引黃工程同步電機差動保護動作解析

徐東文

(山西省萬家寨引黃工程管理局，太原 030012)

引黃工程同步電機差動保護動作解析

徐東文

(山西省萬家寨引黃工程管理局，太原 030012)

介紹引黃工程同步電動機所用SR469電動機管理繼電器縱差保護近年來頻繁誤動作的情況，從縱差保護所用CT、二次接線、定值調(diào)整、保護配置和繼電器升級等五個方面分析了保護誤動作原因并提出了改進方案。

同步電機；差動保護；引黃工程

1 系統(tǒng)配置

1.1 主接線情況

引黃工程五級提水泵站均采用110 kV雙回線供電，電源均引自220 kV方城站，南干線兩座泵站一次系統(tǒng)配置完全相同，引黃工程南干線單站(SM1站)主接線如圖1所示。引黃工程南干線SM1和SM2兩座泵站 (兩站系統(tǒng)配置完全相同)與電源站之間為三端網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，圖中ET4～6為三臺機組的勵磁變壓器。正常運行時，SM1站110 kV母聯(lián)開關150與10 kV母聯(lián)開關550均在合位，系統(tǒng)處于合環(huán)運行狀態(tài)。

1.2 主要保護配置情況

南一泵站主機的主保護裝置采用的是電動機專用保護繼電器SR469，其縱聯(lián)差動保護 (87)和零序差動 (87G)，采用電流平衡原理，保護范圍為高壓開關柜至同步電動機中性點；后備保護采用的為N系列過流繼電器，串接在零序差動電流回路中。測量用CT和母線PT信號經(jīng)另外的回路接入了SR469繼電器，用于低功率、低電流、低電壓等保護

圖1 南干線單站主接線示意圖

南一泵站主機縱差和零差保護高壓開關柜處所用CT為同體雙二次繞組CT，其結(jié)構(gòu)見圖2。其中二次主繞組作為縱差開關柜處CT繞組 (S1，S2)，二次副繞組為零差開關柜處CT繞組 (g，h)。該CT為日本RISHO KOGYO公司制造，經(jīng)詢問國內(nèi)相關CT制造廠商，均未生產(chǎn)過類似產(chǎn)品，對其進行試驗，證明其縱差及零差所用電流互感器繞組繞在同一個鐵芯上，兩繞組之間通過磁路相互影響，并遵守磁鏈平衡原理，即一次側(cè)的安匝數(shù)等于二次側(cè)兩組繞組的安匝數(shù)之和。

圖2 同體雙二次繞組CT結(jié)構(gòu)圖

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

自2010年以來，引黃工程的供水任務迅速增長，輸水沿線各級泵站以雙機并列運行為主，因開展機組大修等任務，導致機組投退操作較為頻繁。期間，因啟動熱備機組 (變頻啟動方式)而導致在運行的機組差動保護動作的現(xiàn)象時有發(fā)生。

故障現(xiàn)象為當單臺機組定速運行時，在用通過變頻方式啟動同母線另外1臺熱備用機組啟動過程中，正在定速運行機組保護SR469可能出現(xiàn)縱差動保護動作信號 (87)，導致正在運行的機組跳閘。

每次縱差保護動作后，都會對差動二次回路及SR469繼電器進行仔細檢查和校驗，但每次均無法檢查到確切的故障原因。但查看SR469繼電器中所錄的故障波形和事件記錄，表明保護裝置確實監(jiān)測到差流產(chǎn)生。本次故障波形較為典型。當時系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)故障，而機組保護SR469中出現(xiàn)了差流且導致保護動作，從CT配置、保護接線形式、保護定值、零差保護等方式進行了保護誤動原因分析。

2.2 原因分析

2.2.1 CT配置

機組縱差兩側(cè)使用的CT型號不相同，這與國內(nèi)發(fā)電機縱差保護配置要求兩側(cè)CT同型號、同參數(shù)不符?？v差保護兩側(cè)使用不同型號CT將導致在較大穿越電流情況下出現(xiàn)較大的差電流。

此外，國內(nèi)不同保護原理 (如差動保護與零序保護)一般使用不同的CT繞組，而SR469繼電器卻使用了在同一鐵芯上的兩個繞組，造成不同原理保護用CT間存在電磁耦合，二次電流不能正確反映一次電流。這是導致SR469繼電器誤動作的主要原因之一。

由于零序差動保護與縱差保護兩個CT繞組之間存在磁鏈關聯(lián)，雖然零序繞組可以靈敏監(jiān)測到零序電流，但由于縱差保護接線不完整，一次側(cè)的穿越性擾動電流會在縱差回路中產(chǎn)生差流?？v差保護兩側(cè)CT配置不同是導致縱差誤動作的主要原因之一。

2.2.2 接線形式

繼電器二次接與標準接線方式以及國內(nèi)縱差保護接線方式不同，即縱差兩端CT的二次中線點未連接在一起。標準接線方式和國內(nèi)電機縱差常用接線方式相同，如圖3所示 (圖中的電機中性點未接地)。

CT1的S1，S2繞組僅能傳變正序與負序電流(二次回路的中性點斷開，無零序電流通路)，而零序電流則需通同鐵芯的CT1的g，h繞組流通，下端CT2的S1，S2繞組既可傳變正序與負序電流，也可傳變零序電流，這將造成電機流過零序電流時縱差保護中將產(chǎn)生差流，極可能造成保護誤動。圖2中電機兩側(cè)CT1和CT2均可以傳變正序、負序與零序電流，電機中出現(xiàn)零序電流時縱差保護中理論上不會產(chǎn)生差流，因此保護不會誤動。為此，對CT接線進行了實際測試見圖3。

圖3 SR469縱差保護接線圖

2.2.3 接線試驗

1)按照現(xiàn)場縱差保護二次接線圖，用6個變比為40/1的CT來替代電動機進線側(cè)和出線側(cè)的差動回路CT，將CT二次線接入電動機保護裝置SR469差動回路。

2)進線側(cè)CT采用星形接法，三相電流線接入保護裝置，而中性線N點懸空，不接入保護裝置；出線側(cè)CT也采用星形接法，三相電流線和N線都接入保護裝置。

3)使用繼電保護測試儀P30作為電源，電流輸出線穿過CT的一次側(cè)并通過小電阻接通，以試驗較大的負載電流。試驗中，繼電保護測試儀輸出相位、相數(shù)、大小均可調(diào)的三相電流，模擬實際電動機的負載電流。

圖4 SR469差動保護實驗室接線圖

2.2.4 試驗步驟和試驗數(shù)據(jù)

鑒于實際CT變比為1 200/1，試驗時CT變比為40/1，可以認為試驗時加一次側(cè)電流相當于現(xiàn)場電流30倍，即一次側(cè)加1 A電流，相當于泵站現(xiàn)場一次側(cè)加30 A電流。差流回路的讀數(shù)，采用SR469自帶的測量功能，直接調(diào)取測量讀數(shù)讀取。

1)CT一次側(cè)加入三相平衡電流，即三相電流大小相等，相差120°，保護裝置的差流顯示為0，保護裝置不會動作，與前述分析一致。

2)一次側(cè)某一相加入大的穿越電流模擬區(qū)外單相接地故障，此時試驗結(jié)果如表1所示：

表1 一次側(cè)某一相加入大的穿越電流時差流讀數(shù)

可見當被保護區(qū)域外發(fā)生單相接地時，故障電流通過電動機兩側(cè)CT，由于上側(cè)CT不能傳變一次系統(tǒng)零序電流，而下側(cè)CT能夠正確傳變一次系統(tǒng)零序電流，造成保護裝置三相都會有差電流出現(xiàn)。即區(qū)間外單相故障時，會導致裝置誤動。

表2 一次側(cè)加入三相不平衡電流時差流讀數(shù)

可見在一次側(cè)出現(xiàn)三相不平衡電流時，二次回路中三相都會出現(xiàn)差電流，當三相電流的的幅值和相角發(fā)生變化時，差動電流會增加或減少，說明此種接線在三相電流不平衡時會有差電流流入保護裝置。電機運行中如果某時刻一次側(cè)瞬間有較大三相不平衡或諧波電流出現(xiàn)，都會有較大的差電流流入SR469的差流檢測回路，會造成保護裝置在被保護區(qū)間內(nèi)沒有故障的情況下發(fā)生誤動。

4)一次側(cè)加入保護區(qū)間內(nèi)單相故障電流，可見當被保護區(qū)間內(nèi)一次側(cè)發(fā)生單相接地故障時，故障電流較大，保護裝置顯示三相都會有差電流出現(xiàn)，且測量所得故障量與實際故障量相差較大。試驗數(shù)據(jù)表明被保護區(qū)間內(nèi)單相有故障電流時，會在保護裝置其它兩相中產(chǎn)生差電流。

5)將差動保護二次回路的兩側(cè)CT的N線都接入SR469裝置，進行再試驗，試驗數(shù)據(jù)表明此時保護裝置能正確反映故障相別及其故障量的大小。

由試驗 (2)、(3)、(4)可知，圖2接線形式無法正確反映含有零序穿越故障電流，以及區(qū)內(nèi)故障零序電流。

泵站在變頻啟動機組時，由于諧波電流或母線電壓波動引起正在的運行機組的電流發(fā)生波動，因縱差保護接線不完整，導致差流檢測回路中產(chǎn)生差流，這是導致機組縱差保護誤動作的原因之二。

因為上述優(yōu)化問題試圖盡量減小需要的緩沖器的數(shù)量，而許多緩沖器調(diào)整次數(shù)很少甚至沒有調(diào)整.如圖5所示，其中節(jié)點代表了緩沖器，連接線代表了觸發(fā)器之間的邏輯連接.

2.2.5 定值

目前國內(nèi)大型電動機通常配置有比例制動縱聯(lián)差動保護，縱差啟動值設定時應能躲過電動機起動時的最大不平衡電流，按經(jīng)驗公式，電動機縱差保護最小動作電流Iset(或稱為啟動電流)按照如下公式選取：

式中 Iset——最小動作電流 (A)；

IM.N——電動機一次額定電流；

IN——電動機二次額定電流；

nTA——電流互感器變比。

引黃工程在用SR469保護裝置為簡單差動保護，不具備比例制動特性，且從表2可知，其縱差保護定值僅為0.1IN，與上面經(jīng)驗公式 (1-1)推薦的0.3～0.5IN相差較大。

另因泵站同步電機啟動方式采用變頻啟動，變頻啟動時10 kV母線上將會有較大諧波電流產(chǎn)生，該諧波電流也會流入正在運行的機組。查閱歷次SR469縱差保護動作信息，可知繼電器差動保護動作時檢測到的故障電流均在0.1～0.3IN之間 (例如表3數(shù)值)，說明繼電器躲過10 kV母線諧波擾動電流的能力較差，定值需要重新核算。

2.2.6 差動保護配置

引黃工程機組配置有零序差動保護 (SR469)和零序反時限過流保護 (N系列過流繼電器)兩套原理不同的零序保護裝置，且機端零序差動CT與相差保護CT共用一個鐵芯，且機端零序差動CT二次繞組為少有的串聯(lián)接法。雖然串聯(lián)接法的CT二次側(cè)只能流過零序電流 (I0)，但仍存在兩側(cè)零序CT特性差異導致零序差動保護誤動作的可能。

國內(nèi)外資料未見大中型電動機配置有零序差動保護，通常僅配置有零序過流保護，且定值一般按100 A的單相接地電流來核算?，F(xiàn)場所配零序反時限過流保護的啟動值為0.1倍CT二次側(cè)電流 (30 A)，其保護靈敏度100/30=3.3大于規(guī)范要求的靈敏系數(shù)2，已基本滿足機組運行需要。

綜合上述兩點分析，零序過流保護作為后備保護已基本能滿足機組運行安全，而可靠性較差的零序差動保護功能則可以退出。

3 應對措施

1)拆除零差CT回路：由試驗可知，現(xiàn)場所用雙二次繞組CT兩個二次繞組經(jīng)磁鏈關聯(lián)，為消除零差用CT繞組對相差CT繞組的干擾，決定將零差繞組開路，這樣雙二次繞組CT就變?yōu)楹唵蔚膯味卫@組CT，可正確傳變正序、負序、零序電流。

2)修改接線：鑒于現(xiàn)場縱差保護接線形式與國內(nèi)通用的保護接線形式不同，最后決定參考GE公司推薦的接線形式，將兩側(cè)CT中性點用導線進行連接，恢復兩邊的完全星形接法。

3)定值修改：根據(jù)經(jīng)驗公式 (1)，決定取縱差保護定值為0.3IN，并以單機為試點，對縱差保護定值進行調(diào)整。

4)退出零差保護：現(xiàn)有零序過流保護已基本能滿足靈敏性要求，決定退出同樣作為后備保護的零序差動可，并拆除相應的二次接線。

5)升級保護裝置：由于現(xiàn)用SR469繼電器的差動保護功能無比率制動和諧波制動特性，未來在設備升級改造時，可考慮統(tǒng)一升級為帶比率制動和諧波制動特性的電動機差動保護繼電器。

4 結(jié)束語

采取上述措施后，泵站機組穩(wěn)定運行至今，特別是修改定值的試驗機組再未報差動保護動作故障，試驗初步取得成功，這也直接驗證了現(xiàn)場接線方式存在問題以及保護定值偏小。這一試驗對其余機組進行保護配置及定值調(diào)整，在保證縱差保護的可靠性前提下不降低其靈敏度，保證機組穩(wěn)定運行具有重要參考意義。

[1] 孫孜平，盧克剛，高春如，等.高壓電動機綜合保護整定計算的探討 [J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(24)：48 -52.

[2] 何友全.高壓大功率同步電動機的保護問題 [J].高壓電器，2000，36(4)：55-56

[3] 董新龍，樓天明，賈國樑.高壓大功率電動機繼電保護系統(tǒng)參數(shù)計算及整定 [J].浙江冶金，2013(4)：1-3.

[4] 張宏樂，李亮.高壓同步電機微機綜合保護裝置參數(shù)整定[J].電工技術，2011(7)：63-64，66.

Analysis of the Causes of Frequent False Activation of Synchronous Motor Differential Protection，Wanjiazhai YRDP＆Improving Measures

XU Dongwen
(Shanxi Wanjiazhai Yellow River Diversion Project Administrative Bureau，Taiyuan，030012，China)

This paper mainly focuses on the frequent mis-operation of differential protection of SR469 motor management relay which is used for synchronous motor，Wanjiazhai YRDP.Analysis is done from 5 aspects.Firstly，from the longitudinal CT used；secondly，from the wiring of secondary circuit；thirdly，from relay setting；fourthly，from the protection configuration and lastly from the relay upgrading.Improving measures are presented based on the analysis done.

synchronous motor；differential protection；YRDP

TV73

B

1006-7345(2014)06-0124-04

2014-07-24

徐東文 (1976)，男，助理工程師，山西省萬家寨引黃工程管理局，從事繼電保護、自動控制研究與技術管理工作 (email)xudongwen＠hotmail.com。