高压电机启动时差动保护跳闸初步分析

武哲龙

（中广核集团台山核电合营有限公司继电保护高级技师台山529000）

摘要：在调试启动1CRF1140PO电机时，C相差动保护动作，1LGP0311开关跳闸，由此进行了差动保护跳闸的原因分析。总结分析后所得：1CRF1140PO电机差动保护定值整定不合理，不能躲过电机启动时CT时间常数、CT误差最大因素产生不平衡电流影响，造成差动保护误动。由此，本文主要针对1CRF1140PO电机启动时差动保护跳闸进行了简要性分析，希冀为后期工作者提供有效性建议。

关键词：1CRF1140PO电机；差动；保护；分析

1初步结果分析

1CRF1140PO启动时，电动机静止，其反电势尚未建立，电机呈现感性阻抗特征，在开关合闸瞬间，相当于电源电压全部加到电机的阻抗上，近似于短路状态，短路电流达到6~8倍额定电流，其电磁过程可以采用短路电流特征来描述。

启动电流（短路电流）波形近似如下图：

图1短路电流波形图

电气人员对现场进行电机再次启动录波，如下图，此时两侧CT未饱和，C相启动电流为9.178A和9.228A，产生原因为两侧二次时间常数不一致引起，产生差动电压最大值为A相25.63V，接近于27.5V。

初步结果：CRF跳闸原因根据第二次启动电流分析：主要是由两个CT二次时间常数不一致，CT未饱和情况下出现不平衡电流（差流），第一次跳闸动作值可能进入整定值边界圆内（0.95~1.05Un），是造成差动保护误动作。

1.1一次设备故障排查

CRF电机跳闸后，电气人员对历史试验数据进行检查，发现现场安装交接试验不合格，立即对一次设备进行检查和试验。

试验结果：绝缘测量合格，其他功能试验未做。

1.2差动保护误动作原因排查

1.2.1能够导致差动保护跳闸原因有：

①差动保护装置SPAE010故障；

②CT回路问题造成差动保护动作；

③CT本体故障造成差动保护动作；

④差动保护定值整定不合理造成误跳。

高阻抗差动保护装置SPAE010基本原理，是一种高阻抗制动型继电器，它可避免因CT饱和而产生误动。特点如下：

①高速度，动作时间约15ms（不包括辅助跳闸出口继电器）

②灵敏性，一次侧动作电流一般约为2%的电流互感器

③稳定性，区外故障时，若电流互感器的饱和，也能可靠不误动。

基本原理见下图：

CT电流互感器

RCT电流互感器二次绕组的电阻

LMA励磁电感（当CT饱和时趋向零）

WCT理想电流源的二次绕组，它具有

无穷大的内阻（即使CT饱和时也是如此）

RL从差动继电器到电流互感器二次导线连接处的导线回路电阻

在正常负荷电流下，电流互感器的电势E1和E2幅值相等相位相反。若电路是对称的，在继电器两端的电压为零。

在外部故障时，若电流互感器出现饱和，则继电器的两端就会产生不平衡差压。显然在一侧电流互感器完全饱和和另一侧电流互感器不饱和的情况下，继电器上的电压达到最大值。假设是CT2完全饱和，则CT2的励磁阻抗变为零，从而可认为图中LMA2支路是短路的。如果继电器阻抗比二次回路电阻R2（R2=RL2+RCT2），一般要求大得多，则短路电流IK被强迫通过CT2的二次绕组，于是在继电器两端的最大电压降等于IK*R2。见图，以上的假设比实际可能发生的情况严重得多。事实上，当CT2开始饱和时，通过继电器两端产生的电压降，已将负载转移到了不饱和的CT1上，这意味着二侧CT在进行负载的自动调整，使得不饱和CT的负载增加，而使饱和CT的负载减少。这样，CT2的饱和程度会下降。

在内部故障时，二侧的电流互感器将力图使电流通过差动继电器。这样就使得继电器两端产生很高的电压，从而使继电器动作跳闸。如图所示。如果内部故障短路电流很大，在极端情况下使得CT2饱和，那么CT1的电流可能也会要强迫通过CT2的二次绕组，对继电器动作不利。但是由于CT饱和是有时间的，该继电器动作时间快，一般在CT还未完全饱和时已动作跳闸。

在内部故障时，差动回路可能出现高电压，为了保护电流互感器和继电器的安全，故在差动继电器两端并联一组独立的非线性电阻。

1.2.2故障排查

①差动保护装置SPAE010故障导致CRF误跳不成立。

电气人员对差动保护装置SPAE010进行校验，A/B/C三相每个装置校验了10次，保护装置正确动作。试验数据如下：

试验结果合格。

②CT回路问题造成差动保护动作导致CRF误跳不成立。

试验结果合格。

③CT本体故障造成差动保护动作导致CRF误跳不成立。

试验结果合格。

④差动保护定值整定不合理造成误跳。

1）差动保护基本要求

CRF采用SPAE010高阻抗保护继电器，保护的灵敏性和可靠性主要取决于电流互感器特性，在高阻抗保护中，应使用同一匝数比PX级电流互感器。PX级CT基本要求：①拐点电压Uk在进行伏安特性试验时，Uk每增加10%，Ie励磁电流就增加50%；②拐点电压应高于穿越故障稳定电压的2倍；③参照IEC60044-1-2003要求，PX级CT误差＜±2.5%。

实际情况：台山CRF电机使用5P10CT，不满足上面PX级CT的要求。

具体差异对差动保护影响分析：

A：我们以6组CT中电机侧A相CT进行计算如下：

CT伏安特性数据中，拐点电压为204.79V，取（204.79V，0.0692A）、（219.01V，0.100A）进行计算，如下：

电压增长10%时，△Ie=5*0.0692*（219.04-204.79）/204.79=0.024A＜0.05A

试验结果：当前CT（5P10）饱和条件下励磁电流增大，CT漏抗Xct增大，存在CT饱和影响影响保护动作正确性。

B：拐点电压应高于穿越故障稳定电压的2倍；

通过上图可知，CT的拐点电压为204.79V，差动保护最大稳态电压按10倍电机启动电流计算如下：

Imax=4011A，Nct=500，Rin=3A，Rm=1.05A，计算可得：Umax=40.5V。

试验结果：当前CT（5P10）满足条件PX级CT要求。

C：参照国标CB1208-2006、GB16847-1997要求，当前5P10的CT精度误差为PX级CT的4倍。

试验结果：CT误差较大时，将直接造成差动保护存在误动。

具体分析详如下。

2）高阻差动整定计算原理分析

①正常运行状态：电流互感器G和H的励磁绕组不饱和，Zeg和Zeh阻抗很大，差动继电器电压为零，保护不会误动。

∵Ig=Ih

∴Ij=ig-ih=0.

∴继电器两端电压：Uab=Ij×Rr=0.

②电动机启动时：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。当互感器LG与LH特性存在差异或剩磁不同，可能造成一个CT先饱和。假设LH先饱和，LH的励磁阻抗减小，二次电流Ih减小。由于Ij=Ih-Ig导致Ij上升，继电器两端电压Uj上升。这样又进一步使LH饱和，直至LH完全饱和时，H的励磁阻抗几乎为零。继电器输入端仅承受Ig在H的二次漏阻抗Zeh1和连接电缆电阻R（lh+cth）产生的压降。

继电器动作值：Uj=Ig*（Rlh+Rcth+Zeh1）

为了保证保护较高的灵敏度及可靠性，就应使Uj减少，CT二次漏阻抗降低。继电器的整定值应大于Uj，才能保证继电器不误动。

③发生区内故障：Ij=Ig-Ih≈2Ig；Uj=Ij×Rj≈Ij*Rr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G侧CT二次电流I1可分为流向CT励磁阻抗Zm的电流Ieg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。

继电器动作值：Uj=2Ig*Rr

3）高阻抗差动保护的整定原则

①保证当一侧CT完全饱和时，保护不误动。

②保证在区内故障时，CT能提供足够的动作电压。

③差动元件应能在电动机启动时，躲过CT时间常数、CT最大误差产生差流影响，差动保护不误动。

④能够一个周期内动作，没有直流消耗的全偏移波形来说，整定值取√3倍Un。

⑤校验差动保护的灵敏度：在最小运行方式下，电动机机端两相短路时，灵敏系数应大于等于2。

a）保证当一侧CT完全饱和时，保护不误动。b）

查看《TS-X-CIEP-EBCILG-GD02SL0031@1ACFC》整定导则，定值取1.05倍Un，电气人员对CRF电机启动进行录波试验，发现电机启动后达到临界整定值25.63V（整定值27.5V），取值不合理，存在差动保护误跳闸风险。

参照厂家技术说明书，我们整定计算如下：

Ikmax取6~8倍电机启动电流，设计方取8In，Rin=3Ω，Rm=1.05Ω满足要求，我们认同。可靠系数取1.05我们认为不合理，存在差动误动风险，如果取1.5Un，更为合理。

计算结果：Urs=1.5*3212.8/500*（3+1.05）=39.03V，0S动作于跳开开关。

c）保证在区内故障时，CT能提供足够的动作电压。

参照厂家说明书，Uk≥2USUk为CT的额定拐点电压。Uk（拐点电压）：此电压为额定频率下的正弦电压加于被测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，励磁电流的增加不能超过50％。

分析结果：CT拐点电压Uk≈230V远大于整定值40V，满足要求。

d）差动元件应能可靠躲过电动机启动时，躲过CT饱和时间常数、CT误差最大，差动保护不误动。

参照现场交接试验报告，CT两侧误差小于+0.25%，电机启动电流为8In。

定值计算：Uzd=8*{[401/500]-[401/（500*1.0025）]}*2200=35.2V

注：电流互感器匝数比只有正偏差，未出现负偏差。本次计算参照PX级CT进行计算，整定值应大于35.2V。

e）高阻抗差动继电器能够一个周期内动作，没有直流消耗的全偏移波形来说，整定值取√3倍Un。

Uj=1.73*26.5=45.865V

（该整定需要厂家澄清SPAE是否具有移除直流分量特殊功能；对于没有直流消耗的全阻抗波形来说，这个值应取√3Uf。）

f）校验差动保护的灵敏度：在最小运行方式下，电动机机端两相短路时，灵敏系数应≥2。

g）

h）式中Iprim－保证继电器可靠动作的一次电流；n、Us－同前所述；m－构成差动保护每相CT数目；Ie－在Us作用下的CT励磁电流；Iu－在Us作用下的保护电阻器的电流；Rs－继电器的内阻抗。

计算结果：Ksen=26.08/[0.5*（40/2200+0.04+0.006）]=812＞2，灵敏度满足要求。

2初步结论

定值整定时未充分考虑现场采用5P10级CT、而未采用PX级CT，同时未考虑差动元件在电动机启动时，躲过CT时间常数、CT误差最大产生不平衡电流因素影响。参照上述整定计算原则，建议将定值整定为39.2V更为合理，且灵敏度满足要求。

对于SPAE010为一个周期内动作的快速继电器，具有移除直流分量特殊功能；对于没有直流消耗的全阻抗波形来说，这个值应取√3Uf，约为45.9V。