高阻抗差动保护在核电厂大型电动机中的应用

朱兴文，衣兰妹（华能山东石岛湾核电有限公司，山东　荣成　264312）



高阻抗差动保护在核电厂大型电动机中的应用

朱兴文，衣兰妹
（华能山东石岛湾核电有限公司，山东荣成264312）

摘要：高阻抗差动保护作为电动机的主保护在国外应用已十分广泛，但在国内电厂应用较少。国内某核电站大型电动机采用SPAE010高阻抗保护继电器，这是该类型保护在国内核电首次应用。针对核电站大型电动机保护问题，结合SPAE010高阻抗保护继电器特点，分析了高阻抗差动保护原理及整定原则，介绍了大型电动机高阻抗差动保护的调试方法。

关键词：高阻抗；差动保护；大型电动机；保护原理；整定；调试

0　引言

目前，核电机组单机容量持续向大型化发展，大容量电动机在核电机组中发挥着越来越重要的作用。而核电站对安全近乎苛刻的要求，对大型电动机的保护提出了更高的标准。高阻抗差动保护因其特有的稳定性和可靠性，而逐渐在核电站得到应用［1］。分析高阻抗差动保护原理及整定原则，并以SPAE010高阻抗保护继电器的现场实际调试为例，阐述大型电动机高阻抗差动保护的定值整定和校验方法。

1　高阻抗差动保护原理

1.1正常运行

图1为正常运行时高阻抗差动保护原理图，其中TA1、TA2为电流互感器，Ru为保护电阻器，KD为高阻抗差动继电器，QF为电动机负荷开关。当正常运行或发生穿越性故障时，TA1一次侧电流与TA2一次侧电流有I1=I2，如果此时TA1与TA2变比相同，且二次侧并联，则在理想条件下TA1二次侧电流i1与TA2二次侧电流i2大小相等、方向相反，即ij=i1-i2=0。因此，高阻抗差动继电器两端的电压Uab=ijRj=0，Rj为高阻抗差动继电器的内部阻抗。

由以上分析可知，正常运行时，两个TA二次绕组所流过的电流，在Ru和继电器内阻上产生电压降大小相等且方向相反，使继电器输入电压为零，所以高阻抗差动继电器不动作。但只适合于正常运行或发生穿越性故障且电流互感器TA没有饱和的情形。

1.2电动机启动

电动机启动电流较大，是额定电流的6～8倍且含有较大的非周期分量。在两个TA变比匹配合格的情况下，高阻抗差动保护继电器两端的电压在两个TA中单个完全饱和时电压最高［2］。这种极端情况下的等效电路见图2。

图1　正常运行时高阻抗差动保护原理

图2　 TA励磁等效电路

图中，Z1n为电流互感器TA一次侧阻抗，Z2n为TA二次侧阻抗，Zm为TA励磁阻抗，ZL为TA二次负载阻抗，U1为一次电压，U2二次负载电压。当电流互感器TA完全饱和时，其励磁阻抗Zm为0，且一二次侧无电磁能量转换，忽略二次漏抗，TA二次侧输入电阻仅为二次绕组的直流电阻Rin［3］。

图3是电动机启动时的原理接线图，其中Rw为TA2连接电缆电阻，Z2n为TA2二次阻抗。

图3　启动时动作原理（TA2饱和）

当电流互感器TA2开始饱和时，TA2的励磁阻抗减小，二次电流i2减小。当TA2完全饱和时，TA2的励磁阻抗几乎为零，二次电流i2也为零［4］。

在高阻抗差动回路中，由于继电器支路的高阻抗特性，未饱和TA1的二次电流将流过饱和TA2回路，TA1的二次电流在TA2的二次阻抗及回路电阻上的压降即为差动保护继电器的两端电压Uab。

Uab=i1（Z2n+Rw）（1）

为了保证保护具有较高的灵敏度及可靠性，就应使Uab减小，也就是要求TA二次阻抗低，回路连接电缆电阻小。并且Uab的有效值应小于差动继电器的动作整定值［5］。

1.3内部故障

图4为内部故障时高阻抗差动保护动作原理图。在电动机发生各种内部故障时，TA1和TA2二次侧的电流大小相等、方向相同，且两者的矢量和与一次侧的故障电流成正比，二次侧故障电流流过继电器的高阻抗负载，使差动回路两端电压上升，高阻抗差动继电器动作。

图4　内部故障动作原理

当发生内部故障时，图4的高阻抗差动回路等效电路如图5所示。其中n为电流互感器匝数比，Zm为TA的励磁阻抗值，Z02为TA的二次阻抗值。

图5　高阻抗差动回路等效电路

在图5中，TA的二次故障电流id=Id/n（Id为流过TA一次侧故障电流），由于励磁阻抗Zm很大，ie很小，所以有。此时，电流流入继电器线圈，产生电压。又因为继电器阻抗Rj较大，TA的二次阻抗可忽略不计，继电器两端的电压为由于继电器支路的高阻抗特性，很小的故障电流即能引起继电器动作。

2　高阻抗差动保护的整定

要使电动机高阻抗差动保护稳定有效，最主要的是满足：在电机启动时穿越性电流流过两个电流互感器TA，差动保护不动作；在电动机发生各种内部故障时，差动保护及时动作。

继电器动作电压的整定电压范围较宽，要求整定值必须按最不利的电流互感器TA饱和情况和躲过最大的穿越性故障电流来选择，以保证保护不误动作。取1．3倍电动机最大启动电流Ikmax作为最大穿越电流，一端电流互感器TA饱和继电器不误动，忽略饱和电流互感器TA二次漏抗，继电器动作电压需满足

当电机发生内部故障时，流过故障电流的TA为高阻抗差动继电器提供电压。为使在区内故障时，TA能够提供足够的动作电压，保障差动保护继电器及时动作，电流互感器TA的励磁拐点电压Uk应为继电器动作电压Uop两倍左右［6］。即

2.1保护定值整定计算

以某核电站凝结水泵为例，电动机参数：P= 10 500 kW，IN=1 029 A。TA参数：匝数比n=1 500/1，Rin=10．4 Ω，Uk=170 V；TA二次侧电缆从保护安装处到TA安装处环路电阻值，需根据实际电缆截面及长度来测得，Rw暂取1 Ω。SPAE 010高阻抗差动继电器参数：整定范围0．4～1．2 Un，整定时间范围不大于120 ms，Un=100 V。

2.2高阻抗差动继电器定值整定

由以上计算结果知：Uop=82 V，又因Un=100 V，继电器整定点为0．82Un。高阻抗差动继电器SPAE010的装置面板如图6所示。用继电保护测试仪在差动保护装置002XI的40—41端子加单相电压，电压值为继电器动作电压整定值82V，然后用螺丝刀手动旋转保护装置面板的电压调整旋钮（），先粗调至0．8，然后再细调旋钮，直至高阻抗差动保护动作，定值设置完毕。

图6　高阻抗差动保护装置面板

3　高阻抗差动保护校验

根据大型电动机高阻抗差动保护原理分析及定值整定计算，设置好高阻抗差动继电器的动作电压定值，高阻抗差动保护在应用中还需注意：高阻抗差动保护用TA特性匹配正确，选用匝数比相同的TA，且两个TA回路连接电缆电阻对称；TA励磁阻抗高、二次漏抗低、回路连接线电阻小；TA励磁拐点电压与继电器动作电压匹配［7］。为确定设置完定值后的电动机高阻抗差动保护是否合格，应对其进行校验。

3.1高阻抗差动保护校验方法分析

传统的差动保护校验方法，一般是通过继电保护测试仪在保护用TA回路二次侧加入故障电流，模拟差流，使差动保护继电器动作，进而检验差动保护的正确性。然而高阻抗差动保护因差动继电器回路的高阻抗特性，在TA二次回路加故障电流的方法在高阻抗差动保护的校验中并不适用。

通过高阻抗差动保护原理分析知：当电动机发生内部故障时，TA二次侧故障电流流过高阻抗差动继电器支路和TA二次励磁支路。为了保证高阻抗差动继电器能可靠动作，要求与继电器动作电压相对应的TA励磁电流与高阻抗差动继电器支路电流之和小于最小故障电流对应的二次电流。

因此，可通过测试内部故障的最小电流值高阻抗差动继电器是否动作，来确定电动机高阻抗差动保护的可靠性。校验原理如图7所示。在电流互感器TA1一次侧的P1和P2端施加电流，从0开始逐渐增大，记录继电器动作时TA1的一次电流值Id，并检测保护动作时差动保护装置002XI的40—41端子的电压是否为定值整定值。

图7　高阻抗差动保护校验原理

3.2高阻抗差动保护校验方法验证

根据上述保护校验方法分析，可采用一次通流法校验高阻抗差动保护。一次通流法原理如图8所示。

图8　一次通流原理示意

一次通流法采用从母线TV柜下口加电流，同时使电动机回路开关下口接地，操作开关合闸实现电流流过一次设备并通过大地形成回流。

3．2．1一次通流的实施方法

该核电站6．6 kV中压系统采用的是UniGear ZS1型开关柜，该类型开关柜接地开关与柜门存在机械联锁，在进行一次通流试验设备状态设置时需人为强制解锁。

1）将电动机回路开关柜接地开关合上，柜门打开，用短接线将其三相接地，然后分开接地开关，用螺丝刀顶住柜门与开关位置的联锁机构（因柜门打开时，有机械闭锁不允许将开关推到工作位），将开关推至工作位置，并用就地试验盒将电动机回路开关合闸；

2）合上母线TV柜接地开关，打开TV柜下舱门，手动强制舱门与接地开关位置的联锁机构，然后分开接地开关；

3）将继电保护测试仪的A、B、C三相电流测试线接在TV柜下舱的U、V、W上，N相接在接地母排上；

4）用继电保护测试仪通过连接在TV柜下舱的U、V、W的试验线向母线加电流，电流从0开始逐渐增大；

5）用打到交流电压档的万用表测量差动保护装置002XI 40—41端子的电压，验证是否在定值电压附近保护动作，同时记录下动作时继电保护测试仪加在一次侧的电流值。

采用上述试验方法对某核电站凝结水泵（P= 10 500 kW，IN=1 029 A）进行高阻抗差动保护校验，经检验：差动保护动作时，测得电压值为81．7 V，高阻抗差动保护的定值为82 V，即在定值附近保护可靠动作，高阻抗差动保护校验合格。

3．2．2一次通流应注意的问题

一次通流保护校验法仅适用于单体调试或母线停电检修阶段。

因试验操作需进行开关柜接地开关与柜门之间机械闭锁的强制解锁，误操作易损坏设备，所以强制解除闭锁时应严格按照开关运维手册的相关说明进行操作。

试验前做好接地线和测试线的连接记录，并认真检查试验接线正确性，试验后根据相关记录拆除接线，做好试验恢复。

若在开关柜侧无法进行一次通流进行保护校验，在电动机机端侧现场满足试验条件的情况下，可采取在电动机机端侧TA一次通流验证，但需做好电动机机端侧TA通流和开关柜侧电气参数测量、保护装置动作记录之间的配合。

4　结语

高阻抗差动保护目前在国内应用较少，且还没有相应的保护标准，因此在工程应用中，应结合实际情况和选用的电流互感器的特性、参数等，进行合理的定值整定和保护校验。通过实践验证了一次通流法对于实现大型电动机高阻抗差动保护校验的可行性，为其他核电项目的大型电动机高阻抗差动保护的校验提供借鉴和参考。

参考文献

［1］李德佳．大型电动机高阻抗差动保护原理、整定及应用［J］．继电器，2004，32（10）：67-69．

［2］黄秋根．变压器高阻抗差动保护的应用［J］．电工技术，2011（6）：10-12．

［3］乐启昌，乐萧彤．高阻抗变压器的应用［J］．黑龙江电力，2001，23 （6）：442-445．

［4］郭玉恒，宋好凤，蒋文林．厂用系统保护TA配置探讨［J］．继电器，2003，31（5）：56-58．

［5］袁层，邰能灵．一起主变高阻抗差动保护误动分析［J］．电力自动化设备，2008（8）：121-123．

［6］DL/T 866—2004电流互感器和电压互感器选择及计算导则［S］．

［7］迟永久，刘海涛，邱斌．高阻抗差动继电器用电流互感器及其设计［J］．低压电器，2002（2）：48-51．

Application of High Impedance Differential Protection for Large M otors in Nuclear Stations

ZHU Xingwen，YI Lanmei
（Huaneng Shandong Shidaobay Nuclear Power Company，Rongcheng 264312，China）

Abstract:High impedance differential protection as the main protection of motors is widely applied in foreign power plants，while it is rarely applied in China．SPAE010 high impedance protection relay is applied to the large motor protection in domestic nuclear power plant．This is the first time for it to be applied in nuclear power projects in China．For the protection problem of large motors in nuclear station，combined with features of SPAE010，the principium and setting principles of the high impedance differential protection are analyzed，and the debugging method of the high impedance differential protection for large motors is introduced．

Key words:high impedance；differential protection；large motor；principium；setting；debugging

中图分类号：TM77

文献标志码：A

文章编号：1007-9904（2016）02-0055-05

收稿日期：2015-10-29

作者简介：

朱兴文（1986），男，工程师，从事核电厂电气调试工作。