磁平衡差动保护在高压同步电动机上的应用

聂善峰

(中铝工业服务有限公司， 北京 102209)

0 引言

随着电动机制造技术的提高及工业的大规模发展，3 kV及以上电压等级的高压同步电动机在工厂中应用越来越多。在实际运行过程中这些电动机可能出现各种故障或不正常运行状态，归纳起来这些故障状态或不正常运行状态主要有以下几种类型[1]：

(1)高压同步电动机定子绕组内部的相间短路；

(2)高压同步电动机定子绕组内部的单相接地；

(3)高压同步电动机定子绕组过负荷；

(4)高压同步电动机运行过程中绕组及轴承过热；

(5)运行过程中因外部电网电压波动或故障等原因，导致高压同步电动机定子绕组低电压；

(6)高压同步电动机的失励磁与失步；

(7)高压同步电动机出现不正常的非同步冲击电流；

(8)因电动机内部断相或接线错误等原因导致高压同步电动机定子绕组三相电流不平衡；

(9)由于拖动的机械设备润滑等故障而导致高压同步电动机堵转；

(10)高压同步电动机电源电缆外部的故障等。

对于高压同步电动机引出线及绕组的相间短路故障，一般采用电流速断保护，用于容量小于2 MW以下的电动机，保护宜采用两相式。容量较小的电动机，也可采用一个继电器接于两相电流之差，但必须满足灵敏性要求。在正常配置的电流速断保护不能满足规范规定的灵敏度要求时，或当容量大于等于2 MW的电动机则应当装设差动保护装置(此时，电动机应为6个引出端子，即电动机有中性点引出端子)。保护装置可采用两相或三相接线形式并应无时限动作于跳闸。当高压同步电动机设置自动灭磁装置时，保护装置应自动灭磁。

本文仅对高压同步电动机的差动保护进行讨论。

1 差动保护的工作原理

利用基尔霍夫电流定理进行工作的电气设备保护一般称为差动保护。正常时流入一个封闭回路的电流和流出的电流应该相等，那么其流入和流出的电流差(差动电流)等于零，也就是把被保护的电气设备或元件看成是一个闭合区域，当被保护的设备出现不正常运行状态时，处于被保护区域内设备的电流的流入和流出是不相等的，理论分析证明，此时流入和流出的电流向量值之和的绝对值大于零。当实际检测出来的差动电流值大于差动保护装置的实际整定数值时，差动保护动作，并将被保护电气设备的电源侧断路器断开(当负荷侧安装断路器时需同时跳开)，发生故障的电气设备脱离电源。差动保护的保护范围是在两输入端电流互感器之间的电气设备，可以是电缆、母线或线路，也可以是发电机，同步或异电动机或变压器等电气设备。

2 高压同步电动机的差动保护

一般情况下，常设纵联差动保护来弥补大型电动机设置的电流速断保护保护灵敏度的不足的情况。在进行高压同电动机差动保护动作分析时，是以检测电动机末端电流(电动机中性点)为基础，并和始端电流(控制开关或者断路器出口)以矢量加减进行比较，如果两测量点的电流值相位和幅值都相同，差动保护不应动作。当有故障发生时，二者产生了偏差，保护功能将按设定的保护动作条件自动启动。为可靠的实现该保护功能，需要在出口端断路器及电动机中性点两处各安装一组同一型号的CT(图1中的1LH和2LH)，用来保证检测的电流数值变化的差别不大。从而确定差动保护参数。差动电流接线设置在电流互感器二次侧。两端CT连接以同相、同极性并联的方式，实现CT之间二次侧同极性相连，而保护用电流继电器接法则以并联的形式接入电流差后的保护电路中，可通过检测流过电流继电器线圈的电流并根据线圈中的电流幅值大小进行判定CT的二次侧电流变化值，此时电流继电器可反应两侧互感器的实际电流之差。为节约投资，在中性点不接地供电系统中电动机纵联差动保护也可以采用两相式接线，主要由上述差动继电器、电流互感器各两个元件构成。

由上可知，纵差保护是按照循环电流原理构成的，高压电动机的纵差保护同时要求电动机在正常运行和纵差保护区(纵差保护区为电流互感器1LH、2LH之间的范围)外故障时，流入差动继电器中的电流为零，保证纵差保护不动作。

图1 传统纵联差动保护接线原理图

磁平衡差动保护是自平衡差动保护，有的称为“小差动保护”，它是基于磁势平衡原理实现差动保护的一种方法。通常条件下，磁平衡差动保护由三个磁平衡电流互感器和三个对应的电流继电器组成。它与常规条件下差动保护用电流互感器在使用上有区别，常规电流互感器一次侧导线仅需一次穿过CT，而磁平衡电流互感器一次侧每相导体则需两次穿过CT(该CT请见图2中的TA1、TA2、TA3)。采用磁平衡电流互感器时，在电动机的接线箱处电源接线和中性点接线同样穿过对应的一组同相磁平衡CT，其同相绕组的两端一正一反(按电流流入电动机的方向)两次穿过磁平衡CT，在电动机正常运行时，按照基尔霍夫第一定律流入和流出的电流相互抵消，正常时磁平衡CT二次应无感应电流产生。当电动机运行过程中内部绕组发生短路等故障，则一正一反两次穿过磁平衡CT时，流入和流出电流产生的磁场不能相互抵消，磁平衡CT的二次侧将产生不平衡感应电流，当该感应电流达到设定的保护装置动作值时，差动保护装置将动作跳开控制开关(如断路器)。原理接线图如图1所示。

图2 磁平衡差动保护接线图

从图1可以很清晰的看出，磁平衡差动保护的组成是在电动机本体接线端子箱内的绕组出口与中性点侧同名相分别加装一组磁平衡电流互感器TA1、TA2、TA3，其二次绕组分别接至对应的保护装置(差动继电器)上形成完整的保护装置。

磁平衡电流互感器并不是装设在开关柜内，而是安装在电动机的接线箱内。电源电缆穿过该电流互感器后，电动机的星形尾端电缆回穿电流互感器后再短接形成中性点。

传统的纵联差动保护和磁平衡差动保护有以下不同点：

(1)传统的纵联差动保护装置需要6个电流互感器；对于磁平衡差动保护装置而言，仅需安装3个自平衡电流互感器。

(2)传统的纵联差动保护接线稍复杂，根据总平面设备配置，控制线路有时较长；而磁平衡差动保护因仅设置一组自平衡电流互感器，其接线相对较为简单。

(3)受电流互感器饱和特性的影响，传统应用的纵联差动保护，在实际应用中会出现误动的情况。特别是当电动机电源开关柜与电动机操作现场距离很远时，中性点侧CT要负担过多电缆阻抗负载，按电流互感器的磁饱和特性，这样会使得电流互感器过早进入磁饱和状态，从而不平衡差电流增大，保护装置可能会产生误动。从基本原理上看，磁平衡差动保护的灵敏度及抗干扰能力要比传统的纵联差动保护高出许多，保护动作的可靠性也就相对较高。

(4)传统的纵联差动保护往往要求两组电流互感器的输入输出性能完全一致，在性能存在差异时有可能会引起误动。且在大部分的工矿企业应用中，电动机电源开关柜距离所控制的电动机一般较远，这样的话，两种情况下均要求对控制电缆截面的要大，不经济；并且对于三角形接线时的电动机差动保护很难实现。

(5)磁平衡差动保护因为只有一组电流互感器，所以不存在两侧CT特性不一致的问题，也就不用比率制动来防止误动作了。此时的保护整定非常简单，就是一个纯粹的电流保护。

(6)磁平衡差动保护用的电流互感器一般安装在电动机的接线端子箱内，即电动机绕组出线处，其保护范围较小，仅仅是电动机本体的内部绕组故障；而传统的纵联差动保护用的电流互感器须为两组，一组电流互感器一般安装在配电用高压开关柜断路器的出口处，另一组电流互感器则安装在电动机绕组出线接线端子箱中性点处，可以将电源电缆可能出现的故障包含在保护范围内，该情况下保护范围相对较大一些。

高压同步电动机的磁平衡纵差保护可以灵敏反应定子绕组的相间短路故障(含定子绕组对另两相中性点短路)，但不能反应电动机内部同相定子绕组的匝间短路和定子绕组的断相故障，因此，就反应故障类型来说，与常规纵差保护无区别。在电动机启动、外部短路故障时高压电动机流向配电系统的反馈电流、外部短路故障切除后高压电动机自动启动过程中不会形成不平衡电流，这与常规纵差保护是有区别的。对外部单相接地故障，则有不大的不平衡电流。若电动机所在网络的电容电流足够大，磁平衡式差动保护还可以反应单相接地短路故障。

3 异步电动机磁平衡差动保护整定计算

3.1 条件1：按躲过外部单相接地短路时产生的不平衡电流

配电系统在正常运行时，根据基尔霍夫电流定律，TA仅能检测电动机绕组内部的很小的对地及相间电容电流。当电动机端子箱以外发生单相接地短路时，故障相电压为零，故障相的TA不能检测出电动机绕组对地正常的电容电流；在中性点不接地系统中，非故障相对地电压则升高为系统的线电压，此时非故障相的TA则能反映流过电动机绕组的对地及绕组间的电容电流。

Iset=KrelUrmωCp/nTA

(1)

式中Iset—磁平衡纵差保护整定值，A；

Cp—电动机单相绕组对地电容值，μF；

ω—电源角频率，ω=2πf；

UrM—电动机额定电压，kV；

Krel—可靠系数，取1.1～1.3；

nTA—零序电流互感器变比。

3.2 条件2：按躲过启动(堵转)时的不平衡电流

由于导体穿TA时不能完全一致，流人与流出TA的电流在TA中的因空间位置的不对称、电动机绕组的对地电容不一致和TA本体的铁芯磁路生产制造时不对称，在电动机启动和正常运行时，TA二次侧总能或多或少的检测到一定量的不平衡电流(ko)。通常情况下电动机正常运行时，TA的实测ko的值不大于0.5%的电动机额定运行电流。

因此，与传统的纵联差动保护一样，磁平衡差动保护整定时也必须躲过电动机启动(堵转)时的不平衡电流，即：

(2)

根据经验取

Iopk=(0.15～0.20)IrM/nTA

式中Krel—可靠系数，取1.5～2；

Iunbmax—电动机在启动过程中的最大不平衡电流，A；

Ker—电动机出线端子两侧磁不平衡误差，ko，取0.5%；

Kst—电动机的额定启动电流倍数(一般最大最大取Kst=7，也可根据高压电动机产品资料选择)；

IrM—电动机的额定工作电流，A；

nTA—选择的零序电流互感器变比。

一般情况下，按躲过电动机启动(堵转)时的不平衡电流计算的整定电流值，要比按躲过外部单相接地短路时的不平衡电流值大一些。参考文献或保护厂家所推荐的磁平衡差动保护设计整定值(一般提供的是一次侧电流值)都约为5%的电动机额定运行电流。

4 同步电动机磁平衡差动保护的整定计算

由电动机定子绕组中每相正序电容CMl、每相零序电容CM0所构成的磁平衡差动保护回路中的不平衡电流，其值为：

(3)

(4)

(5)

式中IunbA、IunbB、IunbC—磁平衡纵差保护的A、B、C相不平衡电流，A；

Iunb—磁平衡纵差保护的相不平衡电流，A；

Iop—保护动作电流，A；

Iopk—继电器动作电流，A；

CM1—定子绕组每相正序电容，μF；

CM0—定子绕组每相零序电容，μF；

ω—电源角频率，ω=2πf；

Krel—可靠系数，取1.1～1.3；

nTA—零序电流互感器变比。

5 同步电动机的单相接地电容电流

隐极同步电动机的电容电流：

(6)

式中SrM—电动机额定容量，MVA；

UrM—电动机额定电压，kV；

K—取决于绝缘等级的系数，当温度为15～20 ℃时，K=0.018 7。

凸极同步电动机的电容电流：

(7)

式中SrM—电动机额定容量，kVA；

UrM—电动机额定电压，V；

n—电动机转速，r/min：

K—取决于绝缘等级的系数，对于B级绝缘，当温度为25 ℃时，K≈40。

定子绕组每相零序电容(即对地电容)：

(8)

6 接地系统与磁平衡差动保护

因现有矿山设备随着矿山向大规模发展而大型化，矿山大量使用的交联聚乙烯电缆，6 kV或10 kV配电系统的电容电流也变的越来越大，按照现行国家标准和非金属矿山及有色矿山行业标准的要求，矿山企业配电系统的6 kV或10 kV系统的中性点接地方式一般推荐采用中性点不接地或中性点谐振接地方式，兼顾配电系运行及投资需求，也有企业采用中性点经高电阻或低电阻接地的形式。

6.1 中性点不接地系统

GB/T 50064—2014规定，不直接连接发电机的6 kV或10 kV系统，单相接地电容电流在不大于10 A时采用中性点不接地方式；当直接连接有发电机运行不要求瞬时切除发电机，且系统的单相接地电容电流限制为不大于4 A(6 kV)或3 A(10 kV)时，配电系统可采用中性点不接地方式。

在中性点不接地配电系统中，当电动机内部绕组发生单相接地故障时，接地点的单相接地电流为同一变压器供电全系统中另外两个正常相对地电容电流之和，此数值也是磁平衡差动保护电流互感器TA对应检出的一次电流值。

经验表明，6 kV或10 kV中性点不接地系统中，当系统单相接地电容电流大于8%的电动机额定运行电流时，磁平衡差动保护能够可靠的反映电动机单相接地短路故障。当单相接地故障不要求跳闸时，此时可将保护动作区间划分为两段进行整定，定值范围：一段为Iset≤Iop≤10 A，保护信号动作出口报警；另一段为Iop≥10 A，保护信号动作出口跳闸。

在系统单相接地电容电流不大于8%的电动机额定运行电流时，可忽略磁平衡差动对电动机的单相接地故障的保护，而由小电流选线等其他装置配合去完成电动机的单相接地故障保护，而磁平衡差动保护则被用来保护电动机相间、匝间短路故障。这样设置，既可保证电动机启动、正常运行，在电动机外部短路时，磁平衡差动保护均不误动；而电动机内部发生相间短路时，则能可靠动作于跳闸，满足实际运行工况的需求。

6.2 中性点谐振接地

按GB/T 50064—2014的规定，不直接连接发电机的6 kV或10 kV系统，当单相接地电容电流大于10 A时，又需要在接地故障条件下运行，可采用中性点谐振接地；当直接连接有发电机运行不要求瞬时切机时，并且单相接地电容电流大于4 A(6 kV)或3 A(10 kV)时，系统应采用中性点谐振接地。根据GB/T 50064—2014及SH/T 3060—2013等的要求，经消弧线圈补偿后，故障点残余电流应不大于5 A，当直接连接有发电机时应不大于4 A(6 kV)或3 A(10 kV)。

在系统单相接地电容电流不小于8%的电动机额定电流时，可按要求进行整定值计算。必须注意磁平衡差动保护与消弧线圈补偿应联动，即系统单相接地故障时，消弧线圈补偿装置经延时t1补偿；磁平衡差动保护装置信号瞬时动作出口报警(此时能够准确反映电动机具体哪一相发生了单相接地故障)，延时t2(t2>t1)动作出口跳闸，保证在电动机内部单相接地故障且失去消弧线圈补偿时，也能可靠跳闸。

在系统单相接地电容电流不大于8%的电动机额定运行电流时，磁平衡差动保护可以用来保护电动机相间短路故障。

7 电流互感器与磁平衡差动保护

多个现场运行经验总结表明，由于差动继电器两差动输入端的电流互感器暂态特性往往难以完全一致，在电动机起动或自起动过程中的传统纵差动保护常常导致不平衡电流增大，从而可能引起纵差动保护的误动作。因此，个别应用场合甚至考虑采用着重考虑瞬时性能的供保护用的互感器TP类暂态保护用电流互感器。对磁平衡式差动保护而言，则不会出现互感器的饱和而误动情况，一般电动机的保护并不需要过多的考虑其暂态特性，P类电流互感器即可满足工程要求。另外，基于利用磁平衡原理，磁平衡式电流互感器二次侧在断线也不会出现过电压现象，这些都是传统的电流纵差动保护无法实现的。

磁平衡式差动保护互感器的安装一般都采用电缆穿芯的结构形式，为了保证互感器的感应准确性，就要求在安装时一定要注意让两侧导线穿过一次侧线圈时尽量位于正中心。而将互感器直接安装在电动机本体上则更容易实现磁平衡式差动保护的接线，但这样的结构要求高压电动机的接线箱体积增大，对高压电动机的接线箱设计和制造带来了一定的困难。

8 高压电动机磁平衡差动保护应用举例

某矿山磨矿及分级车间有半自磨机和球磨机各2台。

半自磨机电机(型号：TMW2100- 30/2860)参数如下：

PrM=2 100 kW，UrM=10 kV，IrM=141.2 A，n=200 r/min，cosφ=0.9(超前)

球磨机电机(型号：TMW2700- 30/2860)参数如下：

PrM=2 700 kW，UrM=10 kV，IrM=181.3 A，n=200 r/min，cosφ=0.9(超前)

(1)对于球磨机电动机，凸极同步电动机

电动机电容电流：

定子绕组每相零序电容

磁平衡差动保护动作电流：

图3 磁平衡差动保护箱原理图

选用50/5 A，10P10级2 VA，Iopk=0.04 mA,最低值整定0.1 A。

(2)对于半自磨机电动机，凸极同步电动机

电动机电容电流：

定子绕组每相零序电容：

磁平衡差动保护动作电流：

选用50/5 A,10P10级2 VA，Iopk=0.03 mA,最低值整定0.1 A。

注：对于凸极同步电动机而言，按躲过不平衡电流整定比较安全。因为当差动整定值偏小时，有可能产生误动。电动机磁平衡保护整定值一般按电动机额定运行电流的10%～20%整定。

该磁平衡差动保护箱原理如图：

9 结语

本文研究分析了高压同步电动机采用磁平衡式电流互感器进行差动保护的原理及整定计算一般原则。并与传统意义上的纵联差动保护相比，阐述了其基本工作原理及性能特征及优缺点。对电动机正常运行、起动、以及区内外故障的电流分析，给出了磁平衡式差动保护的整定原则和一般的计算方法。研究结果表明，基于磁平衡式的工作原理，其差动保护能够可靠反应高压同步电动机内部的相间短路故障以及单相接地短路故障，并在保护区外故障以及起动过程中具有较高的可靠性。