电动机磁平衡式差动保护技术在呼图壁储气库工程中的设计与应用

张雅1张浩2张自亮3

1.中国建筑设计院有限公司－智能工程中心邮编：100089；2.新疆维吾尔自治区建筑设计研究院机电一所邮编：830002;3.新疆石油勘察设计研究院--退休

摘要：针对呼图壁储气库工程中10kV压缩机配电系统和控制接线，分析了按照磁平衡原理进行电动机纵差保护的正确性、科学性。本文通过对这一实际工程案例的分析和处理，为10kV电动机磁平衡式差动保护技术提供了重要的参考价值。

关键词：电动机；纵联差动保护；磁平衡式差动保护；电流互感器

DesignandApplicationofMotormagneticbalancedifferentialprotectiontechnologyinthegasreservoirengineeringofHutubi

ZhangYa1,ZhangHao2,ZhangZi-liang3

(1.ChinaArchitectureDesignGroup,Beijing,100089,China

2.XinjiangArchitectureDesign&ResearchInstitute,Urumchi,830002,China3.XinjiangPetroleumSurvey&DesignInstitute-retirement)

Abstract:：Aimingat10kVcompressordistributionsystemandcontrolwiringofthegasreservoirengineeringofHutubi,thecorrectnessandscientificmethodofusingtheprincipleofmagneticbalancetoprotectthelongitudinaldifferenceofthemotorisanalyzed.Thispaperpresentsanimportantreferencevalueforthetechniqueofmagneticbalancedifferentialprotectionof10kVmotorbyanalyzingandtreatingthispracticalengineeringcase.

KeyWords：motor；Longitudinaldifferentialprotection；Magneticbalancedifferentialprotection;Currenttransforme

0.引言

新疆呼图壁储气库工程是国家投资建设的重点项目，其主要用电设备为11台压缩机，其中：4000kW(10kV)8台、4500kW(10kV)3台，均为储气库生产的核心动力设备。根据国家相关规范要求，2000kW及以上异步电动机的继电保护应配置纵联差动保护,以提高设备保护的可靠性。然而，如何进行纵联差动保护才能使接线更简单、保护更可靠，这是设计人员必须考虑的首要问题。这里以呼图壁储气库工程4000kW(10kV)和4500kW(10kV)电动机差动保护为例，介绍一种电动机磁平衡差动保护技术及其优越性。

1、传统的电动机纵联差动保护

我国传统的电动机纵联差动保护也称为比率制动式纵差保护，其原理接线示意图如图1所示，其中KAa(KAb、KAc)为差动保护继电器，九十年代以来，随着电力电子技术的发展,电力系统微机综合保护装置得到广泛应用，图1中大量的继电器被微机综合保护装置所取代，详见图2。

图中i3a、i3b、i3c分别为电动机供电侧各相二次侧电流，i4a、i4b、i4c为中性点侧的各相二次侧电流，iaop、ibop、icop分别为电动机各相供电侧与中性点侧二次电流差。

二次差动回路中的差电流为：iaop=│i3a+i4a│=│i3a│-│i4a│（1）

在电流互感器3CT、4CT比率完全相等情况下，当电动机正常运行和外部故障情况下，电流互感器3CT、4CT二次侧回路差电流iaop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iaop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个电流感器(3CTa~c，4CTa~c)与3个电流继电器(KAa~c)或1个微机纵差保护装置(2FA)。

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。现场运行经验表明，传统纵差动保护一般都采取比率制动方法。现场运行经验表明，传统纵差动保护受互感器特性的影响，可能会发生误动。即当控制室离电动机操作现场较远时，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。

2、呼图壁储气库工程电动机磁平衡式差动保护设计

呼图壁储气库工程10kV、4000kW和4500kW电动机的电流保护接线如图3。其中：差动保护为磁平衡式差动保护，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。

由图可知，磁平衡式差动保护包含三组自平衡电流互感器以及一个微机综合保护装置（也可为三只电流继电器）。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，即一次励磁安匝处于磁平衡状态，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微机保护装置，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。

3、呼图壁储气库工程电动机磁平衡式差动保护设计优点

（1）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，且当由于差电流较大导致其变比较大（4000kW电机需400/1）、价格较高，最大的缺点在于两侧CT比率不同或饱和特性不一致时可能引起误动；

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（4000kW电机实际用40/1）、价格较低，不存在CT比率或特性不一致的问题，动作可靠性高。

（2）在保护装置方面:

传统纵联差动保护中除1台用于后备保护的微机综合保护装置（图2）外,需设1台微机差动保护装置（图2）或三只差动保护继电器（图1）。

本工程电动机磁平衡差动保护设计取消了专用微机差动保护装置,将磁平衡保护与其它过载等保护共用1台微机保护装置，接线简单，节省投资。

（3）在保护性能方面：

传统纵差动保护一般都采取比率制动方法。现场运行经验表明，传统纵差动保护受互感器特性的影响，可能会发生误动。即当控制室离电动机操作现场较远时，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。同时，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，而单相接地短路时由于10kV为不接地系统，故障电流较小，传统的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不但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（呼图壁储气库工程10kV电网电容电流为A），磁平衡式差动保护还可以反应单相接地短路故障。

（4）在保护范围方面：

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接线盒内，保护范围仅仅是电动机本体内部。而传统的电流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。

4、呼图壁储气库工程电动机磁平衡式差动保护的整定计算

4.1电机参数：

电压:Ur1=10.5kV

额定电流:Ir1=275A启动倍数6.0（直起）

高压侧CT变比400/1

电机起动电流：Iqd=6.0×275=1650（A）

4.2后备保护：

本工程10kV4000kW过热保护由电动机自带热电阻测温实现，电气后备保护按需要投入过负荷保护、速断电流保护、负序电流保护、零序电流保护、低电压保护，主保护为磁平衡保护。其中：

1)过负荷保护装置动作电流：

Iopk1=KreiKjxI1rT/(KrnTA)

=1.05×1×275/(0.9×400)=0.81(A)

一次动作电流：Iop1=Iopk1nTA/Kjx=0.81×400/1=324(A)

时间18s(可根据电机时启动时间现场调整）

2）电流速断保护值：

启动前（高值）Iopk1=KreiKjxiKstIqd/(KrnTA1)

=1.4×1×6×275/(0.9×400)=6.42(A)

一次动作电流：Iop=IopknTA/Kjx=6.42×400/1=2568(A)

时间：0s

校验：Kk1=0.866×55000/8.0129/2568=2.31＞2（满足）

启动后（低值）Iopk2=3I1rT/nTA=3×275/400=2.0A

3）负序电流保护值：

根据手册建议：IopK=1.0Ie/nTA=1.0×275/400=0.69A

4）零序电流保护值：

10kV总网电容电流(240电缆3.8km，1.6A/km；3×LGJ-95/20架空线23km，0.0256A/km)：

Ic∑=1.6×3.8+0.0256×23=6.67

Iop0≤Ic∑/1.25/(KjxnTA0)=6.67/1.25/(1×100)=0.054A，整定0.05A

时间0.5s

5）低电压保护值：Vopk=0.7×100=70V,时间0.5s

4.3磁平衡保护值：

由于电动机自带磁平衡电流互感器，且出入口共用一个电流互感器，变比为40/1，故电流不平衡系数：Kh=I1c2/I2c2=1，相对误差为0。

根据经验及手册建议：

磁平衡差动保护动作电流Iop=（0.05~0.1）Ie/nCPH=0.08×275/40=0.55A

时间0s

4.4运行情况：

呼图壁储气库变电所于2013年3月20日送电试运、6月9日储气库正式投运生产，4年来，电气系统保护动作灵敏、运行安全可靠，确保了储气库的长周期安全生产。

5、结束语

本文基于磁平衡式差动保护技术在呼图壁储气库10kV电动机保护中的设计与应用，分析研究了电动机磁平衡式差动保护的原理，在与传统纵联差动保护相比较的基础上，阐述了磁平衡式差动保护的优缺点。并通过呼图壁储气库10kV、4000kW电动机保护定值计算及保护结果，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，2004.

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[5]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）：67-70.