电动机差动保护方式探析

李志辉

（广东寰球广业工程有限公司，广东 广州510655）

0 引言

根据国家电气设计规范要求，当大型电动机容量大于2 000kW及以上时，需要装设差动保护。国产电动机普遍采用纵联差动保护，而部分进口电动机已采用自平衡差动保护。根据设计经验比较纵联差动保护和自平衡差动保护，自平衡差动保护具有接线简单、灵敏度和可靠性高的优点。

1 纵联差动保护和自平衡差动保护原理及接线

1．1 纵联差动保护原理和接线

根据国家设计规范要求，不小于2 000kW的异步电动机需要装设纵联差动保护。纵联差动保护用作电动机的相间短路保护。电动机纵联差动保护具有一定的局限性，需要异步电动机定子端具有6个引出端。电动机纵联差动保护原理接线图如图1所示。

图1 纵联差动保护原理接线图

电动机纵联差动保护在中压开关柜电动机回路装设3个电流互感器，在电动机中性点附近装设3个电流互感器，6个电流互感器的二次回路接入综合继保装置，在综合继保装置内比较电动机始端电流与电动机末端电流，实现电流差动保护功能。电动机正常运行时或者差动保护区外短路故障时，综合继保装置检测到的不平衡电流小于综合继保装置的动作电流，保护不动作。在保护区内发生短路故障时，综合继保装置检测到的故障电流远大于综合继保装置的动作电流，保护瞬时动作，跳开断路器，保护电动机。

1．2 自平衡差动保护原理及接线

电动机自平衡差动保护在电动机定子线圈附近安装3个电流互感器，电流互感器二次回路用控制线引出在电动机接线盒附近，并用控制线引入自平衡差动综合继保装置。自平衡差动综合继保装置安装于该电动机回路的中压柜上。

自平衡差动保护功能：电动机相间短路及定子绕组短路。

自平衡差动保护原理：利用磁通平衡的原理。在正常情况下，由于磁通平衡，电流相量和为0，自平衡差动互感器二次侧不产生电流。当电动机发生相间短路故障时，故障电流破坏了电流互感器的磁通平衡，二次侧产生不平衡电流；当不平衡电流达到综合继保装置整定值时，综合继保装置启动跳闸回路，断路器跳闸，切断电动机电源，保护电动机。

自平衡差动保护只需要在电动机中性点附近装设3个电流互感器，比纵联差动保护减少3个电流互感器，一定程度上解决了电流互感器的匹配问题。由于电流互感器接于电动机每相进出的2根线上，当电动机没有相间短路故障时，电流互感器二次回路中的不平衡电流很小，所以自平衡差动保护的整定值可以设置得很小，大大提高了电动机保护的灵敏度。自平衡差动保护原理接线图如图2所示。

图2 自平衡差动保护原理接线图

2 自平衡差动保护整定

自平衡差动保护整定原则：自平衡差动保护用于电动机相间短路保护及电动机定子绕组短路保护，由于相间短路大多数发生在电动机进线、出线端子上，短路电流很大，不能作为确定自平衡差动保护整定值的依据。根据设计经验及查阅国内外文献，电动机自平衡差动保护的整定值应以电动机单相接地电流为依据设定。10kV电源系统一般为不接地系统，当装设自平衡差动保护的电动机回路发生单相接地短路时，流入自平衡差动保护装置的故障电流为电网的总单相接地电容电流与故障回路电动机电容电流之差。当同一系统中其他线路发生单相接地故障时，装设自平衡差动保护的电动机回路将产生单相接地电容电流，其大小与该回路的电缆长度、架空线长度、电缆截面、架空线截面、系统电压有关，自平衡差动保护整定应躲过此电容电流。

根据设计项目经验举例如下：电动机额定电压10kV，额定功率10 000kW，装设自平衡差动保护作为电动机主保护。在电动机中性点附近装设3个电流互感器，电流互感器变比为50／1，10kV电网的总单相接地电容电流为20A。10kV开关柜至电动机用电缆连接，3根3×240mm2电缆，每根电缆长度为320m。

装设自平衡差动保护电动机回路单相接地电流计算如下：

每根电缆线路单相接地电容电流为：

式中，S为电缆芯线的标称截面（mm2）；Ur为线路额定线电压（kV）；l为线路长度（km）；IC为单相接地电容电流（A）。

装设自平衡差动保护电动机回路单相接地电容电流ICM＝3×IC＝1．88A，此电动机自平衡差动保护一次动作电流应躲过电动机回路单相接地电容电流。

装设自平衡差动保护电动机回路保护装置的一次动作电流应整定为：

式中，Iop为保护装置一次动作电流（A）；IC为电网的总单相接地电容电流（A）；ICM为装设自平衡差动保护电动机电容电流（A）。

自平衡差动保护装置一次动作电流整定范围为：1．88A≤Iop≤14．5A，取10A。

自平衡综合继保装置整定电流为：

式中，Iop．K为自平衡差动保护装置整定电流（A）；Iop为自平衡差动保护装置一次动作电流（A）；Kjx为自平衡差动保护装置接线系数；nTA为自平衡差动保护回路电流互感器变比。

由于国内设计规范关于自平衡差动保护的整定计算方法比较少，因此在使用此类型的大型异步电动机时，电动机保护设置需要按照厂家的要求，结合系统电网情况，合理设置自平衡差动保护的整定值。

3 结语

综上所述，传统的电动机纵联差动保护需要异步电动机定子端具有6个引出端，特别需要装设6个相同型号的电流互感器，具有一定的局限性，在设置保护定值时也有比较多的要求。电动机自平衡差动保护不受异步电动机定子端引出端头数量的限制，只需要装设3个相同型号的电流互感器，在设置保护定值时限制条件比较少。自平衡差动保护具有接线简单、灵敏度高、可靠性强的优点，特别适用于对电动机有防爆要求的区域。由于国家设计规范关于大型异步电动机自平衡差动保护定值的设置要求较少，在使用电动机自平衡差动保护时需要借鉴国外经验，并结合电动机运行过程中出现的情况，不断总结经验，更好地使用和推广10kV大型电动机自平衡差动保护。

［1］中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设计手册．第3版．中国电力出版社，2005

［2］贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理（增订版）．中国电力出版社，2004

［3］IEC60034－11—2004 旋转电机 第11部分：内装式热保护