磁平衡差動(dòng)保護(hù)在高壓同步電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

聶善峰

(中鋁工業(yè)服務(wù)有限公司， 北京 102209)

0 引言

隨著電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的提高及工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，3 kV及以上電壓等級(jí)的高壓同步電動(dòng)機(jī)在工廠中應(yīng)用越來越多。在實(shí)際運(yùn)行過程中這些電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)各種故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，歸納起來這些故障狀態(tài)或不正常運(yùn)行狀態(tài)主要有以下幾種類型[1]：

(1)高壓同步電動(dòng)機(jī)定子繞組內(nèi)部的相間短路；

(2)高壓同步電動(dòng)機(jī)定子繞組內(nèi)部的單相接地；

(3)高壓同步電動(dòng)機(jī)定子繞組過負(fù)荷；

(4)高壓同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中繞組及軸承過熱；

(5)運(yùn)行過程中因外部電網(wǎng)電壓波動(dòng)或故障等原因，導(dǎo)致高壓同步電動(dòng)機(jī)定子繞組低電壓；

(6)高壓同步電動(dòng)機(jī)的失勵(lì)磁與失步；

(7)高壓同步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不正常的非同步?jīng)_擊電流；

(8)因電動(dòng)機(jī)內(nèi)部斷相或接線錯(cuò)誤等原因?qū)е赂邏和诫妱?dòng)機(jī)定子繞組三相電流不平衡；

(9)由于拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑等故障而導(dǎo)致高壓同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)；

(10)高壓同步電動(dòng)機(jī)電源電纜外部的故障等。

對(duì)于高壓同步電動(dòng)機(jī)引出線及繞組的相間短路故障，一般采用電流速斷保護(hù)，用于容量小于2 MW以下的電動(dòng)機(jī)，保護(hù)宜采用兩相式。容量較小的電動(dòng)機(jī)，也可采用一個(gè)繼電器接于兩相電流之差，但必須滿足靈敏性要求。在正常配置的電流速斷保護(hù)不能滿足規(guī)范規(guī)定的靈敏度要求時(shí)，或當(dāng)容量大于等于2 MW的電動(dòng)機(jī)則應(yīng)當(dāng)裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)裝置(此時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)為6個(gè)引出端子，即電動(dòng)機(jī)有中性點(diǎn)引出端子)。保護(hù)裝置可采用兩相或三相接線形式并應(yīng)無時(shí)限動(dòng)作于跳閘。當(dāng)高壓同步電動(dòng)機(jī)設(shè)置自動(dòng)滅磁裝置時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)自動(dòng)滅磁。

本文僅對(duì)高壓同步電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行討論。

1 差動(dòng)保護(hù)的工作原理

利用基爾霍夫電流定理進(jìn)行工作的電氣設(shè)備保護(hù)一般稱為差動(dòng)保護(hù)。正常時(shí)流入一個(gè)封閉回路的電流和流出的電流應(yīng)該相等，那么其流入和流出的電流差(差動(dòng)電流)等于零，也就是把被保護(hù)的電氣設(shè)備或元件看成是一個(gè)閉合區(qū)域，當(dāng)被保護(hù)的設(shè)備出現(xiàn)不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，處于被保護(hù)區(qū)域內(nèi)設(shè)備的電流的流入和流出是不相等的，理論分析證明，此時(shí)流入和流出的電流向量值之和的絕對(duì)值大于零。當(dāng)實(shí)際檢測(cè)出來的差動(dòng)電流值大于差動(dòng)保護(hù)裝置的實(shí)際整定數(shù)值時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，并將被保護(hù)電氣設(shè)備的電源側(cè)斷路器斷開(當(dāng)負(fù)荷側(cè)安裝斷路器時(shí)需同時(shí)跳開)，發(fā)生故障的電氣設(shè)備脫離電源。差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍是在兩輸入端電流互感器之間的電氣設(shè)備，可以是電纜、母線或線路，也可以是發(fā)電機(jī)，同步或異電動(dòng)機(jī)或變壓器等電氣設(shè)備。

2 高壓同步電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)

一般情況下，常設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)來彌補(bǔ)大型電動(dòng)機(jī)設(shè)置的電流速斷保護(hù)保護(hù)靈敏度的不足的情況。在進(jìn)行高壓同電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分析時(shí)，是以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)末端電流(電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn))為基礎(chǔ)，并和始端電流(控制開關(guān)或者斷路器出口)以矢量加減進(jìn)行比較，如果兩測(cè)量點(diǎn)的電流值相位和幅值都相同，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，二者產(chǎn)生了偏差，保護(hù)功能將按設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作條件自動(dòng)啟動(dòng)。為可靠的實(shí)現(xiàn)該保護(hù)功能，需要在出口端斷路器及電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)兩處各安裝一組同一型號(hào)的CT(圖1中的1LH和2LH)，用來保證檢測(cè)的電流數(shù)值變化的差別不大。從而確定差動(dòng)保護(hù)參數(shù)。差動(dòng)電流接線設(shè)置在電流互感器二次側(cè)。兩端CT連接以同相、同極性并聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)CT之間二次側(cè)同極性相連，而保護(hù)用電流繼電器接法則以并聯(lián)的形式接入電流差后的保護(hù)電路中，可通過檢測(cè)流過電流繼電器線圈的電流并根據(jù)線圈中的電流幅值大小進(jìn)行判定CT的二次側(cè)電流變化值，此時(shí)電流繼電器可反應(yīng)兩側(cè)互感器的實(shí)際電流之差。為節(jié)約投資，在中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)也可以采用兩相式接線，主要由上述差動(dòng)繼電器、電流互感器各兩個(gè)元件構(gòu)成。

由上可知，縱差保護(hù)是按照循環(huán)電流原理構(gòu)成的，高壓電動(dòng)機(jī)的縱差保護(hù)同時(shí)要求電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行和縱差保護(hù)區(qū)(縱差保護(hù)區(qū)為電流互感器1LH、2LH之間的范圍)外故障時(shí)，流入差動(dòng)繼電器中的電流為零，保證縱差保護(hù)不動(dòng)作。

圖1 傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)接線原理圖

磁平衡差動(dòng)保護(hù)是自平衡差動(dòng)保護(hù)，有的稱為“小差動(dòng)保護(hù)”，它是基于磁勢(shì)平衡原理實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的一種方法。通常條件下，磁平衡差動(dòng)保護(hù)由三個(gè)磁平衡電流互感器和三個(gè)對(duì)應(yīng)的電流繼電器組成。它與常規(guī)條件下差動(dòng)保護(hù)用電流互感器在使用上有區(qū)別，常規(guī)電流互感器一次側(cè)導(dǎo)線僅需一次穿過CT，而磁平衡電流互感器一次側(cè)每相導(dǎo)體則需兩次穿過CT(該CT請(qǐng)見圖2中的TA1、TA2、TA3)。采用磁平衡電流互感器時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的接線箱處電源接線和中性點(diǎn)接線同樣穿過對(duì)應(yīng)的一組同相磁平衡CT，其同相繞組的兩端一正一反(按電流流入電動(dòng)機(jī)的方向)兩次穿過磁平衡CT，在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，按照基爾霍夫第一定律流入和流出的電流相互抵消，正常時(shí)磁平衡CT二次應(yīng)無感應(yīng)電流產(chǎn)生。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中內(nèi)部繞組發(fā)生短路等故障，則一正一反兩次穿過磁平衡CT時(shí)，流入和流出電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能相互抵消，磁平衡CT的二次側(cè)將產(chǎn)生不平衡感應(yīng)電流，當(dāng)該感應(yīng)電流達(dá)到設(shè)定的保護(hù)裝置動(dòng)作值時(shí)，差動(dòng)保護(hù)裝置將動(dòng)作跳開控制開關(guān)(如斷路器)。原理接線圖如圖1所示。

圖2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)接線圖

從圖1可以很清晰的看出，磁平衡差動(dòng)保護(hù)的組成是在電動(dòng)機(jī)本體接線端子箱內(nèi)的繞組出口與中性點(diǎn)側(cè)同名相分別加裝一組磁平衡電流互感器TA1、TA2、TA3，其二次繞組分別接至對(duì)應(yīng)的保護(hù)裝置(差動(dòng)繼電器)上形成完整的保護(hù)裝置。

磁平衡電流互感器并不是裝設(shè)在開關(guān)柜內(nèi)，而是安裝在電動(dòng)機(jī)的接線箱內(nèi)。電源電纜穿過該電流互感器后，電動(dòng)機(jī)的星形尾端電纜回穿電流互感器后再短接形成中性點(diǎn)。

傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和磁平衡差動(dòng)保護(hù)有以下不同點(diǎn)：

(1)傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置需要6個(gè)電流互感器；對(duì)于磁平衡差動(dòng)保護(hù)裝置而言，僅需安裝3個(gè)自平衡電流互感器。

(2)傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)接線稍復(fù)雜，根據(jù)總平面設(shè)備配置，控制線路有時(shí)較長(zhǎng)；而磁平衡差動(dòng)保護(hù)因僅設(shè)置一組自平衡電流互感器，其接線相對(duì)較為簡(jiǎn)單。

(3)受電流互感器飽和特性的影響，傳統(tǒng)應(yīng)用的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)的情況。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源開關(guān)柜與電動(dòng)機(jī)操作現(xiàn)場(chǎng)距離很遠(yuǎn)時(shí)，中性點(diǎn)側(cè)CT要負(fù)擔(dān)過多電纜阻抗負(fù)載，按電流互感器的磁飽和特性，這樣會(huì)使得電流互感器過早進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而不平衡差電流增大，保護(hù)裝置可能會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)。從基本原理上看，磁平衡差動(dòng)保護(hù)的靈敏度及抗干擾能力要比傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)高出許多，保護(hù)動(dòng)作的可靠性也就相對(duì)較高。

(4)傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)往往要求兩組電流互感器的輸入輸出性能完全一致，在性能存在差異時(shí)有可能會(huì)引起誤動(dòng)。且在大部分的工礦企業(yè)應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)電源開關(guān)柜距離所控制的電動(dòng)機(jī)一般較遠(yuǎn)，這樣的話，兩種情況下均要求對(duì)控制電纜截面的要大，不經(jīng)濟(jì)；并且對(duì)于三角形接線時(shí)的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)很難實(shí)現(xiàn)。

(5)磁平衡差動(dòng)保護(hù)因?yàn)橹挥幸唤M電流互感器，所以不存在兩側(cè)CT特性不一致的問題，也就不用比率制動(dòng)來防止誤動(dòng)作了。此時(shí)的保護(hù)整定非常簡(jiǎn)單，就是一個(gè)純粹的電流保護(hù)。

(6)磁平衡差動(dòng)保護(hù)用的電流互感器一般安裝在電動(dòng)機(jī)的接線端子箱內(nèi)，即電動(dòng)機(jī)繞組出線處，其保護(hù)范圍較小，僅僅是電動(dòng)機(jī)本體的內(nèi)部繞組故障；而傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)用的電流互感器須為兩組，一組電流互感器一般安裝在配電用高壓開關(guān)柜斷路器的出口處，另一組電流互感器則安裝在電動(dòng)機(jī)繞組出線接線端子箱中性點(diǎn)處，可以將電源電纜可能出現(xiàn)的故障包含在保護(hù)范圍內(nèi)，該情況下保護(hù)范圍相對(duì)較大一些。

高壓同步電動(dòng)機(jī)的磁平衡縱差保護(hù)可以靈敏反應(yīng)定子繞組的相間短路故障(含定子繞組對(duì)另兩相中性點(diǎn)短路)，但不能反應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部同相定子繞組的匝間短路和定子繞組的斷相故障，因此，就反應(yīng)故障類型來說，與常規(guī)縱差保護(hù)無區(qū)別。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、外部短路故障時(shí)高壓電動(dòng)機(jī)流向配電系統(tǒng)的反饋電流、外部短路故障切除后高壓電動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)過程中不會(huì)形成不平衡電流，這與常規(guī)縱差保護(hù)是有區(qū)別的。對(duì)外部單相接地故障，則有不大的不平衡電流。若電動(dòng)機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的電容電流足夠大，磁平衡式差動(dòng)保護(hù)還可以反應(yīng)單相接地短路故障。

3 異步電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算

3.1 條件1：按躲過外部單相接地短路時(shí)產(chǎn)生的不平衡電流

配電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電流定律，TA僅能檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部的很小的對(duì)地及相間電容電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)端子箱以外發(fā)生單相接地短路時(shí)，故障相電壓為零，故障相的TA不能檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)地正常的電容電流；在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，非故障相對(duì)地電壓則升高為系統(tǒng)的線電壓，此時(shí)非故障相的TA則能反映流過電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地及繞組間的電容電流。

Iset=KrelUrmωCp/nTA

(1)

式中Iset—磁平衡縱差保護(hù)整定值，A；

Cp—電動(dòng)機(jī)單相繞組對(duì)地電容值，μF；

ω—電源角頻率，ω=2πf；

UrM—電動(dòng)機(jī)額定電壓，kV；

Krel—可靠系數(shù)，取1.1～1.3；

nTA—零序電流互感器變比。

3.2 條件2：按躲過啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流

由于導(dǎo)體穿TA時(shí)不能完全一致，流人與流出TA的電流在TA中的因空間位置的不對(duì)稱、電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地電容不一致和TA本體的鐵芯磁路生產(chǎn)制造時(shí)不對(duì)稱，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)，TA二次側(cè)總能或多或少的檢測(cè)到一定量的不平衡電流(ko)。通常情況下電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，TA的實(shí)測(cè)ko的值不大于0.5%的電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流。

因此，與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)一樣，磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定時(shí)也必須躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流，即：

(2)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取

Iopk=(0.15～0.20)IrM/nTA

式中Krel—可靠系數(shù)，取1.5～2；

Iunbmax—電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中的最大不平衡電流，A；

Ker—電動(dòng)機(jī)出線端子兩側(cè)磁不平衡誤差，ko，取0.5%；

Kst—電動(dòng)機(jī)的額定啟動(dòng)電流倍數(shù)(一般最大最大取Kst=7，也可根據(jù)高壓電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品資料選擇)；

IrM—電動(dòng)機(jī)的額定工作電流，A；

nTA—選擇的零序電流互感器變比。

一般情況下，按躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流計(jì)算的整定電流值，要比按躲過外部單相接地短路時(shí)的不平衡電流值大一些。參考文獻(xiàn)或保護(hù)廠家所推薦的磁平衡差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)整定值(一般提供的是一次側(cè)電流值)都約為5%的電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流。

4 同步電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算

由電動(dòng)機(jī)定子繞組中每相正序電容CMl、每相零序電容CM0所構(gòu)成的磁平衡差動(dòng)保護(hù)回路中的不平衡電流，其值為：

(3)

(4)

(5)

式中IunbA、IunbB、IunbC—磁平衡縱差保護(hù)的A、B、C相不平衡電流，A；

Iunb—磁平衡縱差保護(hù)的相不平衡電流，A；

Iop—保護(hù)動(dòng)作電流，A；

Iopk—繼電器動(dòng)作電流，A；

CM1—定子繞組每相正序電容，μF；

CM0—定子繞組每相零序電容，μF；

ω—電源角頻率，ω=2πf；

Krel—可靠系數(shù)，取1.1～1.3；

nTA—零序電流互感器變比。

5 同步電動(dòng)機(jī)的單相接地電容電流

隱極同步電動(dòng)機(jī)的電容電流：

(6)

式中SrM—電動(dòng)機(jī)額定容量，MVA；

UrM—電動(dòng)機(jī)額定電壓，kV；

K—取決于絕緣等級(jí)的系數(shù)，當(dāng)溫度為15～20 ℃時(shí)，K=0.018 7。

凸極同步電動(dòng)機(jī)的電容電流：

(7)

式中SrM—電動(dòng)機(jī)額定容量，kVA；

UrM—電動(dòng)機(jī)額定電壓，V；

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min：

K—取決于絕緣等級(jí)的系數(shù)，對(duì)于B級(jí)絕緣，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，K≈40。

定子繞組每相零序電容(即對(duì)地電容)：

(8)

6 接地系統(tǒng)與磁平衡差動(dòng)保護(hù)

因現(xiàn)有礦山設(shè)備隨著礦山向大規(guī)模發(fā)展而大型化，礦山大量使用的交聯(lián)聚乙烯電纜，6 kV或10 kV配電系統(tǒng)的電容電流也變的越來越大，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和非金屬礦山及有色礦山行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，礦山企業(yè)配電系統(tǒng)的6 kV或10 kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式一般推薦采用中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)諧振接地方式，兼顧配電系運(yùn)行及投資需求，也有企業(yè)采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻或低電阻接地的形式。

6.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

GB/T 50064—2014規(guī)定，不直接連接發(fā)電機(jī)的6 kV或10 kV系統(tǒng)，單相接地電容電流在不大于10 A時(shí)采用中性點(diǎn)不接地方式；當(dāng)直接連接有發(fā)電機(jī)運(yùn)行不要求瞬時(shí)切除發(fā)電機(jī)，且系統(tǒng)的單相接地電容電流限制為不大于4 A(6 kV)或3 A(10 kV)時(shí)，配電系統(tǒng)可采用中性點(diǎn)不接地方式。

在中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)的單相接地電流為同一變壓器供電全系統(tǒng)中另外兩個(gè)正常相對(duì)地電容電流之和，此數(shù)值也是磁平衡差動(dòng)保護(hù)電流互感器TA對(duì)應(yīng)檢出的一次電流值。

經(jīng)驗(yàn)表明，6 kV或10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)單相接地電容電流大于8%的電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流時(shí)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)能夠可靠的反映電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障。當(dāng)單相接地故障不要求跳閘時(shí)，此時(shí)可將保護(hù)動(dòng)作區(qū)間劃分為兩段進(jìn)行整定，定值范圍：一段為Iset≤Iop≤10 A，保護(hù)信號(hào)動(dòng)作出口報(bào)警；另一段為Iop≥10 A，保護(hù)信號(hào)動(dòng)作出口跳閘。

在系統(tǒng)單相接地電容電流不大于8%的電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流時(shí)，可忽略磁平衡差動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的單相接地故障的保護(hù)，而由小電流選線等其他裝置配合去完成電動(dòng)機(jī)的單相接地故障保護(hù)，而磁平衡差動(dòng)保護(hù)則被用來保護(hù)電動(dòng)機(jī)相間、匝間短路故障。這樣設(shè)置，既可保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、正常運(yùn)行，在電動(dòng)機(jī)外部短路時(shí)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)均不誤動(dòng)；而電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生相間短路時(shí)，則能可靠動(dòng)作于跳閘，滿足實(shí)際運(yùn)行工況的需求。

6.2 中性點(diǎn)諧振接地

按GB/T 50064—2014的規(guī)定，不直接連接發(fā)電機(jī)的6 kV或10 kV系統(tǒng)，當(dāng)單相接地電容電流大于10 A時(shí)，又需要在接地故障條件下運(yùn)行，可采用中性點(diǎn)諧振接地；當(dāng)直接連接有發(fā)電機(jī)運(yùn)行不要求瞬時(shí)切機(jī)時(shí)，并且單相接地電容電流大于4 A(6 kV)或3 A(10 kV)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)采用中性點(diǎn)諧振接地。根據(jù)GB/T 50064—2014及SH/T 3060—2013等的要求，經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，故障點(diǎn)殘余電流應(yīng)不大于5 A，當(dāng)直接連接有發(fā)電機(jī)時(shí)應(yīng)不大于4 A(6 kV)或3 A(10 kV)。

在系統(tǒng)單相接地電容電流不小于8%的電動(dòng)機(jī)額定電流時(shí)，可按要求進(jìn)行整定值計(jì)算。必須注意磁平衡差動(dòng)保護(hù)與消弧線圈補(bǔ)償應(yīng)聯(lián)動(dòng)，即系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，消弧線圈補(bǔ)償裝置經(jīng)延時(shí)t1補(bǔ)償；磁平衡差動(dòng)保護(hù)裝置信號(hào)瞬時(shí)動(dòng)作出口報(bào)警(此時(shí)能夠準(zhǔn)確反映電動(dòng)機(jī)具體哪一相發(fā)生了單相接地故障)，延時(shí)t2(t2>t1)動(dòng)作出口跳閘，保證在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部單相接地故障且失去消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，也能可靠跳閘。

在系統(tǒng)單相接地電容電流不大于8%的電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流時(shí)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)可以用來保護(hù)電動(dòng)機(jī)相間短路故障。

7 電流互感器與磁平衡差動(dòng)保護(hù)

多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)表明，由于差動(dòng)繼電器兩差動(dòng)輸入端的電流互感器暫態(tài)特性往往難以完全一致，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或自起動(dòng)過程中的傳統(tǒng)縱差動(dòng)保護(hù)常常導(dǎo)致不平衡電流增大，從而可能引起縱差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。因此，個(gè)別應(yīng)用場(chǎng)合甚至考慮采用著重考慮瞬時(shí)性能的供保護(hù)用的互感器TP類暫態(tài)保護(hù)用電流互感器。對(duì)磁平衡式差動(dòng)保護(hù)而言，則不會(huì)出現(xiàn)互感器的飽和而誤動(dòng)情況，一般電動(dòng)機(jī)的保護(hù)并不需要過多的考慮其暫態(tài)特性，P類電流互感器即可滿足工程要求。另外，基于利用磁平衡原理，磁平衡式電流互感器二次側(cè)在斷線也不會(huì)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，這些都是傳統(tǒng)的電流縱差動(dòng)保護(hù)無法實(shí)現(xiàn)的。

磁平衡式差動(dòng)保護(hù)互感器的安裝一般都采用電纜穿芯的結(jié)構(gòu)形式，為了保證互感器的感應(yīng)準(zhǔn)確性，就要求在安裝時(shí)一定要注意讓兩側(cè)導(dǎo)線穿過一次側(cè)線圈時(shí)盡量位于正中心。而將互感器直接安裝在電動(dòng)機(jī)本體上則更容易實(shí)現(xiàn)磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的接線，但這樣的結(jié)構(gòu)要求高壓電動(dòng)機(jī)的接線箱體積增大，對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的接線箱設(shè)計(jì)和制造帶來了一定的困難。

8 高壓電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用舉例

某礦山磨礦及分級(jí)車間有半自磨機(jī)和球磨機(jī)各2臺(tái)。

半自磨機(jī)電機(jī)(型號(hào)：TMW2100- 30/2860)參數(shù)如下：

PrM=2 100 kW，UrM=10 kV，IrM=141.2 A，n=200 r/min，cosφ=0.9(超前)

球磨機(jī)電機(jī)(型號(hào)：TMW2700- 30/2860)參數(shù)如下：

PrM=2 700 kW，UrM=10 kV，IrM=181.3 A，n=200 r/min，cosφ=0.9(超前)

(1)對(duì)于球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)，凸極同步電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)電容電流：

定子繞組每相零序電容

磁平衡差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流：

圖3 磁平衡差動(dòng)保護(hù)箱原理圖

選用50/5 A，10P10級(jí)2 VA，Iopk=0.04 mA,最低值整定0.1 A。

(2)對(duì)于半自磨機(jī)電動(dòng)機(jī)，凸極同步電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)電容電流：

定子繞組每相零序電容：

磁平衡差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流：

選用50/5 A,10P10級(jí)2 VA，Iopk=0.03 mA,最低值整定0.1 A。

注：對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)而言，按躲過不平衡電流整定比較安全。因?yàn)楫?dāng)差動(dòng)整定值偏小時(shí)，有可能產(chǎn)生誤動(dòng)。電動(dòng)機(jī)磁平衡保護(hù)整定值一般按電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流的10%～20%整定。

該磁平衡差動(dòng)保護(hù)箱原理如圖：

9 結(jié)語

本文研究分析了高壓同步電動(dòng)機(jī)采用磁平衡式電流互感器進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)的原理及整定計(jì)算一般原則。并與傳統(tǒng)意義上的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)相比，闡述了其基本工作原理及性能特征及優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行、起動(dòng)、以及區(qū)內(nèi)外故障的電流分析，給出了磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的整定原則和一般的計(jì)算方法。研究結(jié)果表明，基于磁平衡式的工作原理，其差動(dòng)保護(hù)能夠可靠反應(yīng)高壓同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的相間短路故障以及單相接地短路故障，并在保護(hù)區(qū)外故障以及起動(dòng)過程中具有較高的可靠性。