引江济淮工程蜀山泵站电动机主保护配置研究

何云霞

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088)

引江济淮工程蜀山泵站设计装机8台套，水泵为立式全调节混流泵，配套电机为TL7500-48/4800型立式同步电机，单机功率7500kW，额定电压10kV，总装机容量60000kW。

为保证泵站安全可靠运行，对同步电动机、变压器等主要电气设备均按文[1]的规定进行继电保护配置。8台同步电动机是泵站正常运行的关键设备， 根据文献1规定“2MW及以上的电动机，或电流速断保护灵敏系数不符合要求的2MW以下的电动机，应装设纵联差动保护”；纵联差动保护与后备综合保护装置配套构成电动机的全套保护。

1 电动机差动保护配置方案

1.1 保护装置布置

蜀山泵站主厂房总长125m，电机层直列布置8台立式同步机组，机组间距13m。设备控制楼布置在主厂房的左端， 8台同步电动机馈电开关柜布置在设备控制楼10kV配电装置室内，距离10kV配电装置室最远的为8#机组约185m，电动机保护装置装设在电动机馈电柜内。

1.2 差动保护装置比选

(1)常规纵联差动保护方案。常规纵联差动保护是一侧电流互感器装设在开关柜，另一侧电流互感器装设在电动机中性点侧，实现三相纵联差动保护需要6只电流互感器，两侧电流互感器型号相同，变比相同。其原理接线如图1所示。

图1 常规纵联差动保护原理接线图

电动机正常运行和外部故障下，电流互感器二次侧回路差电流为零，保护装置不会动作，当电动机发生内部故障时，差电流很大，保护装置动作。常规纵联差动保护对两侧电流互感器的参数一致性的匹配要求较高。

对蜀山泵站，电动机距电动机馈电柜较远，中性点侧电流互感器二次电缆较长，约185m，两侧电流互感器二次电缆电阻如表1所列。

表1 差动两侧电流互感器TA不同截面电缆的直流电阻

由表1可见，差动两端电流互感器的二次阻抗存在严重不匹配状态，中性点侧TA承载较大的电缆电阻负载，易使得其提前进入饱和，造成电动机差动保护起动时回路中有较大的不平衡电流，使保护误动作，可靠性降低。

为防止纵联差动保护在起动过程中的误动，常采取将制动特性的最小动作电流和制动特性斜率适当提高，这种措施降低了起动过程纵联差动保护灵敏度。

图2 磁平衡差动保护原理接线图

(2)磁平衡差动保护方案。为克服常规纵联差动保护缺点，可采用磁平衡差动保护。在电动机出口侧和中性点侧同名相加装一组磁平衡电流互感器，将电动机每相定子绕组始端和中性点端的引线分别进、出磁平衡电流互感器的环形铁心窗口一次，其二次绕组接磁平衡保护装置；保护仅需要3只自平衡电流互感器，如图2所示。

磁平衡差动保护在电动机正常运行或起动过程中，流入各相始端的电流与流入中性点端的电流为同一电流，对磁平衡电流互感器而言，相当互感器一次绕组电流为零，一次绕组处于磁平衡状态，二次侧不产生电流，保护不会动作，避免了两组TA之间的特性差异引起的不平衡电流，提高了差动保护的灵敏性和可靠性。当电动机内部发生相间短路或接地故障时，故障电流破坏了互感器的磁平衡，二次侧产生电流，当达到动作值时，保护动作跳电动机开关，切除电动机电源，达到保护电动机目的。

由于磁平衡差动保护电流互感器装设在电动机出线接线盒处，保护范围仅为电动机本体内部，需与装设在高压开关柜上电动机后备综合保护联合对供电电缆和电动机的故障进行保护。

(3)保护方案选择。对于蜀山泵站电动机与馈电开关柜保护装置距离较远，采用常规纵联差动保护，差动两端电流互感器的二次阻抗存在严重不匹配，饱和特性不一致，易引起保护误动作，可靠性差；常规纵联差动保护主要反应电动机内部相间短路故障，对单相接地短路故障不具有足够的灵敏度动作于跳闸。磁平衡差动保护动作可靠性高，不仅反应电动机内部相间短路故障，若电动机所接电网内电容电流足够大，还能反映内部单相接地短路故障。为确保水泵电动机安全运行，蜀山泵站电动机采用磁平衡差动保护。

2 磁平衡差动保护整定

2.1 磁平衡电流互感器参数确定

为使磁平衡差动保护发挥作用，选择合理的电流互感器参数，以确保最严重短路故障情况下不发生饱和，快速切除故障，减少故障范围。

电动机正常运行和起动情况下，流过电动机各相磁平衡电流互感器一次侧的不平衡电流为各相等效对地电容电流。电动机对地电容电流由式(1)计算：

(1)

其中,K为由绝缘材料确定的系数，K≈40，SrM为电动机额定容量8333kVA，UrM为电动机额定电压10kV，n为电动机转速125r/min。

经计算,电动机电容电流约为0.93A，不平衡电流很小；为满足误差精度要求，通常磁平衡电流互感器变比选用50/5A或50/1A；电流互感器二次电流选用1A，对于电缆距离较远的，二次负荷比较容易满足要求，故磁平衡电流互感器变比选用50/1A。泵站基本采用智能仪表和微机型保护装置，其功耗比较低，影响电流互感器二次负荷的主要是连接电缆的长度和截面，由于本站电动机距电动机馈电开关柜保护装置较远，TA额定容量选用10VA。3kV～35kV电流互感器准确限值系数按保证保护装置准确动作的原则选择，一般采用10P20。因此，磁平衡电流互感器选用的参数为：变比50/1A、额定容量10VA、准确限值系数10P20。

2.2 磁平衡差动保护整定

磁平衡差动保护可以反应电动机定子绕组的相间短路故障、接地短路故障，其整定原则为：①躲过磁平衡差动保护的最大不平衡电流；②躲过供电系统中其他线路或设备发生单相接地故障时，电动机各相提供的最大电容电流。则磁平衡差动保护的动作电流由式(2)计算：

(2)

其中，Kp.u为可靠系数取1.3，nTA为磁平衡电流互感器变比50/1A, COM为电动机相对地电容。

由于蜀山泵站10kVI、II段母线为分段运行，系统等效电容不足够大，当电动机内部发生单相接地时，磁平衡保护不能动作，需装设单相接地保护。

2 结束语

针对蜀山泵站主电动机距高压开关柜较远情况，在比较常规纵联差动保护和磁平衡纵差动保护的基础上，确定采用磁平衡差动保护。通过计算分析，合理选择磁平衡电流互感器参数以及保护整定值。从保护整定值看，比常规纵联差动保护灵敏度高，保护性能好。磁平衡纵差动保护和电动机后备综合保护联合对电动机及其供电电缆的故障进行保护，为电动机和泵站稳定、安全运行提供了可靠保障。