淺談電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)基本原理及事故處理應(yīng)用

劉 哲，閆順康，陳毅航

（國網(wǎng)新源電力檢修分公司，北京市 100068）

淺談電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)基本原理及事故處理應(yīng)用

劉 哲，閆順康，陳毅航

（國網(wǎng)新源電力檢修分公司，北京市 100068）

本文主要介紹了電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)基本原理與邏輯，并以此分析解決某電廠高壓廠用電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題，解決問題方法較新穎實(shí)用，此方法可推廣至發(fā)電機(jī)保護(hù)類似事故處理，為以后事故分析積累了經(jīng)驗(yàn)。

差動(dòng)保護(hù)；保護(hù)邏輯；故障錄波器；事故處理

0 引言

差動(dòng)保護(hù)是反映被保護(hù)元件（或區(qū)域）兩側(cè)電流差而動(dòng)作的保護(hù)裝置，差動(dòng)保護(hù)作為被保護(hù)元器件的內(nèi)部故障的保護(hù)，電流互感器安裝在被保護(hù)設(shè)備的兩側(cè)，在正?；蛲獠堪l(fā)生故障時(shí)，流入差動(dòng)保護(hù)的電流為不平衡電流，在適當(dāng)選擇好兩側(cè)電流互感器的變比和接線方式下，該不平衡電流值很小，并小于差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流，故保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，被保護(hù)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，流入差動(dòng)保護(hù)裝置的電流大于差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作于跳閘。差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單，使用電氣量單純，保護(hù)范圍明確，保護(hù)動(dòng)作迅速，一直作為變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、線路及母差等設(shè)備的主保護(hù)。由于變壓器差動(dòng)保護(hù)涉及到不同接線方式及變比，掌握起來難點(diǎn)較多，故大家接觸較多并比較重視，而發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)涉及不到接線方式，并且兩端變比大多數(shù)情況下一樣，該保護(hù)較容易理解與掌握大家深究較少，而筆者正是根據(jù)電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理與邏輯巧妙的解決了一起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問題，下面結(jié)合某電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理與邏輯將事故經(jīng)過與解決方法進(jìn)行闡述。

1 事故初步處理經(jīng)過

2014年2月20日17時(shí)23分某發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組6kV一臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)跳閘。就地檢查為6kV綜合保護(hù)裝置C相差動(dòng)保護(hù)跳閘，針對(duì)此次保護(hù)跳閘電氣一次人員檢查一次設(shè)備未發(fā)現(xiàn)異常，電氣二次人員對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行全面檢查也未發(fā)現(xiàn)事故原因，詳細(xì)事故檢查經(jīng)過及處理經(jīng)過如下：

檢查監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，監(jiān)控系統(tǒng)顯示為該電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)C相動(dòng)作。到該電動(dòng)機(jī)現(xiàn)地保護(hù)柜處檢查，差動(dòng)保護(hù)裝置事故報(bào)告為C相比率差動(dòng)動(dòng)作，三相差流分別為DIa=0.04A、DIb=0.09A、DIc=1.76A，制動(dòng)電流HIc=1.54A，差動(dòng)保護(hù)定值為Icd=1.3A，額定值Ie=3.8A，一段比率制動(dòng)系數(shù)為0.5，其中C相差流DIc為1.76A超過保護(hù)定值，滿足保護(hù)跳閘判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)過上面檢查可以確定該電動(dòng)機(jī)跳閘因?yàn)椴顒?dòng)保護(hù)裝置出口動(dòng)作引起的，從而對(duì)保護(hù)裝置及二次回路進(jìn)行了全面檢查。

為了判斷是否因?yàn)門A二次回路問題引起差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，在保護(hù)柜端子排上打開TA連片后分別對(duì)中性點(diǎn)和開關(guān)側(cè)兩組TA二次回路直阻進(jìn)行了檢查，經(jīng)檢查兩組TA二次回路直阻數(shù)值平衡，回路直阻正常，數(shù)據(jù)見表1。檢查差動(dòng)保護(hù)電流二次回路中性線接地情況滿足規(guī)程要求，斷開二次回路中性點(diǎn)接地線后用500V絕緣電阻表分別對(duì)兩組TA二次電流回路進(jìn)行檢查，絕緣情況良好，未發(fā)現(xiàn)異常。

表1 TA二次回路直阻

進(jìn)一步對(duì)該差動(dòng)保護(hù)抗干擾情況進(jìn)行了檢查，檢查該保護(hù)裝置外殼接地線良好，檢查保護(hù)裝置機(jī)殼對(duì)地電壓為0.01V，保護(hù)裝置外殼接地情況無異常。

對(duì)保護(hù)裝置工作電壓、操作電壓及電源模塊進(jìn)行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，打開保護(hù)裝置檢查CPU板與控制板，各板件干凈整潔無開焊、燒毀與松動(dòng)現(xiàn)象。

檢查完二次回路后對(duì)該差動(dòng)保護(hù)裝置進(jìn)行了保護(hù)校驗(yàn)，首先對(duì)保護(hù)采樣進(jìn)行檢查，各路電流采樣均正常，然后差動(dòng)保護(hù)各相啟動(dòng)值、比率制動(dòng)系數(shù)及差動(dòng)速斷定值進(jìn)行了詳細(xì)的校驗(yàn)，保護(hù)裝置均能正常準(zhǔn)確動(dòng)作未發(fā)現(xiàn)異常。

經(jīng)過上面對(duì)二次回路與保護(hù)裝置全面檢查未發(fā)現(xiàn)事故跳閘的原因，同時(shí)電氣一次檢查一次電纜絕緣、電動(dòng)機(jī)絕緣及電動(dòng)機(jī)三相直阻也未發(fā)現(xiàn)異常，該電動(dòng)機(jī)于2月20日21：20投入運(yùn)行，投運(yùn)后檢查差動(dòng)保護(hù)裝置采樣正常。2月21日 22：32：45該差動(dòng)保護(hù)C相再次動(dòng)作（第二次），三相差流分別為DIa=0.04A、DIb=0.07A、DIc=1.32A，制動(dòng)電流HIc=1.68A，滿足保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。針對(duì)此次跳閘采取故障逐項(xiàng)排除的方法，申請(qǐng)?jiān)撾妱?dòng)機(jī)停運(yùn)后，更換差動(dòng)保護(hù)中性點(diǎn)到6kV開關(guān)端子排電纜，更換6kV開關(guān)側(cè)TA出線到端子排電纜，更換后檢查TA二次回路直阻、絕緣情況良好。2月22日13時(shí)將該電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行，此時(shí)為了防止差動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)而將差動(dòng)保護(hù)跳閘線解除，該電動(dòng)機(jī)后備保護(hù)正常投入，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后記錄各相電流采樣、差值及相角均正常。2月22日14：10：59該差動(dòng)保護(hù)C相再次動(dòng)作（第三次），三相差流分別為DIa=0.01A、DIb=0.14A、DIc=2.05A，制動(dòng)電流HIc=1.56A，滿足保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。因事先將差動(dòng)保護(hù)跳閘出口線解除未造成該電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

至此，該電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)連續(xù)跳閘3次，從保護(hù)動(dòng)作報(bào)告來看屬于正常動(dòng)作，后備保護(hù)無異常反應(yīng)（無異常啟動(dòng)），但對(duì)差動(dòng)保護(hù)交流采樣、定值校驗(yàn)、二次回路直阻、二次回路絕緣及干擾等方面檢查也沒發(fā)現(xiàn)異常，檢查保護(hù)電路板件，電路板干凈整潔無燒壞、開焊、松動(dòng)現(xiàn)象，更換TA兩組二次電纜后保護(hù)也動(dòng)作（同樣是差動(dòng)保護(hù)C相動(dòng)作），排除二次回路問題后，問題只有可能出現(xiàn)在保護(hù)裝置或者電氣一次設(shè)備上，由于電氣一次設(shè)備檢查絕緣、直阻及運(yùn)行中紅外測(cè)溫均未發(fā)現(xiàn)異常，電氣一次設(shè)備難以再進(jìn)一步排除問題，只能從保護(hù)裝置處入手。如果是保護(hù)裝置存在問題則是軟故障，這種故障發(fā)生后又返回難以捕捉，處理起來后難度較大，為此對(duì)該保護(hù)裝置原理與邏輯進(jìn)一步研究。

2 微機(jī)電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)基本概念

隨著科學(xué)技術(shù)的基本，現(xiàn)在模擬式保護(hù)裝置基本被微機(jī)保護(hù)裝置所取代，并且微機(jī)保護(hù)裝置在可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面均具有很大優(yōu)勢(shì)，保護(hù)原理除在繼承原來模擬式保護(hù)裝置原理外，微機(jī)保護(hù)更具有靈活性，如原來模擬式差動(dòng)保護(hù)對(duì)電流互感器極性有明確規(guī)定，即規(guī)定以被保護(hù)設(shè)備故障時(shí)流向故障點(diǎn)方向端為極性端，微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置則沒有此硬性要求，部分裝置可根據(jù)TA實(shí)際極性情況改變內(nèi)部極性控制字來實(shí)現(xiàn)，在差動(dòng)電流、制動(dòng)電流計(jì)算方法上根據(jù)極性端不同也有不同算法，但在可靠性、靈敏性方面基本一致的。為了理解后面處理方法，以該保護(hù)裝置技術(shù)說明書為基礎(chǔ)將電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)幾個(gè)基本概念與邏輯簡(jiǎn)單介紹一下。

2.1 差動(dòng)啟動(dòng)元件

微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置差動(dòng)速斷與比率差動(dòng)一般采用突變量啟動(dòng)元件和過流啟動(dòng)元件，當(dāng)差動(dòng)電流發(fā)生突變或者差動(dòng)電流的最大值大于相應(yīng)過流定值時(shí)，啟動(dòng)元件動(dòng)作并開放差動(dòng)保護(hù)一段時(shí)間。

2.2 差動(dòng)電流制動(dòng)電流計(jì)算公式

不同原理微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置在計(jì)算差動(dòng)電流與制動(dòng)電流時(shí)不盡相同，保護(hù)裝置規(guī)定的接入保護(hù)極性對(duì)算法也有一定影響，該保護(hù)按照同名端在一側(cè)的原則進(jìn)行差動(dòng)電流的計(jì)算，即為兩側(cè)電流矢量和，見公式（1），制動(dòng)電流按照兩側(cè)電流和的一半計(jì)算，見公式（2）。

2.3 差動(dòng)速斷保護(hù)

差動(dòng)速斷保護(hù)沒有制動(dòng)特性，實(shí)質(zhì)上是差流越限的高定值保護(hù)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重短路故障時(shí)，為了迅速啟動(dòng)保護(hù)而設(shè)置了此功能，該保護(hù)動(dòng)作邏輯圖見圖1。保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為見公式（3）。

保護(hù)動(dòng)作判據(jù)：

式中：Icdsd——差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作電流整定值。

圖1 差動(dòng)速斷邏輯圖

2.4 比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)

比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)既能在外部短路時(shí)有可靠的制動(dòng)作用，又能在內(nèi)部短路時(shí)有較高的靈敏度，有的微機(jī)差動(dòng)保護(hù)采用兩折線制動(dòng)原理，有的采用三折線制動(dòng)原理。該電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)采用三折線比率差動(dòng)原理，其動(dòng)作曲線見圖2。

圖2 比率制動(dòng)動(dòng)作曲線

三折線電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)如下：

式中：Icdqd——比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流整定值；

Ie——電動(dòng)機(jī)運(yùn)行額定電流二次值。

2.5 TA斷線閉鎖差動(dòng)保護(hù)

為防止因TA斷線引起比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，現(xiàn)在微機(jī)差動(dòng)保護(hù)基本都有TA斷線瞬時(shí)閉鎖差動(dòng)保護(hù)、TA斷線告警功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況選擇投入TA斷線閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能，或者是TA斷線后讓差動(dòng)保護(hù)跳閘，該電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)具有TA斷線閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能，并投入了運(yùn)行。

3 事故進(jìn)一步分析處理

經(jīng)過對(duì)電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的原理與邏輯進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)微機(jī)式電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)與變壓器差動(dòng)保護(hù)在分析處理電流采樣上面有所不同，由于現(xiàn)在微機(jī)變壓器差動(dòng)保護(hù)TA二次回路普遍采用星型接線方式，由此接線導(dǎo)致的幅值、相位差均由保護(hù)內(nèi)部換算修正，根據(jù)接線方式不同在內(nèi)部換算時(shí)存在某相電流由另外兩相電流折算而來的情況，故變壓器差動(dòng)保護(hù)對(duì)三相相序有嚴(yán)格要求，而電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)內(nèi)部處理采樣時(shí)是三相分別單獨(dú)比較，不需要折算，直接一側(cè)A相對(duì)另一側(cè)a相，B相對(duì)b相，C相對(duì)c相進(jìn)行比較，對(duì)三相電流相序沒有要求，根據(jù)此原理借助錄波器對(duì)差動(dòng)保護(hù)裝置進(jìn)行了進(jìn)一步檢查。

為了分清是保護(hù)裝置問題還是一次設(shè)備問題，將差動(dòng)保護(hù)裝置6路TA在端子排處封死，分別將中性點(diǎn)、開關(guān)側(cè)TA的B、C相交換位置，即實(shí)際二次回路的B相電流進(jìn)保護(hù)裝置的C相采樣回路，實(shí)際二次回路的C相電流進(jìn)保護(hù)裝置的B相采樣回路，見換線后接線示意圖3。

圖3 換線差動(dòng)保護(hù)接線示意圖

后備保護(hù)回路未變，仍正常相序運(yùn)行。同時(shí)將實(shí)際回路B相二次電流（即差動(dòng)保護(hù)裝置C相電流采樣回路）中性點(diǎn)側(cè)與開關(guān)側(cè)分別接入錄波器的通道2與錄波器的通道3，將差動(dòng)保護(hù)裝置跳閘出口引入錄波器的通道1并將該量發(fā)生變化作為錄波器的起動(dòng)量。2月22日上午11：41將該電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行，此時(shí)后備保護(hù)正常投入，差動(dòng)保護(hù)跳閘回路繼續(xù)解除。2月23日2：23：54該差動(dòng)保護(hù)再次動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作報(bào)告為比率差動(dòng)保護(hù)C相跳閘，三相差流分別為DIa=0.01A、DIb=0.2A、DIc=2.00A，制動(dòng)電流HIc=1.74A，滿足保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，錄波器錄波圖見圖4。

從錄波圖上分析發(fā)現(xiàn)錄波器通道一保護(hù)跳閘出口時(shí)間保持67.6ms后返回，在保護(hù)動(dòng)作出口前后通道2與通道3電流波形無電流突變與波動(dòng)，兩個(gè)通道電流基本重疊故無差動(dòng)電流，而此時(shí)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告顯示C相差流為2A，保護(hù)動(dòng)作后瞬間返回。

圖4 保護(hù)跳閘錄波圖

2月23日下午該保護(hù)廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)來檢查，廠家技術(shù)人員通過專用軟件調(diào)取保護(hù)裝置本身故障時(shí)跳閘波形，但保護(hù)裝置沒有任何記錄，隨即廠家人員做TA閉鎖差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)，將開關(guān)側(cè)C相電流封死，斷開TA二次端子排連片，此時(shí)流入保護(hù)裝置的電流為0，滿足TA斷線判據(jù)，經(jīng)延時(shí)保護(hù)面板顯示TA斷線，但報(bào)警燈不亮，且不向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警，稍后差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，TA斷線功能未閉鎖住差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，不滿足保護(hù)裝置邏輯。

根據(jù)差動(dòng)保護(hù)多次動(dòng)作數(shù)據(jù)及錄波器錄波圖分析可以基本確定多次保護(hù)跳閘為保護(hù)裝置誤動(dòng)，但由于為軟故障，并未發(fā)現(xiàn)明顯的故障點(diǎn)，保護(hù)誤動(dòng)具體原因需要等保護(hù)裝置回廠家檢驗(yàn)完畢后才能知道。另外差動(dòng)保護(hù)裝置未能正確記錄到故障時(shí)錄波數(shù)據(jù)，并且TA斷線閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能存在問題，更加確認(rèn)了保護(hù)裝置也存在問題。

在明確了此次事故原因后采取了相應(yīng)的措施，包括更換該電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置，將其更換為升級(jí)后的保護(hù)裝置，并對(duì)更換后的保護(hù)進(jìn)行了全部校驗(yàn)，暫時(shí)將差動(dòng)保護(hù)跳閘出口解除（保留后備保護(hù)），待穩(wěn)定后投入運(yùn)行，將差動(dòng)保護(hù)C相電流引入錄波器繼續(xù)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行監(jiān)視，將存在問題的差動(dòng)保護(hù)裝置送至廠家進(jìn)行檢驗(yàn)。事后經(jīng)過連續(xù)運(yùn)行2周時(shí)間該電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)未發(fā)生異常，經(jīng)廠里批準(zhǔn)后將差動(dòng)保護(hù)正式投入運(yùn)行，根據(jù)廠家事后反饋為CPU板件存在缺陷，升級(jí)后的裝置已將該缺陷消除。

4 小結(jié)

本次事故屬于保護(hù)裝置軟故障，故障后保護(hù)裝置又瞬間返回，通過檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)事故原因，處理起來難度很大，而筆者深入了解該裝置原理與邏輯后，將該裝置B相與C相電流互換，并借助錄波器巧妙的判斷出了故障原因，以后大家在分析處理事故時(shí)應(yīng)深入掌握理解設(shè)備原理、邏輯，多借助外部工具，問題便可迎刃而解。

[1] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2] 國調(diào)中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)實(shí)用技術(shù)問答 （第二版）[M]. 北京，中國電力出版社，1997.

[3] 國調(diào)中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材 [M]. 北京，中國電力出版社，2009.

劉 哲（1982—），男，本科，工程師，專工，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。郵箱：82754716@qq.com

閆順康（1964—），男，本科，助工，主任，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。

陳毅航（1989—），男，本科，助工，專工、主要研究方向：電力系統(tǒng)高壓試驗(yàn)。

Brief Talking on the Basic Theory of Electric Motor’s Differential Protection and the Application of Accident Treatment

LIU Zhe，YAN Shunkang，CHEN Yihang
（State Grid Xin Yuan Power Maintenance Branch，F(xiàn)engtai District，Beijing 100068）

This paper mainly describes the differential protection theory and logic of the electric motor，we can analyze and solve the problem of differential protection during the running of the electric motor. This method will be more innovative and practical，which can be popularized to solve the similar accidents of the power generator protection. It also contributes more experience to the accident analysis.

differential protection；protection logic；fault recorder；accident processing