10 kV 電動機差動保護誤動作原因分析

夏 超

隨著電力工程行業(yè)和微機保護裝置技術(shù)的快速發(fā)展，電動機的容量也在日益增大。為了在設(shè)備的繼電保護設(shè)計中貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟政策，達到安全可靠、技術(shù)先進等要求，根據(jù)《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》 （GB/T 50062-2008） 第9.0.2-1 條規(guī)定，電流速斷保護靈敏系數(shù)不符合要求的2 MW 以下電動機，或2 MW及以上電動機，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護[1]。但在實際工程中，縱聯(lián)差動保護在電動機的啟動過程中經(jīng)常發(fā)生誤動作。某公司新增一套煙氣脫硫脫硝裝置，內(nèi)設(shè)一臺增壓風(fēng)機，其配套電動機的啟動方式為固態(tài)軟啟動器啟動，電動機微機保護采用NSP783A 電動機保護測控裝置。因此，該電動機配有一臺啟動柜和一臺運行柜，當(dāng)電流降至額定電流值時，將電動機電源由啟動柜切換至運行柜。按照《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》及《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》的要求必須設(shè)置差動保護。

在增壓風(fēng)機電動機空載調(diào)試階段，電動機運行柜曾出現(xiàn)差動保護動作的情況，但10kV 廠用母線系統(tǒng)運行正常，現(xiàn)場檢測電動機絕緣良好，相關(guān)線纜無斷路和短路，保護定值輸入與計算書相同。再次送電啟動電動機，上述現(xiàn)象再次發(fā)生?，F(xiàn)場調(diào)試人員判斷應(yīng)是差動保護本身的原因，必須進一步分析排除故障。

1 差動保護的作用及整定原理

差動保護利用基爾霍夫電流定律，將被保護電氣設(shè)備看成一個節(jié)點，正常運行時流進、流出被保護設(shè)備的電流相等，差動電流等于零，保護裝置不動作；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，流進、流出的電流不相等，差動電流大于零。當(dāng)差動電流大于差動保護裝置的整定值時，保護裝置動作，被保護設(shè)備電源回路的斷路器跳開，使故障設(shè)備斷開電源。

差動保護包含差動速斷保護和比率差動保護。差動速斷保護用于保護設(shè)備內(nèi)部嚴(yán)重故障和電氣線路上的短路故障，比率差動保護用于保護設(shè)備內(nèi)部的輕微故障。發(fā)生嚴(yán)重的短路故障時，電氣回路中會產(chǎn)生大量的諧波分量，此時比率差動保護會因諧波分量制動而不能正確動作。因此，設(shè)置差動速斷保護后，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重短路故障時，保護裝置能夠快速動作，彌補比率差動保護的不足。

1.1 差動速斷

差動保護是電動機回路短路的主保護，差動速斷保護在被保護對象發(fā)生嚴(yán)重故障時能夠快速動作。差動速斷的動作電流一般取3～8 倍額定電流的較低值，當(dāng)保護區(qū)內(nèi)發(fā)生三相短路故障時，有不小于1.2 的靈敏系數(shù)[2]。差動速斷保護的靈敏系數(shù)為

1.2 比率差動

比率差動保護在被保護對象內(nèi)部發(fā)生輕微故障時能夠快速動作，而發(fā)生外部短路時不動作，所以發(fā)生內(nèi)部故障時有較高的靈敏度[2]。

（1） 最小動作電流

比率差動保護的最小動作電流應(yīng)躲過差動回路在電動機正常運行時的不平衡電流，即

式中：Ksen2—比率差動靈敏系數(shù)；Iop,k2—比率差動繼電器動作電流（A）；Ires—制動電流，發(fā)生短路故障時流過電流互感器的故障分量電流（A）；It—拐點電流（A）。

2 保護誤動作原因的排查與分析

該增壓風(fēng)機配套電動機的額定功率為3 800 kW，額定電壓為10 kV，額定電流為267.2 A。電動機差動保護所使用的電流互感器均為LZZBJ9-10A 型，誤差限值及準(zhǔn)確級為0.5/5P20，電流互感器變比為300/5。差動保護用電流互感器容量為15 VA，共兩組，一組安裝在高壓配電室電動機運行柜內(nèi)，一組安裝在電動機尾部中性點接線盒內(nèi)。增壓風(fēng)機配套電動機的啟動方式為固態(tài)軟啟動器啟動，限流倍數(shù)為1～5 倍可調(diào)，啟動時間為1～120 s可調(diào)。在電動機的初期調(diào)試過程中，軟啟動器啟動倍數(shù)設(shè)定為4.5 倍，啟動時間為25 s。

在故障排查之前，筆者首先核對設(shè)計方提供的整定計算書，確保整定計算書中的定值計算結(jié)果和電動機保護測控裝置的差動保護整定值均無誤。在此基礎(chǔ)上，對所有差動保護的相關(guān)項進行排查。

2.1 第一次空載試運行

筆者先空載啟動電動機，在電動機保護測控裝置的顯示屏中觀察保護參數(shù)。發(fā)現(xiàn)從開始運行至保護跳閘為止，運行柜端保護電流Ia1、Ib1、Ic1分別為1.36 A、1.37 A 和1.37 A，三相保護電流差值小于等于0.01 A，可視為近似相等，但是電動機端保護電流Ia2、Ib2、Ic2均為0 A。同時，在差動保護跳閘后，電動機保護測控裝置發(fā)出CT 斷線報警。

從NSP783A 電動機保護測控裝置的CT 斷線閉鎖比率差動保護邏輯可知：

瞬時CT 斷線報警在差動保護啟動后、保護跳閘之前才進行。當(dāng)滿足下述所有條件時判定該側(cè)CT 瞬時斷線：

①啟動前該側(cè)最大相電流大于0.1 倍額定電流；

②啟動后各側(cè)最大相電流小于1.2 倍額定電流；

③啟動后任一側(cè)電流比啟動前沒有增加（變化值不超過0.2 倍額定電流）；

④該側(cè)至少有一相電流啟動后為零（即小于0.05 倍額定電流），而該相啟動前大于0.1 倍額定電流。

在差動故障電流導(dǎo)致比率差動元件動作后，進入瞬時CT 斷線的判別程序，達到防止瞬時CT 斷線誤閉鎖的目的。通過選擇整定控制字可以在瞬時CT 斷線判別動作之后閉鎖比率差動保護出口。

而對于單純的CT 斷線，NSP783A 電動機保護測控裝置對運行柜端和電動機端均用判據(jù)

滿足此CT 斷線判別條件時，延時10 s 發(fā)送CT 斷線報警信號。待系統(tǒng)恢復(fù)正常后延時10 s 自動返回至正常狀態(tài)。

由上述閉鎖和CT 斷線判別邏輯可知，當(dāng)電動機保護測控裝置檢測到差動故障電流達到動作值后，比率差動保護動作，瞬時CT 斷線判別程序啟動，存在突然斷線的可能。所以在電動機保護裝置上可以看到比率差動故障和CT 斷線報警同時存在。

由于電動機保護測控裝置提示差動保護測量回路中可能存在斷路，于是按照此分析方向進行排查，發(fā)現(xiàn)電動機尾部中性點接線盒內(nèi)電流互感器的接線端子處存在接線不完全的情況，接線端子中U、V、W、N 中的N 相未接線，電流互感器二次側(cè)處于開路狀態(tài)，導(dǎo)致電動機端保護電流都是0 A。

正常運行時，由于電流互感器二次側(cè)串聯(lián)電流線圈的阻抗很小，接近于短路狀態(tài)。如果二次側(cè)開路，二次側(cè)電流為零，一次側(cè)電流全部用來勵磁，使電流互感器的鐵芯飽和，通過鐵芯中的磁通波形畸變?yōu)槠巾敳?。因為繞組中的感應(yīng)電勢與磁通的變化率成正比，所以在磁通過零時，電流互感器二次繞組將感應(yīng)產(chǎn)生很高的尖端波電勢，其值可達到數(shù)千至上萬伏[3]，這樣高的電壓將會危害運維人員的人身安全，也會損壞電氣元件的絕緣裝置。此外，由于鐵芯中磁感應(yīng)強度驟增，引起鐵芯中有功損耗增加，有可能導(dǎo)致鐵芯和繞組過熱損壞。此外，鐵芯中還會產(chǎn)生剩磁增大電流互感器的誤差。所以電流互感器運行時，二次側(cè)不允許開路，也不允許在二次側(cè)接入熔斷器和開關(guān)。

在空載試運行階段，由于電動機端的電流互感器接線不完全，使電流互感器二次側(cè)處于開路狀態(tài)。為避免該電流互感器在被損壞的情況下運行，需要檢查電流互感器的絕緣，并采用互感器伏安變比極性綜合測試儀檢查電流互感器的伏安特性。檢測結(jié)果互感器絕緣良好，伏安特性曲線正常。

將未接入電動機端電流互感器的線纜可靠接入，然后再次試運行。

2.2 第二次空載試運行

第二次空載啟動電動機，當(dāng)電動機電源由啟動柜切換至運行柜后，運行柜立刻跳閘。查看電動機保護測控裝置發(fā)現(xiàn)跳閘原因依然為差動比率保護動作，但并未發(fā)現(xiàn)CT 斷線報警。查看電動機保護測控裝置的調(diào)試參數(shù)，發(fā)現(xiàn)“電動機啟動方式”控制字設(shè)定值為“0”，“電動機啟動時間”的定值設(shè)定為“25”。

由NSP783A 電動機保護測控裝置對于“電動機啟動檢測”的邏輯描述可知：當(dāng)電動機的三相電流值先后均出現(xiàn)小于0.05 倍額定電流的情況，而后最大電流大于0.1 倍額定電流時，電動機保護測控裝置便判定電動機進入啟動狀態(tài)，開始對電動機啟動過程計時。

當(dāng)“電動機啟動方式”的控制字設(shè)定為“0”表示直接啟動。如果滿足以下兩種情形之一，則判定電動機啟動過程結(jié)束，進入正常運行狀態(tài)：

（1） 正常啟動結(jié)束 電動機啟動過程計時開始后，在“電動機啟動時間”的整定值的延時范圍內(nèi)，檢測到最大電流值先大于然后再小于1.15 倍額定電流的過程。

（2） 不正常啟動結(jié)束 電動機啟動過程計時開始后，在“電動機啟動時間”的整定值的延時范圍內(nèi)，一直沒有檢測到最大電流先大于再小于1.15倍額定電流的過程，計時超過“電動機啟動時間”的整定值的時間延時，電動機保護測控裝置判定電動機的啟動過程結(jié)束。

“電動機啟動方式”的控制字設(shè)定為“1”表示電動機的啟動方式為軟啟動。在軟啟動的啟動過程中可能反復(fù)出現(xiàn)電流值先大于再小于1.15 倍額定電流的情況，此時電動機的啟動過程并未真正結(jié)束。因此，電動機進入啟動過程后，經(jīng)過“電動機啟動時間”整定值的時間延時，電動機保護測控裝置就會判定啟動過程結(jié)束。

軟啟動器啟動電動機后25 s，回路電流將降至額定電流，電源由啟動柜切換至運行柜。根據(jù)觀察，在啟動柜啟動過程中，由于電動機電源尚未從啟動柜切換至運行柜，運行柜中檢測到的差動回路運行柜端和電動機端的保護電流值并非正常運行值。當(dāng)電動機電源由啟動柜切換至運行柜，但運行柜的電動機保護測控裝置尚未采集到運行柜端和電動機端的保護電流值，而設(shè)定的啟動時間已經(jīng)結(jié)束，電動機保護測控裝置便判定啟動過程結(jié)束，電動機在正常運行階段發(fā)生故障，導(dǎo)致差動電流過大，進而電動機保護測控裝置發(fā)出差動保護跳閘指令，導(dǎo)致斷路器跳閘。

因此可以斷定此次比率差動保護跳閘是調(diào)試人員在設(shè)定電動機保護測控裝置整定參數(shù)失誤所致。筆者將“電動機啟動方式”控制字設(shè)定值為“1”，“電動機啟動時間”的定值設(shè)定為“30”，然后繼續(xù)空載試運行。

2.3 第三次空載試運行|

此次試運行持續(xù)40 min 未出現(xiàn)跳閘情況。

2.4 帶載試運行

在空載試運行成功后，筆者進行電動機帶載試運行。試運行時，運行柜端和電動機端的保護電流值比空載時略微增大，由于是同步增大，所以差動電流值Ida、Idb、Idc均為0 A，帶載運行正常。

3 結(jié) 語

通過對本文10 kV 電動機試運行差動保護跳閘的原因分析和故障排查，發(fā)現(xiàn)跳閘為電動機在啟動過程中的差動保護誤動作，是安裝調(diào)試人員工作失誤所致。

已投產(chǎn)電動機出現(xiàn)差動保護動作，大都源于保護測控裝置、電纜或電動機出現(xiàn)問題。對此，首先要查看差動保護的相關(guān)參數(shù)，大致判斷產(chǎn)生故障的主要原因以確定排查方向。一般來說，可以依次對電動機、電纜進行絕緣測試，測試差動保護回路中的元件（如測試電流互感器的伏安特性曲線），檢查保護測控裝置是否存在故障，也可以同時排查。根據(jù)經(jīng)驗，大都是電動機內(nèi)部短路、 電纜短路、電流互感器或其他二次回路元件的問題。

改造或者第一次投產(chǎn)的新電動機出現(xiàn)差動保護動作，有可能是由于安裝疏忽或者對設(shè)備不了解，如將電流互感器保護繞組的控制電纜錯接到測量繞組上或電纜相別接錯；或者由于保護測控裝置參數(shù)設(shè)置錯誤，以及由于電纜或者設(shè)備選型錯誤所致。

因此，在設(shè)備調(diào)試階段發(fā)生差動保護動作跳閘的狀況時，作為現(xiàn)場調(diào)試人員要在了解差動保護的原理及保護裝置的判斷邏輯的基礎(chǔ)上，結(jié)合電動機實際控制方式分析原因，找出解決方法。