(jī)起動時的最大不平衡電流；

Ker—電動機(jī)兩側(cè)磁不平衡誤差，一般取5‰；Kst—電動機(jī)起動電流倍數(shù)；

In—電動機(jī)額定電流；nCT—磁平衡電流互感器變比。

根據(jù)TMW4500-30/3050型同步電動機(jī)制造商提供的相關(guān)參數(shù)，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)計(jì)算值為3.511，保證值為4.0；磁平衡電流互感器的變比一般為50/1A。由此計(jì)算出保護(hù)動作電流為：。

磁平衡差動保護(hù)動作時間為繼電器和斷路器的固有動作時間，因此，該裝置的時間按照0s整定。

目前，由傳統(tǒng)的繼電器組成的差動保護(hù)已經(jīng)被微機(jī)保護(hù)裝置所取代，在電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)，具有專門的磁平衡差動保護(hù)接口，為保證保護(hù)動作的可靠性，在電動機(jī)啟動過程中，保護(hù)裝置增加了延時T=100ms保護(hù)出口，以躲過電動機(jī)啟動過程中瞬時暫態(tài)峰值電流，提高保護(hù)可靠性。某公司TMW4500-30/3050型同步電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置采用的是珠海萬力達(dá)公司的產(chǎn)品，其磁平衡差動保護(hù)動作邏輯圖如圖2所示：

圖2 磁平衡差動保護(hù)動作邏輯圖

3 磁平衡差動保護(hù)與傳統(tǒng)差動保護(hù)的異同

傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)，其原理是在電動機(jī)中性點(diǎn)側(cè)與出口開關(guān)側(cè)分別安裝有兩組變比相同的電流互感器，按環(huán)流法連接將該相的差流回路接入電流繼電器，在正?；虮Ｗo(hù)范圍外發(fā)生短路故障時，中性點(diǎn)與出口側(cè)的電流數(shù)值和相位都相同，差流回路沒有電流或電流極小，繼電器不會動作；當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時，將產(chǎn)生一個回路差流，當(dāng)其超過電流繼電器整定值時即啟動電機(jī)縱差保護(hù)動作。電動機(jī)在正常運(yùn)行與外部發(fā)生故障下，電流互感器二次側(cè)回路差電流為零，保護(hù)裝置不會動作。而當(dāng)電動機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時，差電流很大，此時保護(hù)裝置動作。顯然，要實(shí)現(xiàn)電動機(jī)三相縱聯(lián)差動保護(hù)，需要6個電流互感器，參見圖3。因此，兩者相比有以下不同：

（1）傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)需要6個電流互感器；而磁平衡差動保護(hù)僅需3個電流互感器。

（2）傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)接線較為復(fù)雜，線路較長；而磁平衡差動保護(hù)接線簡單。

圖3 傳統(tǒng)的電動機(jī)縱聯(lián)差動保護(hù)原理接線圖

（3）傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)受電流互感器飽和特性的影響，實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)誤動的情況。尤其是當(dāng)控制室離電動機(jī)操作現(xiàn)場很遠(yuǎn)時，中性點(diǎn)側(cè)CT要承載過多電纜電阻負(fù)載，這樣會使得其提前進(jìn)入飽和，從而差電流增大，保護(hù)誤動；因此，磁平衡差動保護(hù)的靈敏度要比傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)高許多，保護(hù)動作的可靠性相對較高。

（4）傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)需要兩組性能完全一致的互感器，性能差異會引起誤動。在一般工礦企業(yè)，開關(guān)柜距離所控制的電動機(jī)較遠(yuǎn)，兩者均存在對控制電纜截面的要求比較粗，不經(jīng)濟(jì)；并且兩者對于電動機(jī)為三角形接線時則無法實(shí)現(xiàn)。

（5）由于磁平衡差動保護(hù)用的電流互感器一般安裝在電動機(jī)的出線處，其保護(hù)范圍僅僅是電動機(jī)本體的內(nèi)部故障；而傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)用的電流互感器為兩組，一組電流互感器安裝在開關(guān)柜的出口處，另一組電流互感器安裝在電動機(jī)繞組中性點(diǎn)處，可以將負(fù)載電纜可能出現(xiàn)的故障包含在保護(hù)范圍內(nèi)，其保護(hù)范圍相對比較廣一些。

4 磁平衡差動保護(hù)安裝過程中的注意事項(xiàng)

為保證磁平衡差動保護(hù)動作的可靠性，電動機(jī)定子繞組出口側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)電纜在同時穿過磁平衡電流互感器時，需要對稱安裝，這樣才能保證正常情況下不平衡電流接近于零，使之設(shè)備在運(yùn)行過程中不會造成誤動，提高了差動保護(hù)裝置的可靠性。

5 結(jié)語

磁平衡差動保護(hù)接線較為簡單，使用電流互感器數(shù)量少，與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)相比，增加了大型電動機(jī)運(yùn)行的可靠性；目前，在礦山企業(yè)大型交流異步電動機(jī)和同步電動機(jī)繼電保護(hù)中得到了廣泛使用。磁平衡差動保護(hù)技術(shù)在該公司10000t/d鉬選礦生產(chǎn)線一段磨礦φ5.5×8.5球磨機(jī)配套的TMW4500-30/3050型同步電動機(jī)上的成功應(yīng)用，為大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備在生產(chǎn)工藝中可靠運(yùn)行提供了技術(shù)支持。