1、第38卷第13期 电力系统保护与控制 V0138 No132010年7月1日Power System Protection and Control Jul1。2010电动机磁平衡式差动保护的整定计算李斌，范瑞卿，贺家李(天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津300072)摘要：传统纵联差动受电流互感器饱和特性的影响，实际应用中可能出现误动的情况。在与传统纵联差动保护相比较的基础上，分析研究了电动机磁平衡式差动保护的工作原理及性能特征。通过对电动机正常运行、起动、以及区内外故障的分析，给出了磁平衡式差动保护的整定原则。研究表明磁平衡式差动保护能够大大提高电动机保护的灵敏性和可靠性关键词：
2、电动机；纵联差动保护；磁平衡式差动保护；电流互感器；中性点不接地系统Setting calculation of magnetic balanced differential protection of motorLI Bin，FAN Ruiqing，HE Jia-li(Key Laboratory ofPower System Simulation and Control ofMinistry ofEducation，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstracts Affected by saturation charactefistics
3、 of current transformer,traditional differential protection may misoperate sometimesBased on the analysis of traditional differential protection,this paper inuoduces a novel magnetic balanced differential protectionAccording to the investigation of normal operation，start and external or internal fau
4、lt for motor,the paper researches the performanceof magnetic balanced differential protectionFurthermore，the setting principle is proposedTheoretical research and industrialapplication show that magnetic balanced differential protection can improve sensitivity and reliability ofmotor protection grea
5、tlyKey wordsmotor；pilot differential protection：magnetic balanced differential protection：current transformer：neutral ungroundedsystem中图分类号：TM4011；TM772 文献标识码：A 文章编号： 16743415(2010)130079040引言 1 电动机差动保护的方案电动机的故障形式多种多样，其中主要故障是定子绕组的相间短路、单相接地和匝间短路。定子绕组的相间短路会导致供电网络电压显著下降，且故障电流大，一般对于容量为2 000 kW以上或容量小于2 0
6、00 kW的重要电动机，需要装设纵联差动保护以反应电动机的相间短路故障12j。然而，传统纵联差动保护受两侧电流互感器饱和特性、互感器二次负载、剩磁大小不定等原因的影响，可能出现外部故障时误动的情况3-51。这也使得传统纵联差动保护较难，同时保证电动机起动过程中的可靠性与内部故障的灵敏度。另一方面，大型电动机一般接入中性点不接地系统中，当电动机发生单相接地故障时，故障电流很小【l】，传统纵差保护不能动作。本文讨论了一种新型的电动机差动保护磁平衡式纵差保护，对其原理进行详细的分析，并研究了它的整定计算的原则。11传统纵联差动保护传统的电动机纵联差动保护原理接线示意图如图1所示。图中o、ITs分别为
7、电动机供电侧的一、二次侧电流，k、k为中性点侧的一、二次侧电流。图1传统电动机纵差保护接线图Figi Diagram ofconventional differential protectionfor motor二次差动回路中的差电流为：p=lk+，NsI (1)电动机正常运行和外部故障情况下，电流互感万方数据80 电力系统保护与控制器CTl、CT2二次侧回路差电流为零，保护装置不会动作。而当电动机发生内部故障时，差电流很大，此时保护动作。显然，要实现电动机三相纵差动保护，则需要6个电流互感器与3个电流继电器。为了保证差动保护动作的灵敏性和外部故障的可靠性，纵差动保护一般都采取比率制动方法。现
8、场运行经验表明，传统纵差动保护受互感器特性的影响，可能会发生误动【6J。例如当控制室离电动机操作现场很远时，中性点侧CT要承载过多电缆电阻负载，这样会使得其提前进入饱和，从而差电流增大，保护误动。12磁平衡式差动保护基本原理磁平衡式差动保护，又叫自平衡式差动保护，是利用磁平衡原理实现差动保护的一种方法，其基本原理接线图如图2所利2。ABC高压电动机图2磁平衡式差动保护接线图Fig2 Balanced magnetic motor differential protection由图可知，磁平衡式差动保护包含三组自平衡互感器以及三个电流继电器。其基本原理是将电动机每相定子绕组始端和中性点端的引线分
9、别入、出磁平衡电流互感器的环形铁芯窗口一次。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，对于磁平衡电流互感器而言，该电流一进一出，互感器一次安匝为零17J，即一次励磁安匝处于磁平衡，则二次侧不产生电流，保护不动作。当电动机内部出现相间短路或接地故障时，故障电流破坏了电流互感器的磁通平衡，二次侧产生电流，当电流达到规定值时起动电流继电器，继电器使电动机配电柜内的断路器跳闸，切除电动机电源，达到保护电动机的目的。13两种保护方案的比较在保护接线以及电流互感器方面，传统纵联差动保护中需要6个CT，接线复杂，且由于差电流较大导致其变比较大、价格较高，最大的缺点在于两
10、侧CT饱和特性不一致可能引起误动；磁平衡差动保护中只需要3个CT，电动机只需引出三个端子，接线简单、可靠。且变比很小、价格较低，不存在CT特性不一致的问题，动作可靠性高。在保护性能方面，传统纵联差动保护主要反应的是电动机内部的相间短路故障，其整定计算需要考虑躲过的最大不平衡电流较大，因此单相接地短路时由于故障电流太小，传统差动保护一般不具有足够的灵敏度动作于跳闸。而磁平衡式差动保护可以反应电动机内部的相间短路故障，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。需要指出的是，磁平衡式差动保护的电流互感器装设在电动机出线处，保护范围仅仅是电动机本体内部。而传统的电流
11、纵差动保护的电流互感器可以安装在供电电缆的开关柜出口处，因此其保护范围可以包含电动机以及供电电缆。2 电动机磁平衡式差动保护的整定计算磁平衡式差动保护应保证在电动机正常运行、起动以及外部故障时可靠不动作；而当电动机内部相间故障时能够可靠动作，若电动机所接电网内的电容电流足够大，磁平衡式差动保护还应能够反应区内单相接地短路故障。下面分别以图3所示网络为例，分析研究磁平衡式差动保护在电动机区内外故障情况下的差电流。+一甄珞II+一+4r- 1 一+ + 路l+足# i吐吐 + l 一 + I 一+妥f一-+tb 圮吐峙峙吐峙吐 ，A。 ，一、+ A，一，、m七。 o i争，cu 编i n，c。 o
12、|争毛u 俩；，rrY、_1ll Jl!T _l夸，c”电动机图3正常运行时的电流分布图Fig3 Diagram ofcurrent distribution21电动机正常运行的情况图3所示电网包括等效单元S、线路I、II，以及电动机。对于电动机支路，Ljn、。眦分别表示各相流入和流出电动机的电流，七M、丘I、丘、G分别为各支路的对地电容电流。万方数据李斌，等 电动机磁平衡式差动保护的整定计算 81-由图可知，正常运行情况下，流过电动机各相磁平衡式互感器次侧的不平衡电流为各相等效对地电容电流，即气=丘M=砜以 (2)式中：砜为电动机正常运行时的相电压，可取额定电压UN；国为系统角频率；COM为
13、电动机每相等效对地电容。显然，在电动机起动情况下，磁平衡式差动保护的差电流表达式同样为式(2)，即不平衡电流很小，保护可靠不误动，性能优于传统纵差动保护。22电动机区外故障的情况电动机一般接入中性点不接地系统中，当网络内某点发生单相接地故障时，故障相电压降为零，而健全相电压升高3倍【l】。因此，故障相的对地电容电流为零，而健全相的对地电容电流变为正常运行时电容电流的3倍。假设电动机外部发生A相接地故障，电流分布如图4所示。+ 强跆儿+ 4-+i 7 n峙峙圭 一一一士皇篇n 、= =、jnn、jrn 工-L,r” 州、 书f叶牛动机部单相接地时，三相系统电流分布图F4Digram ofurre
14、nt ditribution in th cac ofxternal#ephase eath falt可知，对电动机磁平衡式差动保护而言，故的不平衡电流为零，而健全相的一次侧不平衡为：=tM=3虬倒机区外发生两相相间短路时，故障相相电为原来的05倍，而非故障相相电压基本不变时电动机三相磁平衡保护互感器中的最大不平流为：=砜崛M机外部发生三相短路时，各相相电压都降甚至为零，此时流过电动机磁平衡互感器的几零。2电动机区内故障的情况机内部发生定子绕组单相接地故障时，假相接地，此时系统电流分布如图5所示，由不系统的故障分析可知，健全相电压升高3倍对地电容电流增大3倍。所以健全相对应的衡式差动保护的不平
15、衡电流与式(3)相同。 I口Il+ 一- 线圭 一 一洲吐圭：上上 7m叮叮工 钿、，cM o 。垒：； 哥部单相接地时，三相系统电流分布图F5Digram of curent ditribution in th cae of inemalgle-phase eath falt动机故障相的定子绕组而言，其负荷电流无论如何变化，对磁平衡式差动保护而言均属越性电流。但是，此时全系统电容电流构成的点短路电流就在差流回路中形成了差电流，其：=Ic印=43U崛 (式=CoI+Co+。机内部发生相间故障时，故障电流很大，故自平衡互感器的差电流很大，远大于前述分析的电容电流大小。2磁平衡式差动保护的整定计算
16、原则纵差动保护的整定原则按照躲过外部故障动机起动时的最大不平衡电流整定，其值较大，在电动机内部单相接地故障情况下一般不能动磁平衡式差动保护可以反应电动机定子绕相间短路故障、接地短路故障，不反应定子绕相自身的匝间短路故障。电动机所在供电网一不接地系统，其相间短路电流较大，而接地短流很小，若要可靠反应这两种故障，磁平衡式保护的整定原则应为：躲过磁平衡式差动保护的最大不平衡电 流万方数据。82 电力东统保护与控制(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(不应包括保护范围以外的电动机供电电缆的电容电流，因为磁平衡电流互感器一般装设在电动机出线处，供电电缆的对地
17、电容电流不通过互感器的环形铁芯窗口)。按照上述原则，由式(2)式(4)的分析可知，磁平衡式差动保护的动作电流应整定为：k耐= ,JU：XToM (6)傀T式中：Kl为可靠系数，可取13；CT为磁平衡式电流互感器变比，通常为505 A。由式(5)可知，磁平衡式差动保护在电动机区内单相接地故障时的灵敏度为：nk=暑(7)AreIGOM由于电动机的供电电缆不在磁平衡式差动保护范围之内，因此，只要全系统的等效电容足够大，由式(7)可知，磁平衡式差动保护能够可靠反应区内单相接地故障。由上述分析也可知，磁平衡式差动保护的不平衡电流很小，故整定值可以很低，区内故障时有很高的灵敏度。3磁平衡式互感器的一些考虑
18、现场运行经验表明，传统纵差动保护由于差动继电器两臂的电流互感器在电动机自起动过程中的暂态特性往往难以完全一致，导致不平衡电流增大，从而可能引起纵差动保护误动。因此，个别应用场合甚至考虑采用TP类电流互感器【6J。而磁平衡式差动保护不会出现互感器的饱和而误动，对于一般电动机保护不需要过多的考虑其暂态特性，选择P类电流互感器即可。另外，由于利用磁平衡原理，磁平衡式电流互感器二次侧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做到的。由于磁平衡式差动保护的互感器一般都采用穿芯式结构，为了保证互感器的感应灵敏度，就要求在安装时一定要注意让两侧导线穿过一次侧线圈的正中心。将互感器直接安装在电
19、动机本体上更容易实现磁平衡式差动保护的接线，但这对电动机的设计和制造带来了困难。目前，关于磁平衡式差动保护接线的实现，应根据实际情况灵活确定。4结论本文分析研究了电动机磁平衡式差动保护的原理及其整定计算原则。在与传统纵联差动保护相比较的基础上，阐述了其工作原理及性能特征。基于电动机正常运行、起动、以及区内外故障的电流分析，研究了磁平衡式差动保护的整定原则和计算方法。结果表明，基于磁平衡式原理，其差动保护能够可靠反应电动机的相间短路故障以及单相接地短路故障，并在区外故障以及起动过程中具有很高的可靠性。参考文献1贺家李，宋从矩电力系统继电保护原理【M】增订版北京：中国电力出版社，2004HE Ji
20、a-li，SONG Cong-juprinciples of protectiverelaying in electric power systemsMRevised andinlarged editionBeijing：China Electric Power Press，20042 王维俭电气主设备继电保护原理与应用M】北京：中国电力出版社，2002WANG Wei-jianPrinciples and applications of mainelectric equipmentS protective relayingMBeijing：China Electric Power Press
21、，20023 王维俭，张学深，等电气主设备纵差保护的进展【刀继电器，2000，28(5)：68WANG Wei-jian，ZHANG Xue-shen，et a1Main electricequipment differential protectionS progressJRelay,2000，28(5)：684袁季修，吴聚业大型发电机变压器组保护用电流互感器选型及应用【J】电力自动化设备，2003，23(9)：7275YUAN Ji-xiu，WU Ju-yeSelection and application ofprotective CT for large generator-trans
22、former unitJElectric Power Automation Equipment,2003，23(9)：72755 袁季修，吴聚业大型发电机变压器组保护用电流互感器选型及应用【J】电力自动化设备，2003，23(9)：7275YUAN Jixiu，WU Ju-yeSelection and application ofprotective CT for large generator-transformer unitJElectric Power Automation Equipment,2003，23(9)：72756 王维俭，李芙英纵联差动保护原因不明误动的分析和对策兼论光电
23、流传感器的应用J】电力系统自动化，1999，23(18)：1719WANG Wei-jian,LI Fu-ying Analysis andcountermeasure for misoperation of longitudinaldifferential protection with unclear reasonJAutomationofElectric Power Systems，1999，23(18)：17一197潘洪俊大型电动机磁平衡式差动保护的整定【J】电世界，2001，11PAN Hong-junProtection setting of largescale motorSma
24、gnetic balanced differential protectionJElectricWorld。200l。ll：(下转第93页continuedonpage93)万方数据秦代春，等 一种小波神经网络的电能质量信号去噪新方法 93，(上接第82页continuedfrompage 82)8 李德佳大型电动机高阻抗差动保护原理、整定及应用【J】继电器，2004，32(10)：6770LI De-jiaPrinciple，setting and application of highimpedance differential protection in large motorJRela
25、y，2004，32(10)：6770收稿日期：2009-08-26作者简介：李斌(1976-)，男，副教授，研究方向为电力系统继电保护与故障分析：范瑞卿(1985-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护：E-mail：ruiqingfan163com贺家李(1925-)，男，教授，博士生导师，俄罗斯工程院外籍院士，研究方向为电力系统故障分析与继电保护万方数据电动机磁平衡式差动保护的整定计算作者： 李斌， 范瑞卿， 贺家李， LI Bin， FAN Rui-qing， HE Jia-li作者单位： 天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室,天津,300072刊名： 电力系统保护与控制英文
26、刊名： POWER SYSTEM PROTECTION AND CONTROL年，卷(期)： 2010,38(13)被引用次数： 1次参考文献(8条)1.贺家李;宋从矩 电力系统继电保护原理 20042.王维俭 电气主设备继电保护原理与应用 20023.王维俭;张学深 电气主设备纵差保护的进展期刊论文-继电器 2000(05)4.袁季修;吴聚业 大型发电机变压器组保护用电流互感器选型及应用期刊论文-电力自动化设备 2003(09)5.袁季修;吴聚业 大型发电机变压器组保护用电流互感器选型及应用期刊论文-电力自动化设备 2003(09)6.王维俭;李芙英 纵联差动保护原因不明误动的分析和对策-兼
27、论光电流传感器的应用期刊论文-电力系统自动化 1999(18)7.潘洪俊 大型电动机磁平衡式差动保护的整定 2001(11)8.李德佳 大型电动机高阻抗差动保护原理、整定及应用期刊论文-继电器 2004(10)本文读者也读过(10条)1. 潘丁.陈喜峰.PAN Ding.CHEN Xi-feng 变压器纵联差动保护的分析与探讨期刊论文-继电器2006,34(4)2. 曲秀英 自平衡差动保护在国产电机上的应用期刊论文-化工自动化及仪表1999,25(2)3. 郑松.ZHENG Song 百色水电站发电机变压器组继电保护系统招标设计期刊论文-红水河2001,20(1)4. 李毅军.Li Yijun
28、 三峡左岸电站发电机中性点接地方式的选型与计算期刊论文-水力发电1999(4)5. 丁健.赵伟.肖华宾.陈鹏飞.靳阿妮.解奎元 M3311动模试验与差动保护的整定计算会议论文-20086. 刘洪志.刘金涛.王玉林.张启春 300MW发电机基波定子接地保护定值分析期刊论文-电力自动化设备2004,24(5)7. 王维俭.张学深.田开华.郭玉恒 电气主设备纵差保护的进展会议论文-20058. 王维俭 主设备保护若干问题的商榷会议论文-20019. 杨彬 十三陵蓄能电厂100%定子接地保护的应用期刊论文-华北电力技术2001,1(2)10. 汪萍.陈久林.WANG Ping.CHEN Jiu-lin 纵联零序方向保护误动原因分析及其对策期刊论文-电力自动化设备2007,27(7)引证文献(1条)1.李月祥 高压电动机应用变频器时的继电保护研究期刊论文-科技信息 2013(26)本文链接：http:/
