變壓器勵(lì)磁涌流引起高壓同步電動機(jī)差動誤動作的原因分析及對策

吳奇

（湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司動力廠，湖南湘潭 411101）

1 設(shè)備概況

變壓器勵(lì)磁涌流，是由于鐵芯的磁飽和產(chǎn)生的。勵(lì)磁涌流通常在接通電源1/4周期后開始產(chǎn)生，幅度最大值可能超過變壓器額定電流的幾倍甚至幾十倍，持續(xù)時(shí)間較長，從數(shù)十個(gè)電源周期直至數(shù)十秒不等。同時(shí)變壓器勵(lì)磁涌流有以下2個(gè)特點(diǎn)：

（1）波形呈現(xiàn)尖頂形狀，含有相當(dāng)成分的非周期分量和高次諧波分量，其中高次諧波以二次和三次（或直流分量）為主，隨著時(shí)間推移，二次諧波含量可能超過基波分量的一半以上。

（2）勵(lì)磁涌流幅值與變壓器空載投入的電壓初相角相關(guān)。電壓過零點(diǎn)投入時(shí)勵(lì)磁涌流幅值最大。

湘鋼動力廠2號電動風(fēng)機(jī)的軸流壓縮機(jī)型號為AV80-15，由曼（MAN）公司生產(chǎn)；高壓同步電機(jī)型號1DZ2052-8AE02-Z，由西門子公司生產(chǎn)。

其一次主接線如圖1所示，上級電源來自同一母線，該35 kV母線上有其他35 kV變壓器負(fù)載，主電機(jī)的電源經(jīng)過變壓器T2后減壓至10 kV。T1與T2變壓器容量均為5×104kVA。該高壓同步電機(jī)功率33 MW，額定電壓10 kV，額定電流2079 A，輔助最大勵(lì)磁電壓AC 201 V，輔助最大勵(lì)磁電流103 A。

圖1 高爐風(fēng)機(jī)主接線圖

2 電機(jī)差動保護(hù)原理和定值設(shè)置

電機(jī)的差動保護(hù)特性，如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)Iop為動作電流，橫坐標(biāo)Ires為制動電流，KDres為比率制動斜率，ID，st為差動啟動電流，It為差動特性拐點(diǎn)電流，比率差動保護(hù)能保證外部短路不動作，內(nèi)部故障有較高的靈敏性。

圖2 電動風(fēng)機(jī)縱差保護(hù)動作曲線

差動保護(hù)的設(shè)置，通常比率制動差動的保護(hù)最小動作電流應(yīng)躲過正常運(yùn)行時(shí)差動回路的不平衡電流，ID,st一般取0.2～0.4倍額定二次電流；ID,set差速動作電流一般取3～8倍額定二次電流。KDres制動斜率一般取0.3～0.4。

3 主電機(jī)故障現(xiàn)象及分析

3.1 故障現(xiàn)象

10月29日，2#電動風(fēng)機(jī)監(jiān)控電腦顯示“主電機(jī)綜合報(bào)警”，2#電動風(fēng)機(jī)停機(jī)。檢查發(fā)現(xiàn)西門子勵(lì)磁保護(hù)柜保護(hù)裝置上“common trip”“diff trip”“blocked”3個(gè)LED報(bào)警燈亮，初步判斷是差動保護(hù)動作（diff trip），后再巡查主電機(jī)、主變以及主變保護(hù)裝置均無其他異常。

3.2 故障排查及分析

故障發(fā)生后，檢查電機(jī)保護(hù)故障記錄（見表1），后對主電機(jī)進(jìn)行了檢查，試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，電機(jī)合格。其中極化指數(shù)為：4.36 GΩ/1.569 GΩ=2.77，大于2；直流電阻：A-B間0.01367 Ω，B-C間0.01368 Ω，AC間0.01365 Ω；25 kV耐壓試驗(yàn)時(shí)，泄漏電流12 μA。

表1 主電機(jī)保護(hù)裝置兩次報(bào)警畫面內(nèi)容

導(dǎo)出西門子保護(hù)裝置定值，差動保護(hù)啟動值為0.2倍額定電流，差速定值為7.5倍額定電流，制動系數(shù)為0.25。從故障錄波可以看出，T1變壓器沖擊137 ms后，電機(jī)差動保護(hù)啟動（大于85%的定值），此時(shí)B相差流也超過了0.2倍額定電流，且達(dá)到跳閘出口條件，但由于該過程含有較大直流分量（63.1%）抬高了啟動定值，且差動啟動持續(xù)了40.4 ms后，三相差流小于0.2倍差流，保護(hù)沒有出口，直到250 ms，差流值小于70%定值，差動保護(hù)返回。第二次T1變壓器沖擊108 ms后，電機(jī)差動保護(hù)啟動（大于85%的定值），此時(shí)B相差流也超過了0.2倍額定電流，且達(dá)到跳閘出口條件，差動啟動持續(xù)了2個(gè)周波40 ms后保護(hù)出口，70 ms后斷路器跳閘，110 ms后差動保護(hù)返回。差動啟動時(shí)L2相差流Idiff-L2=0.25068I/In0＞定值0.2I/In0，制動電流Irest-L2=0.9141 I/In0（見表2），Idiff-L2/Irest-L2=0.274＞斜率1（見圖3，定值為0.25），剛好在圖3中的A點(diǎn)處差動動作區(qū)內(nèi)，因此差動動作。

圖3 差動保護(hù)的動作特性

表2 差動啟動時(shí)故障錄波參數(shù)

經(jīng)過分析故障波形，結(jié)合系統(tǒng)同一時(shí)刻該系統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行方式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天T1變壓器（容量5×104kVA）大修后進(jìn)行3次沖擊送電。第一次沖擊，T1變壓器沖擊送電137 ms后，電機(jī)差動保護(hù)啟動，但由于該過程含有較大直流分量（63.1%）抬高了啟動定值，保護(hù)沒有出口。第二次T1變壓器沖擊送電108 ms后，電機(jī)差動保護(hù)啟動且跳閘出口。變壓器沖擊時(shí)，電機(jī)電流互感器通過的電流在額定以下（3.04 A，小于5 A），未達(dá)到磁飽和的情況（該電流互感器額定電流為2 500 A，電流互感器保護(hù)級為5P10，10倍額定電流下誤差為5%），但兩個(gè)互感器檢測的電流大?。词孜捕苏ｋ娏骱椭C波電流衰減情況）還與同步電機(jī)諧波含量的大小、電流互感器特性曲線等多方面有關(guān)。

從故障錄波看，差動動作前電機(jī)首尾端電流IL1-S1、IL2-S1、IL3-S1、IL1-S2、IL1-S2、IL1-S2有一個(gè)增大的趨勢，并且首、尾端同步變化（見圖4）。尾端CT2（S2）的電流衰減率相比首端CT1（S1）更快。這樣就會產(chǎn)生差流IL-S1 -IL-S1。因此差流產(chǎn)生原因?yàn)槭孜捕薈T特性存在一定差異導(dǎo)致CT電流衰減率不一致。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，西門子電機(jī)差動保護(hù)配套的首端CT型號（CT12H）與末端CT型號（SGS10）不一致，形成了一定差流。

圖4 差動啟動時(shí)首尾段電流互感器故障錄波曲線

因此，該次故障的主要原因是同一系統(tǒng)T1變壓器大修后的沖擊送電時(shí)，負(fù)載電流產(chǎn)生較多二次諧波分量和直流分量，而電機(jī)首尾互感器特性不一致引起的差流大于啟動值而誤動作。后咨詢西門子電機(jī)廠家差動保護(hù)相關(guān)問題，答復(fù)電機(jī)的差動保護(hù)沒有二次諧波制動功能，保護(hù)啟動定值不建議調(diào)整。

4 主要措施

針對以上原因分析，制定了如下措施：

（1）用于差動保護(hù)的必須采用同一廠家且同一批次的互感器，兩組電流互感器的技術(shù)特性盡量相同。

（2）在外部變壓器沖擊送電時(shí)，必須對主變采用的比率制動式差動保護(hù)的最大動作電流、比率制動電流及比率制動系數(shù)的整定值進(jìn)行重新的校核和整定，差動的靈敏性要大于1.5，差速的靈敏性要大于1.2，以便可靠地躲過非周期暫態(tài)電流及主變勵(lì)磁涌流的影響。

（3）保護(hù)定值的設(shè)置要躲過區(qū)外沖擊負(fù)荷和正常不平衡電流的影響，還要考慮直流分量抬高保護(hù)定值的影響。

（4）在臨近有變壓器或大型電機(jī)投運(yùn)時(shí)，可臨時(shí)退出本電機(jī)的差動保護(hù)出口壓板，啟動完成后再投入差動保護(hù)出口壓板，防止誤動作。