景電工程大型電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)分析

李永敏

摘? 要：景泰川電力提灌工程（簡(jiǎn)稱景電工程）是重大民生工程，景電泵站正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)是保證灌溉效率的基本前提，同時(shí)也是發(fā)揮工程經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。該文針對(duì)某景電工程的大型泵站電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，對(duì)當(dāng)前存在的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，并針對(duì)電動(dòng)機(jī)工作中的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原理及原因提出相應(yīng)的解決措施，旨在解決景電工程電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題，保證景電工程能夠持續(xù)發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：景電工程? ?差動(dòng)保護(hù)? ?差動(dòng)繼電器? ?保護(hù)誤動(dòng)

中圖分類號(hào)：TU85? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）07（c）-0032-03

Abstract： Jingtaichuan Electric Power Pumping Irrigation Project （Jingdian Project for short） is a major livelihood project. The normal and safe operation of Jingdian Pump Station is not only the basic premise to ensure irrigation efficiency， but also the key to give full play to the economic benefits of the project. This paper studies the motor of a large pump station in Jingdian project， analyzes the current differential protection maloperation， and puts forward corresponding solutions for the principle and causes of differential protection maloperation in motor work， in order to solve the differential protection maloperation problem of motor in Jingdian project and ensure that Jingdian project can continue to give full play to economic benefits.

Key Words： Jingdian project; Differential protection; Differential relay; Protection maloperation

1? 工程概況

該文研究對(duì)象為景泰川電力提灌二期工程泵站。該泵站當(dāng)前已有大型電動(dòng)機(jī)48臺(tái)，其中2 240 kW電動(dòng)機(jī)40臺(tái)，2 000 kW電動(dòng)機(jī)8臺(tái)，主保護(hù)均為差動(dòng)保護(hù)。在工程投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中頻繁出現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的現(xiàn)象。為了解決該問題，工作人員對(duì)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，同時(shí)還對(duì)所有繼電保護(hù)定值進(jìn)行校驗(yàn)，但并未發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備存在異常問題，所以初步判斷為差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。但是，工作人員很難區(qū)分保護(hù)動(dòng)作和保護(hù)誤動(dòng)。保護(hù)動(dòng)作主要是由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障也會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停止工作。一旦電動(dòng)機(jī)真的存在故障，此時(shí)若采取連續(xù)啟動(dòng)方式來(lái)研究差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)故障更加嚴(yán)重，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成不同程度的損壞。另外，電動(dòng)機(jī)相關(guān)規(guī)定表明，電動(dòng)機(jī)在熱態(tài)狀況下不建議連續(xù)啟動(dòng)，否則會(huì)給電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)分析工作帶來(lái)一定的困難。對(duì)此，景電工程工作人員不得不反復(fù)進(jìn)行繼電保護(hù)校驗(yàn)，從而判定此問題到底是差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)還是動(dòng)作保護(hù)。這種校驗(yàn)方式需要工作人員來(lái)回奔波于項(xiàng)目中，不僅耗費(fèi)了大量的人力，還嚴(yán)重影響了灌區(qū)的澆灌問題，與此同時(shí)也大大增加了景電工程運(yùn)營(yíng)管理成本，電動(dòng)機(jī)被損壞的風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步加大，大大降低了工程效益?；诖?，該文對(duì)該泵站差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)，以期查找有關(guān)原因，提出合理的解決措施，進(jìn)而保證泵站電動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，幫助發(fā)揮工程效益。

2? 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的原理及原因分析

2.1 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)基本原理

差動(dòng)保護(hù)作為景電工程大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)的手段之一，也是最常見的保護(hù)方式，這種保護(hù)是基于三段式比率差動(dòng)原理。具體來(lái)說(shuō)，主要是基于電流互感器信號(hào)，通過對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，將中性點(diǎn)以及電機(jī)端的電流進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)而得到電壓信號(hào)，再通過后續(xù)一系列轉(zhuǎn)化后被主控單元讀入，其原理方程如下：

上述動(dòng)作方程中，I1和I2分別為電動(dòng)機(jī)兩側(cè)的電流，均以流入電動(dòng)機(jī)為正向，Id=I1-I2為差動(dòng)電流;Ied、Ir分別是差動(dòng)保護(hù)電流、制動(dòng)電流;K1、K2分別是制動(dòng)曲線斜率、內(nèi)部固定系數(shù)（取0.7）;Ir1、Ir2則是第1、2拐點(diǎn)電流。繪制如圖1的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線。

基于上述原理，電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)是非常完整的，但在實(shí)際運(yùn)行和試轉(zhuǎn)時(shí)，其差動(dòng)保護(hù)不能可靠啟動(dòng)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)保護(hù)，表現(xiàn)為差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，也就是誤動(dòng)跳閘[1-2]。該文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和差動(dòng)保護(hù)基本工作原理，分析差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的具體原因，并找出相應(yīng)的保護(hù)補(bǔ)救措施。

2.2 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)原因分析

2.2.1 高次諧波原因及電流互感器不匹配問題

通過分析可知，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，差動(dòng)回路會(huì)出現(xiàn)較大的不平衡電流，這種不平衡電流主要是由二次諧波導(dǎo)致的。事實(shí)上，啟動(dòng)電流與其啟動(dòng)特性，即電動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量有關(guān)，另外，斷路器的相位角也是影響啟動(dòng)電流的重要因素。經(jīng)過詳細(xì)測(cè)試，對(duì)電流波形分析可知，啟動(dòng)過程產(chǎn)生的不平衡電流二次諧波的持續(xù)時(shí)間約為10個(gè)周波左右。其有效值已經(jīng)超過了6 A，進(jìn)一步對(duì)比差動(dòng)保護(hù)的定值可知，電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)電流設(shè)置值為4 A，動(dòng)作時(shí)間為0.1 s，這表明電動(dòng)機(jī)保護(hù)下，動(dòng)作電流超過設(shè)定值和動(dòng)作時(shí)間就會(huì)發(fā)生差動(dòng)保護(hù)問題[3-4]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此問題，工作人員同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部并不存在故障，這表明差電流二次諧波過大導(dǎo)致的問題是由差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)引起。

2.2.2 電流互感器（CT）二次負(fù)載問題

泵站電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)中，電路中存在3種不同的電流分量，第一種是基頻交變分量，第二種是非周期分量，第三種是低頻交變分量。其中，第二種分量在短期內(nèi)就會(huì)衰減至0，在其衰減過程中，這種非周期變量會(huì)導(dǎo)致電路電流變大，即前文所述的高次諧波[5-6]。通過進(jìn)一步對(duì)電流互感器（CT）的二次負(fù)載進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，當(dāng)前期低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流通常較大，由于差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)的CT存在特性差異，電路中出現(xiàn)不平衡電流，造成差動(dòng)誤動(dòng)動(dòng)作。在泵站中，電動(dòng)機(jī)的裝設(shè)位置離開關(guān)柜有一段距離，該工程電動(dòng)機(jī)采用兩組容量相近的CT，分別安裝在電源側(cè)的高壓開關(guān)柜和中性點(diǎn)側(cè)，差動(dòng)保護(hù)裝置則直接安裝在開關(guān)柜上。從表面上看，這兩種CT在容量上沒有區(qū)別，但實(shí)際上，中性點(diǎn)側(cè)的CT通常處于飽和過載狀態(tài)。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)過程中時(shí)，開關(guān)柜側(cè)的CT二次負(fù)載為0.3 Ω時(shí)，中性點(diǎn)側(cè)的CT二次負(fù)載則為1.5 Ω，幾乎是前者的50倍，在泵站電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中性點(diǎn)側(cè)的CT已經(jīng)接近滿載，并且電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的電流又為正常工作時(shí)電流的6倍左右，在CT飽和的情況下，差動(dòng)回路產(chǎn)生的電流差值已經(jīng)超過了差動(dòng)保護(hù)的設(shè)定值，在這種情況下就會(huì)引發(fā)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

3? 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)對(duì)策

3.1 降低CT的二次負(fù)載或增大TA的容量

分析可知，電路中電流不平衡主要是由于兩處的CT容量不足導(dǎo)致的，我們可以以CT容量為切入點(diǎn)，對(duì)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題進(jìn)行分析。當(dāng)CT允許負(fù)載滿足誤差曲線的10%時(shí)，就不會(huì)導(dǎo)致后續(xù)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題。當(dāng)某些情況無(wú)法增加CT容量時(shí)，可以以電路中電流為切入點(diǎn)，同樣也能達(dá)到減少CT二次負(fù)載的目的，主要是通過使電路中電纜芯線的界面劑增大，以降低回路中的不平衡電流，從而消除一般情況下的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)動(dòng)作。

事實(shí)上，近年來(lái)的新建工程，大多都采用了較大容量的CT，比如：某些電動(dòng)機(jī)開始采用二次為1 A的CT，緩解二次負(fù)荷問題。這種CT的勵(lì)磁特性較高，具有更大的負(fù)荷能力，可以很好地解決回流電流不平衡問題。

3.2 用高導(dǎo)磁材料改造電動(dòng)機(jī)

由于此次研究的電動(dòng)機(jī)已經(jīng)投入運(yùn)用，電動(dòng)機(jī)本身屬性無(wú)法改動(dòng)，并且國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)電動(dòng)機(jī)的二次諧波進(jìn)行明確規(guī)定，所以電動(dòng)機(jī)在制造中無(wú)法控制。對(duì)于這種情況，相關(guān)管理單位可以出資對(duì)電動(dòng)機(jī)本身進(jìn)行改造，通過采用高導(dǎo)磁材料，有效解決高次諧波問題。但改造費(fèi)用極高，管理單位進(jìn)行改造時(shí)審批和申請(qǐng)流程極為復(fù)雜，且周期較長(zhǎng)，這也導(dǎo)致目前管理單位還并未采取相應(yīng)改造措施。隨著材料技術(shù)發(fā)展，高導(dǎo)磁材料的普及應(yīng)用將會(huì)是解決此問題的重要方向之一。

3.3 系統(tǒng)投運(yùn)后的補(bǔ)救措施

考慮到景電工程電動(dòng)機(jī)已經(jīng)投入使用，不具備改造的電動(dòng)機(jī)CT選擇不恰當(dāng)，可以通過如下方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整：（1）對(duì)于電流互感器（CT）在飽和時(shí)出現(xiàn)的二次電流暫態(tài)特征，優(yōu)先考慮二次諧波的制動(dòng)原因，在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的電流過大問題，可以先詳細(xì)計(jì)算分析二次諧波的幅值，并將其與基波幅值進(jìn)行比較，若是兩者比值要高于整定值，可以判定是由于CT問題導(dǎo)致的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)動(dòng)作，此時(shí)可以采取閉鎖比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作方式，避免出現(xiàn)誤動(dòng)動(dòng)作。（2）當(dāng)故障電動(dòng)機(jī)合閘時(shí)，會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)兼短路故障情況，而二次諧波還會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的誤動(dòng)動(dòng)作時(shí)間，大約為3個(gè)周期，這個(gè)短暫性的時(shí)間有利于降低差動(dòng)誤動(dòng)動(dòng)作的即時(shí)性，事實(shí)上也起到了解決差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題的作用。

4? 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)是為了防止電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)由于故障原因出現(xiàn)損壞，但過于頻繁的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)不僅會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的性能，還會(huì)導(dǎo)致景電工程無(wú)法正常發(fā)揮作用。在實(shí)際運(yùn)用中，電動(dòng)機(jī)頻繁出現(xiàn)誤動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，會(huì)對(duì)工程運(yùn)行造成較大影響。該文通過對(duì)引起差動(dòng)保護(hù)的原因進(jìn)行分析，基于差動(dòng)保護(hù)原理提出解決差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的有關(guān)措施，解決了電流互感器二次負(fù)載問題導(dǎo)致的差動(dòng)誤動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)對(duì)運(yùn)行中的系統(tǒng)給出了補(bǔ)救措施，從根本上保證了景電工程的順利運(yùn)行，大大提高了灌溉效率，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益也得到極大的提升。

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