三种电动机差动保护原理的分析
三种电动机差动保护原理的分析
摘要：国内常用比率制动式纵差保护以及国外运用广泛的高阻抗差动保护和磁平衡差动的保护，针对电动机差动保护经常误动得现状,分析这三种差动保护的优缺点以及误动的原因。
关键词：电动机差动保护 比率制动 高阻抗 磁平衡 误动
0 概述
微机型电动机保护广泛应用于发电厂和大型厂矿企业, 一般电动机都装设综合保护,火力发电厂厂用电设计技术规定上规定2MW及以上的电动机以及2MW以下中性点具有分相引线的电动机，当电流速断保护灵敏性不够时应装设纵联差动保护，作为电动机的相间短路或匝间短路的主保护。
1 基于比率制动的纵差保护的动作原理及分析
比率制动式纵差保护继电器的差动电流id和制动电流ires各为
id= i1- i2=（ 1- 2）/na
ires=（i1- i2）/2=（ 1+ 2）/2na
当差动保护区外短路时外部短路电流 k•ou为
1= 2= k•ou，id =0
随着外部短路电流 k•ou的增大，虽然不平衡电流和差动电流id均有所增加，但是制动电流ires随 k•ou的线性增大继电器的动作电流也就相应的增大，从而达到保护不误动的目的，保护动作的判据：
|I1-I2|≥Iset
|I1-I2|≥K|(I1+ I2)/2|
Iset为保护最小的动作电流，K为比率制动系数。
比率制动差动保护就是依靠动作电流和制动电流的动态变化，当两个判据同时满足使保护在区内故障灵敏动作。
接入差动保护的电流为设置在电动机三相电缆输入端（中压开关柜）及电动机的中性点的三组电流互感器二次三相电流，电动机差动保护由三个分相差动原件组成。由于用于电动机的差动保护CT空间安装位置不同，造成二次回路阻抗大小不一致CT有不同的传变特性，在电动机启动或者外部短路时，容易引起差动保护误动。所以比率制动差动保护引入比率制动系数K。在实际情况中可以给差动元件80~100ms的动作延时，以便躲过电动机启动时的不平衡电流，防止电动机启动时保护误动也可以在保护装置中增加谐波制动。
2 高阻抗差动保护的动作原理及分析
1) 正常运行时, I1 = I2 ,所以ij = i1 - i2 = 0。因此,继电器两端电压Uab = ij ×Rj = 0。Rj 为继电器内部阻抗。电流不流经继电器线圈,也不会产生电压,所以继电器不动作。
2) 由于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。当CT1 与CT2 特性存在差异或剩磁不同,如有一个CT 先饱和。假设CT2 先饱和,CT2 的励磁阻抗减小,二次电流i2 减小。由于ij = i1 - i2导致ij 上升,继电器两端电压Uab上升。这样又进一步使CT2 饱和,直至CT2 完全饱和时,CT2 的励磁阻抗几乎为零。继电器输入端仅承受i1 在CT2 的二次漏阻抗Z02和连接电缆电阻Rw 产生的压降。
Uab = ij ( Rw + Z02)
为了保证保护有较高的灵敏度及可靠性,就应使Uab减小,也就是要求CT 二次漏阻抗降低。这种情况下,继电器的整定值应大于Uab ,才能保证继电器不误动
3) 发生区内故障时，i1 = Id/ n ( n为CT1 电流互感器匝数比) ij = i1 - ie≈ i1 , Uab = ij×Rj≈ i1 Rj 此时电流流入继电器线圈,产生电压,检测出故障,继电器动作。由于CT1 二次电流i1可分为流向CT 励磁阻抗Zm 的电流ie 和流向继电器的电流ij 。因此,励磁阻抗Zm 越大,越能检测出更小的故障电流,保护的灵敏度就越高。
高阻抗差动保护的主要优点: ① 区外故障CT饱和时不易产生误动作; ②区内故障有较高的灵敏度。
高阻抗差动保护用的CT设计要点是:依据拐点电压及拐点电压下的励磁电流来确定铁芯尺寸。保证在区内故障时,CT 能提供足够的动作电压。
Uk ≥2US，Uk 为CT 的额定拐点电压，US 为保证不误动的电压值。CT的额定拐点电压也称饱和起始电压,此电压定义为额定频率正弦波电动势最小方均根值加于被测CT 二次绕组两端,一次绕组开路,测量励磁电流,当电压每增加10 %时,励磁电流的增加至但不大于50 %。
一般情况下高阻抗差动保护用CT励磁阻抗为几十千欧姆的数量级，如果匝数比的分散性很大,CT1和CT2的二次电流i1 和i2 不能互相抵消, 该差值电流ij流经继电器线圈,即成为产生误动作的原因。英国标准中匝数比误差规定为±0. 25 %，匝数较大CT容易满足该规定并且能保证保护不发生误动作，匝数较小CT即使满足该规定,在电动机启动时的差电压也较大,足以造成保护误动作。
为了避免保护误动，用于该保护的CT要求励磁阻抗高、二次漏抗低和匝数比误差小而且CT铁芯尺寸要依据拐点电压及拐点电压下的励磁电流来确定。对于高阻抗差动保护用CT的特性在实际选用时应采用同一厂家,同一批产品中特性相近、匝数比相同的CT。
3磁平衡式差动保护的动作原理及分析
根据磁平衡原理，同相首尾一次电流经串芯电流互感器后，差动电流中不存在因TA误差原因产生的差电流。在电动机正常运行或外部短路时，各相始端和终端电流一进一出，互感器一次安匝为零，不平衡电流几乎为零。保护不动作。磁平衡差动保护三相接线时，电动机每相绕组的始端（机端）和终端（中性侧）引线分别入、出磁平衡电流互感器TA的环形铁芯窗口一次。
在电动机没有发生相间短路的情况下，由于每相只用1 只电流互感器, 不存在纵差保护中2 只电流互感器负载不平衡的问题, 不平衡电流仅由反向穿过电流互感器的电流产生的漏磁通之差产生, 因此很小, 正常运行时小于0.005倍电动机额定电流。依靠互感器一次励磁安匝的磁平衡，彻底根除电动机自启动和外部故障短路暂态过程中的误动作，而且简化保护整定。由于磁平衡的原理，电流互感器二次侧短线也不会产生过电压现象。
磁平衡式电动机差动保护的保护范围不包括电动机与开关柜之间的高压电缆，对于非直接接地系统的电缆网络供电时的电动机内部发生单相接地故障时，故障电流仅是电缆网络的电容电流，要保证继电器与CT的负载匹配，以求在电机绕组单相接地时能有灵敏反应。
4 结论
从上文分析中可以看出不管基于何种原理的电动机差动保护,由于存在不平衡电流引起差动保护误动。CT选型、合理的选择二次负载,优化保护整定值,对电动机差动保护正确动作有至关重要的作用。但是我们应看到基于磁平衡原理的差动保护在电动机启动以及外部故障，能够完善的避免保护误动作。但是目前由于制造原因, 国内生产的电动机一般不装置磁平衡保护所用的电流互感器, 导致磁平衡电动机差动保护没有引起足够的重视,现在国内南瑞、东大金智的数字式电动机保护均有磁平衡式电动机差动保护功能，在电动稳定运行要求较高的场合，电动机结构能满足装设磁平衡电流互感器的条件下，考虑到磁平衡差动保护较简单可靠，应加以运用。
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。