电动机磁平衡式差动保护的整定计算-李斌

第38卷第13期电力系统保护与控制Vol.38No.132010年7月1日PowerSystemProtectionandControlJul.1,2010电动机磁平衡式差动保护的整定计算李斌，范瑞卿，贺家李（天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津300072）摘要：传统纵联差动受电流互感器饱和特性的影响，实际应用中可能出现误动的情况。在与传统纵联差动保护相比较的基础上，分析研究了电动机磁平衡式差动保护的工作原理及性能特征。通过对电动机正常运行、起动、以及区内外故障的分析，给出了磁平衡式差动保护的整定原则。研究表明磁平衡式差动保护能够大大提高电动机保护的灵敏性和可靠性。关键词：电动机；纵联差动保护；磁平衡式差动保护；电流互感器；中性点不接地系统SettingcalculationofmagneticbalanceddifferentialprotectionofmotorLIBin，FANRui-qing，HEJia-li（KeyLaboratoryofPowerSystemSimulationandControlofMinistryofEducation，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）Abstract：Affectedbysaturationcharacteristicsofcurrenttransformer,traditionaldifferentialprotectionmaymis-operatesometimes.Basedontheanalysisoftraditionaldifferentialprotection,thispaperintroducesanovelmagneticbalanceddifferentialprotection.Accordingtotheinvestigationofnormaloperation,startandexternalorinternalfaultformotor,thepaperresearchestheperformanceofmagneticbalanceddifferentialprotection.Furthermore,thesettingprincipleisproposed.Theoreticalresearchandindustrialapplicationshowthatmagneticbalanceddifferentialprotectioncanimprovesensitivityandreliabilityofmotorprotectiongreatly.Keywords：motor；pilotdifferentialprotection；magneticbalanceddifferentialprotection；currenttransformer；neutralungroundedsystem中图分类号：TM401.1；TM772文献标识码：A文章编号：1674-3415(2010)13-0079-040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、单相接地和匝间短路[1]。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以上或容量小于2000kW的重要电动机，需要装设纵联差动保护以反应电动机的相间短路故障[2]。然而，传统纵联差动保护受两侧电流互感器饱和特性、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[3-5]。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障时，故障电流很小[1]，传统纵差保护不能动作。本文讨论了一种新型的电动机差动保护——磁平衡式纵差保护，对其原理进行详细的分析，并研究了它的整定计算的原则。1电动机差动保护的方案1.1传统纵联差动保护传统的电动机纵联差动保护原理接线示意图如图1所示。图中TPI、TSI分别为电动机供电侧的一、二次侧电流，NPI、NSI为中性点侧的一、二次侧电流。CT1CT2INPITPINSITSMI····图1传统电动机纵差保护接线图Fig.1Diagramofconventionaldifferentialprotectionformotor二次差动回路中的差电流为：opTSNSIII=+（1）电动机正常运行和外部故障情况下，电流互感-80-电力系统保护与控制器CT1、CT2二次侧回路差电流为零，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，此时保护动作。显然，要实现电动机三相纵差动保护，则需要6个电流互感器与3个电流继电器。为了保证差动保护动作的灵敏性和外部故障的可靠性，纵差动保护一般都采取比率制动方法。现场运行经验表明，传统纵差动保护受互感器特性的影响，可能会发生误动[6]。例如当控制室离电动机操作现场很远时，中性点侧CT要承载过多电缆电阻负载，这样会使得其提前进入饱和，从而差电流增大，保护误动。1.2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[2]。AIIIBC高压电动机图2磁平衡式差动保护接线图Fig.2Balancedmagneticmotordifferentialprotection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[7]，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起动电流继电器，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。1.3两种保护方案的比较在保护接线以及电流互感器方面，传统纵联差动保护中需要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，最大的缺点在于两侧CT饱和特性不一致可能引起误动；磁平衡差动保护中只需要3个CT，电动机只需引出三个端子，接线简单、可靠。且变比很小、价格较低，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是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，磁平衡式差动保护还可以反应单相接地短路故障。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出线处，保护范围仅仅是电动机本体内部。而传统的电流纵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。2电动机磁平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，磁平衡式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，分析研究磁平衡式差动保护在电动机区内外故障情况下的差电流。图3正常运行时的电流分布图Fig.3Diagramofcurrentdistribution2.1电动机正常运行的情况图3所示电网包括等效单元S、线路I、II，以及电动机。对于电动机支路，.inIΦ、.outIΦ分别表示各相流入和流出电动机的电流，CMI、CII、CIII、CGI分别为各支路的对地电容电流。李斌，等电动机磁平衡式差动保护的整定计算-81-由图可知，正常运行情况下，流过电动机各相磁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ubCMφOMIIUCω==（2）式中：φU为电动机正常运行时的相电压，可取额定电压NU；ω为系统角频率；OMC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），即不平衡电流很小，保护可靠不误动，性能优于传统纵差动保护。2.2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，当网络内某点发生单相接地故障时，故障相电压降为零，而健全相电压升高3倍[1]。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3倍。假设电动机外部发生A相接地故障，电流分布如图4所示。图4外部单相接地时，三相系统电流分布图Fig.4Diagramofcurrentdistributioninthecaseofexternalsingle-phaseearthfault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：'ubCMφOM3IIUCω==（3）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：ubφOMIUCω=（4）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。2.3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，即对地电容电流增大3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Fig.5Diagramofcurrentdistributioninthecaseofinternalsingle-phaseearthfault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均属于穿越性电流。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：opCap.φ3IIUCω∑∑==（5）式中OIOIIOMCCCC∑=++。当电动机内部发生相间故障时，故障电流很大，故流过自平衡互感器的差电流很大，远大于前述分析计算的电容电流大小。2.4磁平衡式差动保护的整定计算原则传统的纵差动保护的整定原则按照躲过外部故障或电动机起动时的最大不平衡电流整定，其值较大[8]，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地系统，其相间短路电流较大，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；-82-电力系统保护与控制(2)躲过供电系统中其他线路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：NOMK.actrelCT3UCIKnω=（6）式中：relK为可靠系数，可取1.3；CTn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相接地故障时的灵敏度为：senrelOMCKKC∑=（7）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，只要全系统的等效电容足够大，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。由上述分析也可知，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。3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