电动机差动保护误动分析与改进措施

石生旺



电动机差动保护误动分析与改进措施

石生旺

（广东韶关发电厂，广东韶关 512132）

对电动机起动过程中差动保护误动原因的分析，一般认为多重因素导致电动机起动时电动机侧电流互感器严重饱和，使二次电流出现畸变失真引起差动保护误动。针对电动机差动保护和电流互感器特点，本文给出了多个解决电流互感器饱和的方案，并结合目前发电厂厂用电发展趋势，提出厂用电流互感器参数选择、二次回路设计等方面需要考虑与保护配合，避免保护发生拒动、误动。

饱和；差动保护；二次负荷；起动电流；准确限值；电缆截面积

当发电厂高压厂用电动机2MW及以上的电动机、或2MW以下但电流速断保护灵敏系数不符合要求时，可装设纵联差动保护，纵联差动保护应防止在电动机自起动过程中误动作[1]。在工程应用中，在保护电流互感器参数选择、回路电缆设计时未考虑高压电动机特有的高倍起动电流特点和电动机位置至保护安装处距离两个因素，导致高压电动机起动时差动保护误动时有发生[2]。本文通过高压电动机差动保护误动分析，提出多条解决措施，并结合现场厂用保护应用情况和电流互感器制造现状，提出厂用电电流互感器参数应结合多因素使用条件选择，满足保护测量要求，以供设计、维护参考。

1 高压电动机起动误动实例

1.1 保护误动情况

给水泵电动机YKS5500-4额定电压为6kV，额定功率为5500kW，额定电流为611A，额定转速为1491r/min，绕组接法Y，功率因数为0.892。

电动机开关和电动机侧配置天津市百利纽泰克AS12/150b/4S的CT，A、C两相配置，变比为800/5，保护准确级为5P20，二次额定容量为20VA，二次绕组直流电阻CT=0.52W，开关侧CT二次侧采用2.5mm2软导线引接至保护装置；电动机侧CT置于电动机尾部，采用2.5mm2屏蔽电缆引接至开关柜保护装置，长度为150m。

保护配置东大金智WDZ-3C，装于6kV开关柜体。保护定值：动作电流为1.53A，比率系数为0.2，自动加倍功能投入。

给水泵带载起动时，出现差动保护动作。差动动作电流为12.5A。电动机检查绝缘、直阻合格，CT回路及极性正确。录波显示起动电流最大达到5.4倍额定电流。

1.2 保护动作分析

1）电流互感器伏安特性因素分析

电动机无故障，差流越限动作。起动电流qd= 3299A，电流互感器准确限值一次电流pal=20×800= 1600A，qd＜pal，在电流互感器误差范围内的准确限值一次电流远远大于电动机起动电流，说明互感器的准确限值没问题。对电动机开关侧及电机侧CT进行伏安特性测试，见表1，可见两者差异不大。

表1 电机两侧CT伏安特性试验数据（单位：A）

2）二次负荷因素分析

电流互感器简化等值电路如图1[3]所示。

图1 电流互感器简化等值电路

注：p为一次电流；s为一、二次电流；s为二次感应电动势；e为一、二次励磁电流；Ze为一励磁阻抗；ct为一、二次绕组漏抗；ct为一、二次绕组电阻；s为一、二次电压；b为一、二次负荷阻抗。

当铁心不饱和时，二次励磁电流e很小，一次电流p成正比传变为二次电流s，误差很小；当铁心饱和时，励磁阻抗e变小，二次励磁电流e增大，导致传变误差增大，不能真实反应一次电流，误差主要是励磁电流e。

电流互感器二次负荷为

电缆单程阻抗为

（2）

电流互感器实际二次负荷阻抗为

式中，r为数字继电器，仅计电阻r，取0.04；c为接触电阻取0.05；rc为接线阻抗换算系数为；lc为电缆连接导线阻抗换算系数为[3]。

由式（3）计算实际负荷b＞bn，给水泵电动机起动时，起动过程中电动机侧电流互感器实际二次负荷为

稳态运行时的电动机侧的电流互感器二次负荷已经超过电流互感器额定负荷。电动机起动二次负荷b远远大于互感器额定二次负荷bn，b=41bn。

根据电流倍数与允许负载关系以厂家互感器10%误差曲线或者准确限值系数曲线校核，但通常厂家不提供该特性曲线。在工程应用中通过伏安特性试验核算负载阻抗和误差关系时，需要励磁电流必须大于互感器二次额定电流，且伏安特性饱和，否则不能校核二次负载[7]。从表1中数据和拐点判别标准，当额定频率电压增加10%时，励磁电流方均根值增加不大于50%，可以看出在励磁电流在0.5A已经处于拐点[3]。按照起动电流20.6A的10%误差算，在励磁电流2A时，励磁电压对应220V左右，起动互感器回路二次电压s为

s＜，核算满足。当制造厂不能提供准确限值系数曲线核验时，现场测试的伏安特性曲线可作为参考。从本次工程中和实际应用中，高伏安特性的互感器允许的实际二次负载远大于理论计算负载。

电流互感器的铁心饱和是影响其性能的最重要因素。影响互感器饱和的主要因素有电流幅值、二次回路的阻抗、电流互感器的工频励磁阻抗、电流互感器匝数比和剩磁等[3]。

（1）电流幅值因素，qd＜pal，起动电流大不是引起电流互感器饱和误差的决定因素。

（2）起动运行工况下，电动机侧电流互感器二次二次容量为额定值41倍，二者之差不是一个数量级，二次感应电动势很高，引起磁通密度增加，铁心高度饱和，励磁e增加，输出电流二次电流s不能正确反应一次电流p，出现畸变。

实际上电动机起动是一个复杂的过程，起动瞬间为暂态过程，存在非周期分量，起动电流严重偏移，为保证准确传变暂态短路电流，电流互感器在暂态过程中所需磁链可能是传变等值稳态对称短路电流磁链的几倍至几十倍，这可能导致电流互感器严重暂态饱和[3-4]。

（3）电流互感器参数是二次励磁阻抗、匝数比、剩磁。这三者参数特性固定，现场安装后不可改变。励磁阻抗取决于铁心的大小和材质，在给定的的一次电流和铁心截面前，增加变比可以减少磁通密度，降低饱和因素。P级的型号互感器对剩磁无限制，微机保护使用使得二次负荷由阻感性变为电阻性，剩磁取决于一次电流开断瞬间铁心的磁通，使得P类电流互感器的残留剩磁大大增加，剩磁可能使互感器在一次电流远小于饱和值时过早饱和，国内很多文献推荐采用剩磁限制的PR类互感器[5]，从剩磁不确定性和投资成本上，厂用电选用对剩磁不限制的P级互感器是常规之选，新导则[3]在厂用电用电流互感器未明确推荐使用PR级互感器。

高倍起动电流、含非周期分量暂态，持续时间长、二次负荷严重超限等多重因素，引起电动机起动过程中互感器输出二次负荷不能满足电动机起动工况，铁心严重饱和，二次电流畸变，差流越限，保护动作。

2 防止电流互感器饱和处理措施和参数分析

2.1 二次回路优化和互感器参数

从上述分析可知，降低回路二次阻抗，是防止电动机起动过程中电流互感器饱和而差动误动的有效措施[6-10]。降低二次负荷有多重措施，要根据现场设备、安装空间，先易后难优先选择，主要有以下几种方法。

1）提高电流互感器变比，选用励磁特性较好的的电流互感器，减小准确限值倍数，降低电流互感器的饱和程度因素。

2）将二次额定电流从5A降至1A，在负载阻抗不变的情况下，相应的二次回路负荷降低了25倍，互感器不容易饱和。

3）改变电流互感器接线方式，将两相不完全星形接线改为三相完全星形接线，可降低二次负荷。

4）互感器二次绕组串接，输出容量增大一倍，提高电流互感器输出抗饱和能力。

5）提高二次电缆截面积，减小CT二次负载。

6）采用抗饱和能力强的保护原理。

在方法1）至3）中，需要更换电流互感器，受设备初始安装空间限制，改造难度较大、费用高；原互感器如有两个二次绕组，方法4）是最简单的；方法5是在不能改变电流互感器的条件下最有效的方法，鉴于厂用电暂态问题忽略不计，厂用电保护电流原理居多，对于采用有效值傅氏算法延时电流保护，均不能效抗饱和，更换保护装置意义不大；方法6不适用。

给水泵电动机侧电流互感器输出两个保护级二次绕组，采用方法4）、6），以改善电流互感器抗饱和措施。

表2 不同电缆截面积电机侧电流二次回路数据

表2给出了在电动机侧使用不同电缆截面积时电流互感器二次阻抗数据，只有当电缆截面积10mm2以上时，额定参数下二次实际容量b小于互感器额定容量bn。根据现场实际接线端子大小，考虑二次负载为互感器饱和重要因素，决定选用16mm2屏蔽电缆。电动机侧互感器具备两个保护绕组，将短接的另外一个绕组串接。这样互感器二次负荷容量提升一倍达到bn=40VA，bn=1.6W，由式（3）得实际二次负荷为0.39W，b＜bn。起动时实际二次负荷仅为165VA，为原来的15%，为额定容量的4倍，极大改善了起动时电动机侧互感器的运行性能，互感器饱和不明显。改进后，3台电动机给水泵任何工况下起动均未再发生过差动误动情况。

后续电厂增引合一引风机改造工程、新扩建机组中，厂用6kV大容量的电动机电流互感器采用增加变比、二次额定电流选用1A、电缆截面积提高的方法，改善电流互感器运行性能。在调试、运行阶段从未发生差动误动。

2.2 厂用电流互感器选型问题

大容量的发电厂6kV高压厂用电系统短路电流可达40～50kA[3]，馈线负荷类型较多，部分只有几十A，有些负载电缆很长。按照回路电流选择变比，短路电流远超互感器准确限值一次电流，短路时，互感器严重饱和。近年来的确多次出现6kV厂用电系统中定值灵敏度很高的情况下，发生电流速断和定时限保护拒动实例[6]。如按照短路不饱和选择互感器，又存在互感器一次电流P远大于负荷电流，变比太大，出现开关柜内安装困难、投资费用大、测量精度差、保护整定困难甚至保护装置不能满足要求和无法整定的情况。在选择电流互感器时应综合考虑短路电流、保护装置限幅电流、负荷电流、开关型号来确定互感器参数。

对于采用F-C开关回路，高压熔断器具有短路限流保护，互感器可按照馈线回路选择，不考虑一次短路电流饱和影响因素。采用真空断路器开关时，则不能按照负荷电流来选择，适当提高变比，防止短路饱和保护拒动。互感器准确限值电流alfn为2倍整定电流，保证保护可靠动作[3]，基于中压互感器饱和特性，一般采用10P20即可，对于采用有效值傅氏算法延时电流保护，在饱和状态下，其有效值保持有效增大，仍能可靠动作[9]。对于用于差动保护的互感器则需要考虑不平衡电流影响，需要二次负荷、10%误差曲线核算，确认外部故障、电动机起动状态下不发生保护误动。

目前厂用互感器二次额定电流1A和5A的CT在造价费用、技术性能、安全制造方面基本相当，推荐采用1A互感器。远距离电缆保护互感器不宜采用不完全星形和两相差接线，用完全星形接线，均是有利于降低二次负荷、降低电缆截面积、改善互感器运行性能、防止饱和的有效措施。

3 结论

发电厂电动机起动特性和保护远距离特点要求电动机侧电流互感器二次负荷满足起动过程，增加电缆面积是降低二次负荷、改善互感器饱和的有效措施。在互感器选型参数确定阶段，差动保护用的互感器应根据电动机起动特点，多方面改善电动机起动工况下的互感器饱和状态，电流速断则应结合系统短路电流、保护性能、开关类型和负荷电流综合确定相关参数，以保证不出现因互感器参数选型不当而引起的保护拒动和误动。

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Nalysis of Electrical Motor Differential Protection Misoperation and Its Improvement

Shi Shengwang

(Guangdong Shaoguan Power Plant, Shaoguan, Guangdong 512132)

An analysis of differential protection misoperation in electrical motor start-up process suggests that a multitude of factors lead to gross saturation of the motor side current transformer in motor start-up and the distortion in secondary current gives rise to differential protection misoperation. To address current transformer saturation, several solutions were proposed having regard to the characteristics of motor differential protection and the current transformer. In consideration of the service power generation trend at present in power plants, it has been suggested that the service power current transformer parameters and secondary circuit design, among others, shall take into account the coordination with protection in order to forestall failure to trip or misoperation in protection.

saturation; differential protection; secondary load; starting current; accuracy limit; cable sectional area

石生旺（1974-），男，河南安阳人，工程师，从事发电厂二次设备管理工作。