浅谈电动机差动保护基本原理及事故处理应用

刘 哲，闫顺康，陈毅航

（国网新源电力检修分公司，北京市 100068）

浅谈电动机差动保护基本原理及事故处理应用

刘 哲，闫顺康，陈毅航

（国网新源电力检修分公司，北京市 100068）

本文主要介绍了电动机差动保护基本原理与逻辑，并以此分析解决某电厂高压厂用电动机运行期间差动保护误动问题，解决问题方法较新颖实用，此方法可推广至发电机保护类似事故处理，为以后事故分析积累了经验。

差动保护；保护逻辑；故障录波器；事故处理

0 引言

差动保护是反映被保护元件（或区域）两侧电流差而动作的保护装置，差动保护作为被保护元器件的内部故障的保护，电流互感器安装在被保护设备的两侧，在正常或外部发生故障时，流入差动保护的电流为不平衡电流，在适当选择好两侧电流互感器的变比和接线方式下，该不平衡电流值很小，并小于差动保护的动作电流，故保护不会动作，被保护设备内部发生故障时，流入差动保护装置的电流大于差动保护的动作电流，差动保护动作于跳闸。差动保护原理简单，使用电气量单纯，保护范围明确，保护动作迅速，一直作为变压器、发电机、电动机、线路及母差等设备的主保护。由于变压器差动保护涉及到不同接线方式及变比，掌握起来难点较多，故大家接触较多并比较重视，而发电机与电动机差动保护涉及不到接线方式，并且两端变比大多数情况下一样，该保护较容易理解与掌握大家深究较少，而笔者正是根据电动机差动保护原理与逻辑巧妙的解决了一起差动保护误动问题，下面结合某电动机差动保护原理与逻辑将事故经过与解决方法进行阐述。

1 事故初步处理经过

2014年2月20日17时23分某发电厂3号机组6kV一台高压电动机差动保护跳闸。就地检查为6kV综合保护装置C相差动保护跳闸，针对此次保护跳闸电气一次人员检查一次设备未发现异常，电气二次人员对保护装置进行全面检查也未发现事故原因，详细事故检查经过及处理经过如下：

检查监控系统报警，监控系统显示为该电动机差动保护比率制动C相动作。到该电动机现地保护柜处检查，差动保护装置事故报告为C相比率差动动作，三相差流分别为DIa=0.04A、DIb=0.09A、DIc=1.76A，制动电流HIc=1.54A，差动保护定值为Icd=1.3A，额定值Ie=3.8A，一段比率制动系数为0.5，其中C相差流DIc为1.76A超过保护定值，满足保护跳闸判据，保护动作。经过上面检查可以确定该电动机跳闸因为差动保护装置出口动作引起的，从而对保护装置及二次回路进行了全面检查。

为了判断是否因为TA二次回路问题引起差动保护动作，在保护柜端子排上打开TA连片后分别对中性点和开关侧两组TA二次回路直阻进行了检查，经检查两组TA二次回路直阻数值平衡，回路直阻正常，数据见表1。检查差动保护电流二次回路中性线接地情况满足规程要求，断开二次回路中性点接地线后用500V绝缘电阻表分别对两组TA二次电流回路进行检查，绝缘情况良好，未发现异常。

表1 TA二次回路直阻

进一步对该差动保护抗干扰情况进行了检查，检查该保护装置外壳接地线良好，检查保护装置机壳对地电压为0.01V，保护装置外壳接地情况无异常。

对保护装置工作电压、操作电压及电源模块进行了检查，没有发现异常情况，打开保护装置检查CPU板与控制板，各板件干净整洁无开焊、烧毁与松动现象。

检查完二次回路后对该差动保护装置进行了保护校验，首先对保护采样进行检查，各路电流采样均正常，然后差动保护各相启动值、比率制动系数及差动速断定值进行了详细的校验，保护装置均能正常准确动作未发现异常。

经过上面对二次回路与保护装置全面检查未发现事故跳闸的原因，同时电气一次检查一次电缆绝缘、电动机绝缘及电动机三相直阻也未发现异常，该电动机于2月20日21：20投入运行，投运后检查差动保护装置采样正常。2月21日 22：32：45该差动保护C相再次动作（第二次），三相差流分别为DIa=0.04A、DIb=0.07A、DIc=1.32A，制动电流HIc=1.68A，满足保护动作判据。针对此次跳闸采取故障逐项排除的方法，申请该电动机停运后，更换差动保护中性点到6kV开关端子排电缆，更换6kV开关侧TA出线到端子排电缆，更换后检查TA二次回路直阻、绝缘情况良好。2月22日13时将该电动机投入运行，此时为了防止差动保护装置误动而将差动保护跳闸线解除，该电动机后备保护正常投入，电动机启动后记录各相电流采样、差值及相角均正常。2月22日14：10：59该差动保护C相再次动作（第三次），三相差流分别为DIa=0.01A、DIb=0.14A、DIc=2.05A，制动电流HIc=1.56A，满足保护动作判据。因事先将差动保护跳闸出口线解除未造成该电动机停运。

至此，该电动机差动保护连续跳闸3次，从保护动作报告来看属于正常动作，后备保护无异常反应（无异常启动），但对差动保护交流采样、定值校验、二次回路直阻、二次回路绝缘及干扰等方面检查也没发现异常，检查保护电路板件，电路板干净整洁无烧坏、开焊、松动现象，更换TA两组二次电缆后保护也动作（同样是差动保护C相动作），排除二次回路问题后，问题只有可能出现在保护装置或者电气一次设备上，由于电气一次设备检查绝缘、直阻及运行中红外测温均未发现异常，电气一次设备难以再进一步排除问题，只能从保护装置处入手。如果是保护装置存在问题则是软故障，这种故障发生后又返回难以捕捉，处理起来后难度较大，为此对该保护装置原理与逻辑进一步研究。

2 微机电动机差动保护基本概念

随着科学技术的基本，现在模拟式保护装置基本被微机保护装置所取代，并且微机保护装置在可靠性、经济性等方面均具有很大优势，保护原理除在继承原来模拟式保护装置原理外，微机保护更具有灵活性，如原来模拟式差动保护对电流互感器极性有明确规定，即规定以被保护设备故障时流向故障点方向端为极性端，微机差动保护装置则没有此硬性要求，部分装置可根据TA实际极性情况改变内部极性控制字来实现，在差动电流、制动电流计算方法上根据极性端不同也有不同算法，但在可靠性、灵敏性方面基本一致的。为了理解后面处理方法，以该保护装置技术说明书为基础将电动机差动保护几个基本概念与逻辑简单介绍一下。

2.1 差动启动元件

微机差动保护装置差动速断与比率差动一般采用突变量启动元件和过流启动元件，当差动电流发生突变或者差动电流的最大值大于相应过流定值时，启动元件动作并开放差动保护一段时间。

2.2 差动电流制动电流计算公式

不同原理微机差动保护装置在计算差动电流与制动电流时不尽相同，保护装置规定的接入保护极性对算法也有一定影响，该保护按照同名端在一侧的原则进行差动电流的计算，即为两侧电流矢量和，见公式（1），制动电流按照两侧电流和的一半计算，见公式（2）。

2.3 差动速断保护

差动速断保护没有制动特性，实质上是差流越限的高定值保护，电动机内部发生严重短路故障时，为了迅速启动保护而设置了此功能，该保护动作逻辑图见图1。保护动作判据为见公式（3）。

保护动作判据：

式中：Icdsd——差动速断保护动作电流整定值。

图1 差动速断逻辑图

2.4 比率制动式差动保护

比率制动式差动保护既能在外部短路时有可靠的制动作用，又能在内部短路时有较高的灵敏度，有的微机差动保护采用两折线制动原理，有的采用三折线制动原理。该电动机差动保护采用三折线比率差动原理，其动作曲线见图2。

图2 比率制动动作曲线

三折线电动机差动保护动作判据如下：

式中：Icdqd——比率差动保护动作电流整定值；

Ie——电动机运行额定电流二次值。

2.5 TA断线闭锁差动保护

为防止因TA断线引起比率差动保护误动，现在微机差动保护基本都有TA断线瞬时闭锁差动保护、TA断线告警功能，用户可根据实际情况选择投入TA断线闭锁差动保护功能，或者是TA断线后让差动保护跳闸，该电动机差动保护具有TA断线闭锁差动保护功能，并投入了运行。

3 事故进一步分析处理

经过对电动机差动保护的原理与逻辑进一步研究，发现微机式电动机差动保护与变压器差动保护在分析处理电流采样上面有所不同，由于现在微机变压器差动保护TA二次回路普遍采用星型接线方式，由此接线导致的幅值、相位差均由保护内部换算修正，根据接线方式不同在内部换算时存在某相电流由另外两相电流折算而来的情况，故变压器差动保护对三相相序有严格要求，而电动机差动保护内部处理采样时是三相分别单独比较，不需要折算，直接一侧A相对另一侧a相，B相对b相，C相对c相进行比较，对三相电流相序没有要求，根据此原理借助录波器对差动保护装置进行了进一步检查。

为了分清是保护装置问题还是一次设备问题，将差动保护装置6路TA在端子排处封死，分别将中性点、开关侧TA的B、C相交换位置，即实际二次回路的B相电流进保护装置的C相采样回路，实际二次回路的C相电流进保护装置的B相采样回路，见换线后接线示意图3。

图3 换线差动保护接线示意图

后备保护回路未变，仍正常相序运行。同时将实际回路B相二次电流（即差动保护装置C相电流采样回路）中性点侧与开关侧分别接入录波器的通道2与录波器的通道3，将差动保护装置跳闸出口引入录波器的通道1并将该量发生变化作为录波器的起动量。2月22日上午11：41将该电动机投入运行，此时后备保护正常投入，差动保护跳闸回路继续解除。2月23日2：23：54该差动保护再次动作，保护动作报告为比率差动保护C相跳闸，三相差流分别为DIa=0.01A、DIb=0.2A、DIc=2.00A，制动电流HIc=1.74A，满足保护动作判据，录波器录波图见图4。

从录波图上分析发现录波器通道一保护跳闸出口时间保持67.6ms后返回，在保护动作出口前后通道2与通道3电流波形无电流突变与波动，两个通道电流基本重叠故无差动电流，而此时保护动作报告显示C相差流为2A，保护动作后瞬间返回。

图4 保护跳闸录波图

2月23日下午该保护厂家技术人员到现场来检查，厂家技术人员通过专用软件调取保护装置本身故障时跳闸波形，但保护装置没有任何记录，随即厂家人员做TA闭锁差动保护试验，将开关侧C相电流封死，断开TA二次端子排连片，此时流入保护装置的电流为0，满足TA断线判据，经延时保护面板显示TA断线，但报警灯不亮，且不向监控系统发送报警，稍后差动保护动作，TA断线功能未闭锁住差动保护动作，不满足保护装置逻辑。

根据差动保护多次动作数据及录波器录波图分析可以基本确定多次保护跳闸为保护装置误动，但由于为软故障，并未发现明显的故障点，保护误动具体原因需要等保护装置回厂家检验完毕后才能知道。另外差动保护装置未能正确记录到故障时录波数据，并且TA断线闭锁差动保护功能存在问题，更加确认了保护装置也存在问题。

在明确了此次事故原因后采取了相应的措施，包括更换该电动机差动保护装置，将其更换为升级后的保护装置，并对更换后的保护进行了全部校验，暂时将差动保护跳闸出口解除（保留后备保护），待稳定后投入运行，将差动保护C相电流引入录波器继续对该电机进行监视，将存在问题的差动保护装置送至厂家进行检验。事后经过连续运行2周时间该电动机的差动保护未发生异常，经厂里批准后将差动保护正式投入运行，根据厂家事后反馈为CPU板件存在缺陷，升级后的装置已将该缺陷消除。

4 小结

本次事故属于保护装置软故障，故障后保护装置又瞬间返回，通过检测难以发现事故原因，处理起来难度很大，而笔者深入了解该装置原理与逻辑后，将该装置B相与C相电流互换，并借助录波器巧妙的判断出了故障原因，以后大家在分析处理事故时应深入掌握理解设备原理、逻辑，多借助外部工具，问题便可迎刃而解。

[1] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，1996.

[2] 国调中心.电力系统继电保护技术实用技术问答 （第二版）[M]. 北京，中国电力出版社，1997.

[3] 国调中心.国家电网公司继电保护培训教材 [M]. 北京，中国电力出版社，2009.

刘 哲（1982—），男，本科，工程师，专工，主要研究方向：电力系统继电保护系统。邮箱：82754716@qq.com

闫顺康（1964—），男，本科，助工，主任，主要研究方向：电力系统继电保护系统。

陈毅航（1989—），男，本科，助工，专工、主要研究方向：电力系统高压试验。

Brief Talking on the Basic Theory of Electric Motor’s Differential Protection and the Application of Accident Treatment

LIU Zhe，YAN Shunkang，CHEN Yihang
（State Grid Xin Yuan Power Maintenance Branch，Fengtai District，Beijing 100068）

This paper mainly describes the differential protection theory and logic of the electric motor，we can analyze and solve the problem of differential protection during the running of the electric motor. This method will be more innovative and practical，which can be popularized to solve the similar accidents of the power generator protection. It also contributes more experience to the accident analysis.

differential protection；protection logic；fault recorder；accident processing