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1、5600KW空压机电机磁平衡保护应用史涛涛 孙军威1引言电动机的故障形式多种多样，其中主要故障是定子绕组的相间短路、单项接地和匝间短路。定子绕组的相间短路会导致供电网络电压显著 下降，且故障电流大，一般对于容量为 2000kW以上 或容量小余 2000KW勺重要电动机，需要装设纵联差动保护以反应电动机的相间 短路故障。然而，传统纵差保护受两侧电流互感器饱和和特性、互感 器二次负载、剩磁大小不定等原因的影响，可能出现外部故障时误动 的情况。这也使得传统纵联差动保护较难， 同时保证电动机起动过程 中的可靠性与内部故障的灵敏度。另一方面，大型电动机一般接入中 性点不接地系统中，当电动机发生单相接地故
2、障时，故障电流很小，传统纵差保护不能动作。所以结合公司实际，我们在5600K姓压机上，装设了磁平衡式差动保护。本文将从多方面对磁平衡式差动保护 进行阐述。2电动机差动保护的方案2.1传统纵联差动保护 传统纵联差动保护原理接线示意图，如图 1所示。图中 修、ITS 分别为电动机供电侧一、二次侧电流，INP、INS为中性点的一、二侧 电流。八pCT2 图1传统电动机纵差保护回路接线图二次差动回路中的差电流为:I OP = ITS T NS(1)为了保证差电动机正常运行和外部故障情况下， 电流互感器CT1CT2二次侧回路差点流为零，保护装置不会动作。而当电动机发生内 部故障时，差电流很大，此时保护动
3、作。显然。要实现电动机三相纵 差保护，则需要6个电流互感器与3个电流继电器。动保护动作的灵活性和外部故障的可靠性，纵差动保护一般都采 用比率制动方法。现场运行经验表明，传统纵差保护受互感器特性的 影响，可能会发生误动。例如当控制室离电机操作现场很远时，中性 点侧CT要承载过多电缆电阻负载，这样会使得提前进入饱和，从而 电流增大，保护误动。2.2 磁平衡式差动保护基本原理磁平衡式差动保护，又叫自平衡式差动保护，是利用磁平衡原理实现差动保护的一种方法，其基本原理接线图如图2所示。高压电动机图2磁平衡式差动保护接线图由图可知，磁平衡式差动保护包含三组自平衡互感器以及三个电 流继电器。其基本原理是将电
4、动机每相定子绕组始端和中性点端的引 线分别入、出磁平衡电流互感器的环形铁芯窗口一次。在电动机正常运行或起动过程中，流入各相始端的电流与流入中 性点端的电流为同一电流，对于磁平衡电流互感器而言，该电流一进 一出，互感器一次安匝为零，即一次励磁安匝处于磁平衡，则二次侧 不产生电流，保护不动作。当电动机内部出现相间短路或接地故障时， 故障电流破坏了电流互感器的磁通平衡， 二次侧产生电流，当电流达 到规定值时启动电流继电器，继电器使电动机配电柜内的断路器跳 闸，切除电动机电源，达到保护电动机的目的。2.3 两种保护方案的比较纵联差动保护的缺点在于两侧 CT饱和特性不一致可能引起误 动；而磁平衡式差动保
5、护不存在 CT特性不一致的问题，动作可靠性 高。在保护性能方面，传统纵联差动保护主要反应的时电动机内部的相间短路故障，其整定计算需要考虑躲过的最大不平衡电流较大，因 此单相接地短路时由于故障电流太小，传统差动保护一般不具有足够 的灵敏度动作于跳闸。而磁平衡式差动保护可以反应电动机内部的相 间短路故障，若电动机所在网络的电容电流足够大， 磁平衡保护还应 能够反应区内接地短路故障。需要指出的是，磁平衡式差动保护的电流互感器装设在电动机的 出线处，保护范围仅仅是本体内部。而传统的电流纵联差动保护的电 流互感器可以安装在供电电缆的开关柜出口处， 因此其保护范围可以 包含电动机以及供电电缆。3电动机磁平
6、衡式差动保护的整定计算磁平衡式差动保护应保证在电动机正常运行、起动以及外部故障时可靠不动作；而当电动机内部相间故障时能够可靠动作， 若电动机 所接电网内的电容电流足够大，磁平衡差动保护还应能够反应区内单 相接地短路故障。下面分别以图3所示网络为例，分析研究磁平衡差 动保护在电动机区内区外故障情况下得差电流。C B A电动机图3正常运行时的电流分布图3.1 电动机正常运行情况图3所示电网包等效单元S、线路I、II ,以及电动机。对于 电动机支路，I5、IG比分别表示各相流入和流出电动机的电流，1cM、 1cI、IcII、IcG分别为各之路的对地电容电流。由图可知，正常运行情况下，流过电动机各相磁
7、平衡式互感器一 次侧的不平衡电流为各相等效对地电容电流，即Iub = I CM = U Com式中：U邛为电动机正常运行时的相电压，可取额定电压 Un；切为系统角频率；Com为电动机每相等效对地电容。显然，在电动机起动 情况下，磁平衡式差动保护的差电流表达式同样为式（2）,既不平衡 电流很小，保护可靠不误动，性能优于传统纵差动保护。3.2 电动机区外故障的情况电动机一般接入中性点不接地系统中，当网络中某点发生单相接 地故障时，故障相电压降为零，而健全升高 6倍。因此，故障相的对地电容电流为零，而健全相的对地电容电流变为正常运行时电容电流的春倍。假设电动机外部发生 A相接地故障，电流分布如图4所
8、O图4外部单相接地时，三相系统电流分布图由图4可知，对电动机磁平衡式差动保护而言， 故障相的不平衡 电流为零，而健全相的一次侧不平衡电流为:I ub = ICM = 3U C COM当电动机区外发生两相相间短路时，故障相相电压降为原来的 0.5倍，而非故障相相电压基本不变，此时电动机三相磁平衡保护互感器中的最大不平衡电流为：Iub =UCom当电动机外部发生三相短路时，各相相电压都降低，甚至为零，此时流过电动机磁平衡互感器的几乎为零。3.3 电动机区内故障的情况当电动机内部发生定子绕组单相接地故障时，假设A相接地，此时系统电流分布如图5所示，由不接地系统的故障分析可知， 健全 相电压升高3倍，
9、即对地电容电流增大 收倍。所以健全相对应的磁 平衡式差动保护的不平衡电流与式（3）相同。图5内部单相接地时，三相系统电流分布图对于电动机故障相的定子绕组而言，其负荷电流大小无论如何变 化，对磁平衡式差动保护而言都属于穿越性电流。但是，此时全系统 电容电流构成的接地点短路电流就在差流回路中形成了差电流，其值为：(5)当电动机内部发生相间故障时，故障电流很大，远大于前述分析计算的电容电流大小。3.4 磁平衡式差动保护的整定计算原则传统纵差动保护的整定原则按照躲过外部故障或电动机启动时 的最大不平衡电流整定，其值较大，在电动机内部单相接地故障情况 下一般不能动作。显然，磁平衡式差动保护可以反应电动机
10、定子绕组的相间短路故 障、接地短路故障，不反应定子绕组每相自身的匝间短路故障。电动 机所在供电网一般为不接电系统，具相间短路电流较大，而接地短路 电流很小，若要可靠反应这两种故障，磁平衡式差动保护的整定原则 应为：（1）躲过磁平衡式差动保护的最大不平衡电流；（2）躲过供电系统中其他设备或设备发生单相接地故障时，电 动机各相提供的最大电容电流（不应包括保护范围以外的电动机供电 电缆的电容电流，因为磁平衡电流互感器一般装设在电动机出线处， 供电电缆的对地电容电流不通过互感器的环形铁芯窗口）。按照上述原则，由式（2）式（4）的分析可知，磁平衡式差动 保护的动作电流应整定为： 3U n COMI K.
11、act 一 Krel nCT（6）式中：Krel为可靠系数，可取1.3；加丁为磁平衡式电流互感器变比，通 常为 50A/5A。由式（5）可知，磁平衡式差动保护在电动机区内单项接地故障时的灵敏度为:senK re1coM由于电动机的供电电缆不在磁平衡式差动保护范围之内，因此,只要全系统等效电容足够大，由式（7）可知，磁平衡式差动保护能 够可靠反应区内单相接地故障有上述分析也可知，磁平衡式差动保护的不平衡电流很小， 故整定值可以很低，区内故障时有很高的灵敏度。4磁平衡式互感器的一些考虑现场运行经验表明，传统纵差动保护由于差动继电器两臂的电流互感器在电动机自启动过程中的暂态特性往往难以完全一致，导致
12、不平衡电流增大，从而导致纵差动保护误动。因此，个别应用场合甚至考虑采用TP类电流互感器。而磁平衡式差动保护不会出现互感器饱 和而误动，对于一般电动机保护不需要过多考虑其暂态特性，选择 P 类电流互感器即可。另外，由于利用磁平衡原理，磁平衡式电流互感 器二次侧断线也不会出现过电压现象，这些都是传统的纵联差动无法 做到的。由于磁平衡式差动保护的互感器一般都采用穿芯式结构，为了保证互感器的感应灵敏度，就要求在安装时一定要注意让两侧导线穿过 一次侧线圈的正中央。将互感器直接安装在电动机本体上更容易实现 磁平衡式差动保护的接线，但这对电动机的设计和制造带来了困难。 目前，磁平衡式差动保护接线的实现，应根
13、据实际情况灵活确定。5经济效应与社会效应传统纵联差动保护在保护接线以及电流互感器方面，需要6个CT,接线复杂，且由于差电流较大导致其变比较大、价格较高。而磁 平衡差动保护中只需要3个CT,电动机只需要引出三个端子，接线 简单、可靠。且变比较小、价格较低。而且采用磁平衡式差动保护能 降低保护误动的可能性，在中性点不接地系统中还能对电动机的单相 接地进行保护，为安全连续的生产提供了保障。我们在使用磁平衡式差动保护上积累了许多的经验教训， 作为整 个国际化工内部第一家使用磁平衡式差动保护的单位， 为集团在大功 率电机的后备保护方面，提供了案例参考。6结论本文分析研究了电动机磁平衡式差动保护的原理及其整定计算原则。 在与传统纵联差动保护相比较的基础上，阐述了其工作原理及其特 征。基于电动机正常运行、起动、以及区内外故障的电流分析，研究 了磁平衡式差动保护的整定原则和计算方法。 结果表明，基于磁平衡 式原理，其差动保护能够可靠反应电动机相间短路故障以及单相接地短路故障，并在区外故障以及起动过程中具有很高的可靠性。
