引黄工程同步电机差动保护动作解析

徐东文

(山西省万家寨引黄工程管理局，太原 030012)

引黄工程同步电机差动保护动作解析

徐东文

(山西省万家寨引黄工程管理局，太原 030012)

介绍引黄工程同步电动机所用SR469电动机管理继电器纵差保护近年来频繁误动作的情况，从纵差保护所用CT、二次接线、定值调整、保护配置和继电器升级等五个方面分析了保护误动作原因并提出了改进方案。

同步电机；差动保护；引黄工程

1 系统配置

1.1 主接线情况

引黄工程五级提水泵站均采用110 kV双回线供电，电源均引自220 kV方城站，南干线两座泵站一次系统配置完全相同，引黄工程南干线单站(SM1站)主接线如图1所示。引黄工程南干线SM1和SM2两座泵站 (两站系统配置完全相同)与电源站之间为三端网络结构，图中ET4～6为三台机组的励磁变压器。正常运行时，SM1站110 kV母联开关150与10 kV母联开关550均在合位，系统处于合环运行状态。

1.2 主要保护配置情况

南一泵站主机的主保护装置采用的是电动机专用保护继电器SR469，其纵联差动保护 (87)和零序差动 (87G)，采用电流平衡原理，保护范围为高压开关柜至同步电动机中性点；后备保护采用的为N系列过流继电器，串接在零序差动电流回路中。测量用CT和母线PT信号经另外的回路接入了SR469继电器，用于低功率、低电流、低电压等保护

图1 南干线单站主接线示意图

南一泵站主机纵差和零差保护高压开关柜处所用CT为同体双二次绕组CT，其结构见图2。其中二次主绕组作为纵差开关柜处CT绕组 (S1，S2)，二次副绕组为零差开关柜处CT绕组 (g，h)。该CT为日本RISHO KOGYO公司制造，经询问国内相关CT制造厂商，均未生产过类似产品，对其进行试验，证明其纵差及零差所用电流互感器绕组绕在同一个铁芯上，两绕组之间通过磁路相互影响，并遵守磁链平衡原理，即一次侧的安匝数等于二次侧两组绕组的安匝数之和。

图2 同体双二次绕组CT结构图

2 故障现象及原因分析

2.1 故障现象

自2010年以来，引黄工程的供水任务迅速增长，输水沿线各级泵站以双机并列运行为主，因开展机组大修等任务，导致机组投退操作较为频繁。期间，因启动热备机组 (变频启动方式)而导致在运行的机组差动保护动作的现象时有发生。

故障现象为当单台机组定速运行时，在用通过变频方式启动同母线另外1台热备用机组启动过程中，正在定速运行机组保护SR469可能出现纵差动保护动作信号 (87)，导致正在运行的机组跳闸。

每次纵差保护动作后，都会对差动二次回路及SR469继电器进行仔细检查和校验，但每次均无法检查到确切的故障原因。但查看SR469继电器中所录的故障波形和事件记录，表明保护装置确实监测到差流产生。本次故障波形较为典型。当时系统未发现故障，而机组保护SR469中出现了差流且导致保护动作，从CT配置、保护接线形式、保护定值、零差保护等方式进行了保护误动原因分析。

2.2 原因分析

2.2.1 CT配置

机组纵差两侧使用的CT型号不相同，这与国内发电机纵差保护配置要求两侧CT同型号、同参数不符。纵差保护两侧使用不同型号CT将导致在较大穿越电流情况下出现较大的差电流。

此外，国内不同保护原理 (如差动保护与零序保护)一般使用不同的CT绕组，而SR469继电器却使用了在同一铁芯上的两个绕组，造成不同原理保护用CT间存在电磁耦合，二次电流不能正确反映一次电流。这是导致SR469继电器误动作的主要原因之一。

由于零序差动保护与纵差保护两个CT绕组之间存在磁链关联，虽然零序绕组可以灵敏监测到零序电流，但由于纵差保护接线不完整，一次侧的穿越性扰动电流会在纵差回路中产生差流。纵差保护两侧CT配置不同是导致纵差误动作的主要原因之一。

2.2.2 接线形式

继电器二次接与标准接线方式以及国内纵差保护接线方式不同，即纵差两端CT的二次中线点未连接在一起。标准接线方式和国内电机纵差常用接线方式相同，如图3所示 (图中的电机中性点未接地)。

CT1的S1，S2绕组仅能传变正序与负序电流(二次回路的中性点断开，无零序电流通路)，而零序电流则需通同铁芯的CT1的g，h绕组流通，下端CT2的S1，S2绕组既可传变正序与负序电流，也可传变零序电流，这将造成电机流过零序电流时纵差保护中将产生差流，极可能造成保护误动。图2中电机两侧CT1和CT2均可以传变正序、负序与零序电流，电机中出现零序电流时纵差保护中理论上不会产生差流，因此保护不会误动。为此，对CT接线进行了实际测试见图3。

图3 SR469纵差保护接线图

2.2.3 接线试验

1)按照现场纵差保护二次接线图，用6个变比为40/1的CT来替代电动机进线侧和出线侧的差动回路CT，将CT二次线接入电动机保护装置SR469差动回路。

2)进线侧CT采用星形接法，三相电流线接入保护装置，而中性线N点悬空，不接入保护装置；出线侧CT也采用星形接法，三相电流线和N线都接入保护装置。

3)使用继电保护测试仪P30作为电源，电流输出线穿过CT的一次侧并通过小电阻接通，以试验较大的负载电流。试验中，继电保护测试仪输出相位、相数、大小均可调的三相电流，模拟实际电动机的负载电流。

图4 SR469差动保护实验室接线图

2.2.4 试验步骤和试验数据

鉴于实际CT变比为1 200/1，试验时CT变比为40/1，可以认为试验时加一次侧电流相当于现场电流30倍，即一次侧加1 A电流，相当于泵站现场一次侧加30 A电流。差流回路的读数，采用SR469自带的测量功能，直接调取测量读数读取。

1)CT一次侧加入三相平衡电流，即三相电流大小相等，相差120°，保护装置的差流显示为0，保护装置不会动作，与前述分析一致。

2)一次侧某一相加入大的穿越电流模拟区外单相接地故障，此时试验结果如表1所示：

表1 一次侧某一相加入大的穿越电流时差流读数

可见当被保护区域外发生单相接地时，故障电流通过电动机两侧CT，由于上侧CT不能传变一次系统零序电流，而下侧CT能够正确传变一次系统零序电流，造成保护装置三相都会有差电流出现。即区间外单相故障时，会导致装置误动。

表2 一次侧加入三相不平衡电流时差流读数

可见在一次侧出现三相不平衡电流时，二次回路中三相都会出现差电流，当三相电流的的幅值和相角发生变化时，差动电流会增加或减少，说明此种接线在三相电流不平衡时会有差电流流入保护装置。电机运行中如果某时刻一次侧瞬间有较大三相不平衡或谐波电流出现，都会有较大的差电流流入SR469的差流检测回路，会造成保护装置在被保护区间内没有故障的情况下发生误动。

4)一次侧加入保护区间内单相故障电流，可见当被保护区间内一次侧发生单相接地故障时，故障电流较大，保护装置显示三相都会有差电流出现，且测量所得故障量与实际故障量相差较大。试验数据表明被保护区间内单相有故障电流时，会在保护装置其它两相中产生差电流。

5)将差动保护二次回路的两侧CT的N线都接入SR469装置，进行再试验，试验数据表明此时保护装置能正确反映故障相别及其故障量的大小。

由试验 (2)、(3)、(4)可知，图2接线形式无法正确反映含有零序穿越故障电流，以及区内故障零序电流。

泵站在变频启动机组时，由于谐波电流或母线电压波动引起正在的运行机组的电流发生波动，因纵差保护接线不完整，导致差流检测回路中产生差流，这是导致机组纵差保护误动作的原因之二。

因为上述优化问题试图尽量减小需要的缓冲器的数量，而许多缓冲器调整次数很少甚至没有调整.如图5所示，其中节点代表了缓冲器，连接线代表了触发器之间的逻辑连接.

2.2.5 定值

目前国内大型电动机通常配置有比例制动纵联差动保护，纵差启动值设定时应能躲过电动机起动时的最大不平衡电流，按经验公式，电动机纵差保护最小动作电流Iset(或称为启动电流)按照如下公式选取：

式中 Iset——最小动作电流 (A)；

IM.N——电动机一次额定电流；

IN——电动机二次额定电流；

nTA——电流互感器变比。

引黄工程在用SR469保护装置为简单差动保护，不具备比例制动特性，且从表2可知，其纵差保护定值仅为0.1IN，与上面经验公式 (1-1)推荐的0.3～0.5IN相差较大。

另因泵站同步电机启动方式采用变频启动，变频启动时10 kV母线上将会有较大谐波电流产生，该谐波电流也会流入正在运行的机组。查阅历次SR469纵差保护动作信息，可知继电器差动保护动作时检测到的故障电流均在0.1～0.3IN之间 (例如表3数值)，说明继电器躲过10 kV母线谐波扰动电流的能力较差，定值需要重新核算。

2.2.6 差动保护配置

引黄工程机组配置有零序差动保护 (SR469)和零序反时限过流保护 (N系列过流继电器)两套原理不同的零序保护装置，且机端零序差动CT与相差保护CT共用一个铁芯，且机端零序差动CT二次绕组为少有的串联接法。虽然串联接法的CT二次侧只能流过零序电流 (I0)，但仍存在两侧零序CT特性差异导致零序差动保护误动作的可能。

国内外资料未见大中型电动机配置有零序差动保护，通常仅配置有零序过流保护，且定值一般按100 A的单相接地电流来核算。现场所配零序反时限过流保护的启动值为0.1倍CT二次侧电流 (30 A)，其保护灵敏度100/30=3.3大于规范要求的灵敏系数2，已基本满足机组运行需要。

综合上述两点分析，零序过流保护作为后备保护已基本能满足机组运行安全，而可靠性较差的零序差动保护功能则可以退出。

3 应对措施

1)拆除零差CT回路：由试验可知，现场所用双二次绕组CT两个二次绕组经磁链关联，为消除零差用CT绕组对相差CT绕组的干扰，决定将零差绕组开路，这样双二次绕组CT就变为简单的单二次绕组CT，可正确传变正序、负序、零序电流。

2)修改接线：鉴于现场纵差保护接线形式与国内通用的保护接线形式不同，最后决定参考GE公司推荐的接线形式，将两侧CT中性点用导线进行连接，恢复两边的完全星形接法。

3)定值修改：根据经验公式 (1)，决定取纵差保护定值为0.3IN，并以单机为试点，对纵差保护定值进行调整。

4)退出零差保护：现有零序过流保护已基本能满足灵敏性要求，决定退出同样作为后备保护的零序差动可，并拆除相应的二次接线。

5)升级保护装置：由于现用SR469继电器的差动保护功能无比率制动和谐波制动特性，未来在设备升级改造时，可考虑统一升级为带比率制动和谐波制动特性的电动机差动保护继电器。

4 结束语

采取上述措施后，泵站机组稳定运行至今，特别是修改定值的试验机组再未报差动保护动作故障，试验初步取得成功，这也直接验证了现场接线方式存在问题以及保护定值偏小。这一试验对其余机组进行保护配置及定值调整，在保证纵差保护的可靠性前提下不降低其灵敏度，保证机组稳定运行具有重要参考意义。

[1] 孙孜平，卢克刚，高春如，等.高压电动机综合保护整定计算的探讨 [J].电力系统自动化，2002，26(24)：48 -52.

[2] 何友全.高压大功率同步电动机的保护问题 [J].高压电器，2000，36(4)：55-56

[3] 董新龙，楼天明，贾国樑.高压大功率电动机继电保护系统参数计算及整定 [J].浙江冶金，2013(4)：1-3.

[4] 张宏乐，李亮.高压同步电机微机综合保护装置参数整定[J].电工技术，2011(7)：63-64，66.

Analysis of the Causes of Frequent False Activation of Synchronous Motor Differential Protection，Wanjiazhai YRDP＆Improving Measures

XU Dongwen
(Shanxi Wanjiazhai Yellow River Diversion Project Administrative Bureau，Taiyuan，030012，China)

This paper mainly focuses on the frequent mis-operation of differential protection of SR469 motor management relay which is used for synchronous motor，Wanjiazhai YRDP.Analysis is done from 5 aspects.Firstly，from the longitudinal CT used；secondly，from the wiring of secondary circuit；thirdly，from relay setting；fourthly，from the protection configuration and lastly from the relay upgrading.Improving measures are presented based on the analysis done.

synchronous motor；differential protection；YRDP

TV73

B

1006-7345(2014)06-0124-04

2014-07-24

徐东文 (1976)，男，助理工程师，山西省万家寨引黄工程管理局，从事继电保护、自动控制研究与技术管理工作 (email)xudongwen＠hotmail.com。