大功率电动机差动保护调试分析

发表时间：2020-07-16T08:41:04.085Z 来源：《现代电信科技》2020年第4期 作者： 武存升

[导读] 随着我国工业化规模的不断扩大和自动化程度水平的提升，大功率、高电压交流异步电动机的应用日益广泛。为了确保大功率电动机的平稳启动和可靠运行，在综合保护系统设置纵联差动保护，正确选择和设置电机差动保护显得尤为重要，对差动保护出现的问题要具体分析，及时予以解决；否则就会引起差动保护误动，电动机难以正常启动和运行。武存升

（九冶建设有限公司）

摘要：随着我国工业化规模的不断扩大和自动化程度水平的提升，大功率、高电压交流异步电动机的应用日益广泛。为了确保大功率电动机的平稳启动和可靠运行，在综合保护系统设置纵联差动保护，正确选择和设置电机差动保护显得尤为重要，对差动保护出现的问题要具体分析，及时予以解决；否则就会引起差动保护误动，电动机难以正常启动和运行。 关键词：差动保护；调试

电动机纵联差动保护（简称差动保护）是大功率、重要设备的主要保护方式之一，按照《综合保护和自动化装置技术规程》的要求，20000KW以上的电动机或者是20000KW以下设置电流速断保护灵敏系数难以满足要求的电动机，均应装设差动保护。据不完全统计，大多数设置差动保护的电动机在启动时均有不同情况的误动，这种误动主要是电动机在启动过程中与变压器的差动保护相比，电动机的差动保护不需要进行相位变换，机尾两端的电流互感器型号选择一致，其躲避不平衡电流的能力更强，但多数企业仅考虑降低成本，所配置的电流互感器（CT）型号、批次、容量不匹配，再加上电动机离高压开关柜的距离较远等原因，致使CT在启动过程中很容易达到饱和，机尾两端形成很大差流，引起电动机差动保护动作。

随着我国工业化规模的不断扩大和自动化程度水平的提升，大功率、高电压交流异步电动机的应用日益广泛。为了确保大功率电动机的平稳启动和可靠运行，在综合保护系统设置差动保护，正确选择和设置电动机差动保护显得尤为重要，否则就会引起差动保护误动，致使电动机难以正常启动和运行。电动机差动保护的基本原理是：在电动机的机端和尾端分别装设两组CT，其容量、型号、批次必须相同，接线方式互成180度，一二次对应，CT的二次线同时引入综合保护装置对应端口，装置设置差动保护定值、动作时间、投退和出口，当电动机启动或运行过程中机尾两端CT所检测出的电流差值（即不平衡电流）达到差动启动电流时，差动保护便会动作出口，跳开主断路器起到保护设备的作用。

陕钢集团汉钢灾后重建项目1280高炉鼓风机保护就用到电动机差动保护。该鼓风机电动机是10KV鼠笼式交流异步电动机，功率

18500KW，转速2900转，额定电流1242.6A，驱动设备为静叶伺服轴流式风机，属高压、大流量风机，是整个高炉炼铁的核心设备。该设备选用串水阻降压启动方式，这种大功率设备启动本来就很困难，如果差动保护的设置和调试不正常，就会引起误动作，影响正常启动。 该差动保护系统选用大连第一互感器厂生产的LB9型CT，综合保护装置选用南京因莱特自动化公司生产的DCAP3000型纵联差动保护装置。在初始调试过程中，曾发生几次启动过程差动保护动作，起动失败的事件，通过查看保护装置的故障录波和最新事件，结合现场接线及高压柜内互感器接线，分别是互感器一二次接线不对应，机尾电流方向不对，互感器容量不够大等原因造成误动，逐一进行排除达到正常启动。通过此次调试，让我们对电动机差动保护有一个全面深入的了解，学会从根本上分析解决差动保护误动及其相关问题。

首先从电动机启动电流特性进行分析，一般大功率、重要核心设备，为提高设备保护的可靠性和灵敏度，按照设计规程要求，都要装设电动机差动保护。目前电动机差动保护所选用CT的饱和电压一般都在100V以下，二次额定负载一般都不超过1欧姆，而且差动保护的两组互感器装设位置不同，机端互感器一般装于配电室高压柜内，靠近综合保护装置安装，中性点（尾端）互感器靠近电动机本体远离保护装置安装。互感器的二次电缆一般都采用2.5的铜芯电缆，这样装于中性点处互感器的二次负载比开关柜的二次负载要大一些，因此在电机启动时，由于电磁作用的暂态效应，很容易造成中性点互感器饱和，不平衡差流急剧增大，导致发生比率制动差动保护动作，出现跳闸、启动失败现象。从现场实际录波的波形图来看，充分证实了这一点。这种厂用大功率电动机重载启动时，电动机处于静止状态，反电势尚未建立，电机呈现感性阻抗特性，开关合闸瞬间，启动电流很大，近似于短路状态，其电磁过程可以用短路电流的特性来描述，降低启动电流也是解决起动困难的有效途径。

了解到电动机启动电流特性后，我们再来分析差动保护误动的诸多原因。电动机在启动过程中，定子电流中不但有基频交变分量，还存在着非周期分量和低频交变分量。其中非周期分量电流很快衰减至零，低频交变分量的频率随转速升高而增大，随转子的非周期电流的衰减很快降至零。启动过程还含有较大的非周期分量即谐波分量，同时启动电流一般都很大（一般为电动机额定电流的6~8倍），且持续时间较长。重载启动时，启动时间会更长，有的长达50秒左右。所以在调试中既要降低启动电流，也要兼顾合适的启动时间。从CT的二次负载分析，启动过程中特别是在低转速时的启动电流很大，由于差动保护两端的互感器的特性差异，会造成较大的不平衡电流，而造成差动保护的误动作。此次高炉鼓风机离高压开关柜的距离较远，大约有100多米，考虑到经济性和体积因素，差动保护所采用的二组互感器容量基本相同（15VA左右），一组装设于高压开关柜内，另外一组装设于电动机接线盒内，保护装置装于开关柜内，虽然两端的CT特性相同，但是两者的负载特性却有一定差别，中性点互感器的负载大，启动时它达到的饱和程度要比机端的深得多；饱和的时间又和电动机起动时

负荷有关，机端的负载为0.3欧姆，而中性点处负载为1.5欧姆，在正常工况下，中性点的互感器已趋于饱和，在差动回路中产生的差流足以造成差动误动作。从保护装置的故障录波中不难发现，电流从第2、3个周波开始，互感器就进入不同程度的饱和，开始出现不平衡差流。 针对电动机差动保护误动作原因分析，我们将结合现场调试的实际情况，采取了切实可行的措施来应对，防止类似的故障的出现。 1.电动机保护系统设计措施，在电机保护系统设计中，互感器的选择至关重要，同时也不能忽略互感器二次负载不同造成的附加影响。在新建工程设计阶段应选用合适的互感器。主要措施包括：一是在选择互感器时，不仅要保证稳态误差的要求，而且要保证暂态误差的要求；二是要求所选择的互感器在暂态条件下，不能进入饱和区或同时进入饱和区；三是为了满足以上两点要求应优先选用P级CT，如果P级CT不满足要求，再考虑选用T级CT；四是尽量选择伏安特性，额定负载较大的互感器；五是采取相应减少中性点互感器二次负载增大电缆截面；六是保证一二次接线方式正确。

2.选择保护装置和设置措施。电动机启动电流的暂态过程复杂多变，和启动时电机条件有很大关系，此次串水阻启动也要考虑阻液特性、参数、水阻切除时间与启动时间、电流的合理匹配；在兼顾灵敏度的情况下，即使提高差动定值电流设定和差动制动系数，也不一定能躲过启动过程。所以要合理正确选择保护装置很关键，此次高炉鼓风机选用南京因莱特数字式差动保护装置，其灵敏性和可靠性兼而有之。在CSC236数字差动保护中跳闸出口软件内部采用了小段延时降低谐波分量造成的影响，而对于发信模块是直接出口方式，由于启动电流及非周期分量的快速下降和衰减，有时会出现只发信未跳闸现象。

3.系统投运后补救措施。在已经投运的电动机差动保护中，如发现互感器选择不当，为避免暂态条件下的误动作，在电机启动前，设置增加二次谐波制动判据，即差动电流超过启动定值时，先进行二次谐波计算，当二次谐波幅值占基波幅值比率超过整定值时，闭锁比率差动保护动作，以避免启动时中性点互感器饱和而误动。当合闸于故障电机时，由于启动兼短路故障，二次谐波制动会增加比率差动保护动作时间，也就是降低了差动保护的快速性和灵敏性。

4.降低中性点互感器的二次负载或增大其容量。现场必须根据互感器的试验数据，对其10%误差曲线进行校核。如果不满足，启动过程中由于互感器的饱和而导致误动作。更换容量较大的互感器或增大二次回路导线的截面来实现。在实际综保调试中，有时也采用二次为1A的互感器来解决二次负载问题。由于其励磁特性较高，二次带负载能力强，从而减少启动过程中的不平衡差流，以满足正常启动。 结束语

对于大功率电动机差动保护，不仅要研究综合保护的基本原理，而且在调试实践中不断摸索，结合各种保护误动情况，找出根本原因，才能提出切实可行的处理方法。通过此次陕钢高炉鼓风机电机差动保护调试，总结出电机差动保护在启动过程中引起误动作的主要原因是由于暂态条件下两侧的互感器饱和所致，解决的根本措施是正确选择CT；既要保证暂态，又要保证稳态误差，还要选择正确的接线方式、满足合理的负载特性、匹配合适的保护装置，结合分析现场实际状况，再进行正确的试验调整，电动机差动保护才会发挥应有的功效，达到保护设备的目的。 参考文献：

[1]王维检.电气主设备继电保护原理与应用，中国电力出版社2001. [2]刘春华.工业企业电气调整手册，北京；冶金工业出版社2000. [3]电动机差动保护用户手册，南京因莱特公司2012.