景电工程大型电动机差动保护误动分析

李永敏

摘  要：景泰川电力提灌工程（简称景电工程）是重大民生工程，景电泵站正常安全运转是保证灌溉效率的基本前提，同时也是发挥工程经济效益的关键。该文针对某景电工程的大型泵站电动机进行研究，对当前存在的差动保护误动现象进行分析，并针对电动机工作中的差动保护误动原理及原因提出相应的解决措施，旨在解决景电工程电动机出现的差动保护误动问题，保证景电工程能够持续发挥经济效益。

关键词：景电工程   差动保护   差动继电器   保护误动

中图分类号：TU85                          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）07（c）-0032-03

Abstract： Jingtaichuan Electric Power Pumping Irrigation Project （Jingdian Project for short） is a major livelihood project. The normal and safe operation of Jingdian Pump Station is not only the basic premise to ensure irrigation efficiency， but also the key to give full play to the economic benefits of the project. This paper studies the motor of a large pump station in Jingdian project， analyzes the current differential protection maloperation， and puts forward corresponding solutions for the principle and causes of differential protection maloperation in motor work， in order to solve the differential protection maloperation problem of motor in Jingdian project and ensure that Jingdian project can continue to give full play to economic benefits.

Key Words： Jingdian project; Differential protection; Differential relay; Protection maloperation

1  工程概況

该文研究对象为景泰川电力提灌二期工程泵站。该泵站当前已有大型电动机48台，其中2 240 kW电动机40台，2 000 kW电动机8台，主保护均为差动保护。在工程投入运营以来，电动机在启动过程中频繁出现差动保护动作的现象。为了解决该问题，工作人员对电动机及相关设备进行了详细的检查，同时还对所有继电保护定值进行校验，但并未发现电动机及相关设备存在异常问题，所以初步判断为差动保护误动。但是，工作人员很难区分保护动作和保护误动。保护动作主要是由于电动机内部故障，电动机内部故障也会导致电动机停止工作。一旦电动机真的存在故障，此时若采取连续启动方式来研究差动保护误动就会导致电动机故障更加严重，会对电动机造成不同程度的损坏。另外，电动机相关规定表明，电动机在热态状况下不建议连续启动，否则会给电动机差动保护误动分析工作带来一定的困难。对此，景电工程工作人员不得不反复进行继电保护校验，从而判定此问题到底是差动保护误动还是动作保护。这种校验方式需要工作人员来回奔波于项目中，不仅耗费了大量的人力，还严重影响了灌区的浇灌问题，与此同时也大大增加了景电工程运营管理成本，电动机被损坏的风险也进一步加大，大大降低了工程效益。基于此，该文对该泵站差动保护进行试验，以期查找有关原因，提出合理的解决措施，进而保证泵站电动机能够正常运转，帮助发挥工程效益。

2  电动机差动保护误动的原理及原因分析

2.1 电动机差动保护误动基本原理

差动保护作为景电工程大型电动机保护的手段之一，也是最常见的保护方式，这种保护是基于三段式比率差动原理。具体来说，主要是基于电流互感器信号，通过对电路进行调整，将中性点以及电机端的电流进行转化，进而得到电压信号，再通过后续一系列转化后被主控单元读入，其原理方程如下：

上述动作方程中，I1和I2分别为电动机两侧的电流，均以流入电动机为正向，Id=I1-I2为差动电流;Ied、Ir分别是差动保护电流、制动电流;K1、K2分别是制动曲线斜率、内部固定系数（取0.7）;Ir1、Ir2则是第1、2拐点电流。绘制如图1的差动保护动作曲线。

基于上述原理，电动机的差动保护是非常完整的，但在实际运行和试转时，其差动保护不能可靠启动，此时就会出现误动保护，表现为差动保护启动，也就是误动跳闸[1-2]。该文结合现场情况和差动保护基本工作原理，分析差动保护误动的具体原因，并找出相应的保护补救措施。

2.2 电动机差动保护误动原因分析

2.2.1 高次谐波原因及电流互感器不匹配问题

通过分析可知，电动机启动时，差动回路会出现较大的不平衡电流，这种不平衡电流主要是由二次谐波导致的。事实上，启动电流与其启动特性，即电动机的制造质量有关，另外，断路器的相位角也是影响启动电流的重要因素。经过详细测试，对电流波形分析可知，启动过程产生的不平衡电流二次谐波的持续时间约为10个周波左右。其有效值已经超过了6 A，进一步对比差动保护的定值可知，电动机差动保护电流设置值为4 A，动作时间为0.1 s，这表明电动机保护下，动作电流超过设定值和动作时间就会发生差动保护问题[3-4]。为了进一步验证此问题，工作人员同时对电动机进行检验，发现电动机内部并不存在故障，这表明差电流二次谐波过大导致的问题是由差动保护误动引起。

2.2.2 电流互感器（CT）二次负载问题

泵站电动机在启动中，电路中存在3种不同的电流分量，第一种是基频交变分量，第二种是非周期分量，第三种是低频交变分量。其中，第二种分量在短期内就会衰减至0，在其衰减过程中，这种非周期变量会导致电路电流变大，即前文所述的高次谐波[5-6]。通过进一步对电流互感器（CT）的二次负载进行分析，发现在电动机启动过程中，当前期低速转动时，电流通常较大，由于差动保护两侧的CT存在特性差异，电路中出现不平衡电流，造成差动误动动作。在泵站中，电动机的装设位置离开关柜有一段距离，该工程电动机采用两组容量相近的CT，分别安装在电源侧的高压开关柜和中性点侧，差动保护装置则直接安装在开关柜上。从表面上看，这两种CT在容量上没有区别，但实际上，中性点侧的CT通常处于饱和过载状态。根据记录的数据来看，当电动机处于启动过程中時，开关柜侧的CT二次负载为0.3 Ω时，中性点侧的CT二次负载则为1.5 Ω，几乎是前者的50倍，在泵站电动机正常运转时，中性点侧的CT已经接近满载，并且电动机在启动时的电流又为正常工作时电流的6倍左右，在CT饱和的情况下，差动回路产生的电流差值已经超过了差动保护的设定值，在这种情况下就会引发差动保护误动。

3  电动机差动保护误动对策

3.1 降低CT的二次负载或增大TA的容量

分析可知，电路中电流不平衡主要是由于两处的CT容量不足导致的，我们可以以CT容量为切入点，对差动保护误动问题进行分析。当CT允许负载满足误差曲线的10%时，就不会导致后续差动保护误动问题。当某些情况无法增加CT容量时，可以以电路中电流为切入点，同样也能达到减少CT二次负载的目的，主要是通过使电路中电缆芯线的界面剂增大，以降低回路中的不平衡电流，从而消除一般情况下的差动保护误动动作。

事实上，近年来的新建工程，大多都采用了较大容量的CT，比如：某些电动机开始采用二次为1 A的CT，缓解二次负荷问题。这种CT的励磁特性较高，具有更大的负荷能力，可以很好地解决回流电流不平衡问题。

3.2 用高导磁材料改造电动机

由于此次研究的电动机已经投入运用，电动机本身属性无法改动，并且国家有关标准均未对电动机的二次谐波进行明确规定，所以电动机在制造中无法控制。对于这种情况，相关管理单位可以出资对电动机本身进行改造，通过采用高导磁材料，有效解决高次谐波问题。但改造费用极高，管理单位进行改造时审批和申请流程极为复杂，且周期较长，这也导致目前管理单位还并未采取相应改造措施。随着材料技术发展，高导磁材料的普及应用将会是解决此问题的重要方向之一。

3.3 系统投运后的补救措施

考虑到景电工程电动机已经投入使用，不具备改造的电动机CT选择不恰当，可以通过如下方法进行适当调整：（1）对于电流互感器（CT）在饱和时出现的二次电流暂态特征，优先考虑二次谐波的制动原因，在启动电动机时产生的电流过大问题，可以先详细计算分析二次谐波的幅值，并将其与基波幅值进行比较，若是两者比值要高于整定值，可以判定是由于CT问题导致的差动保护误动动作，此时可以采取闭锁比率差动保护动作方式，避免出现误动动作。（2）当故障电动机合闸时，会出现启动兼短路故障情况，而二次谐波还会增加电动机的误动动作时间，大约为3个周期，这个短暂性的时间有利于降低差动误动动作的即时性，事实上也起到了解决差动保护误动问题的作用。

4  结语

电动机差动保护是为了防止电动机在工作时由于故障原因出现损坏，但过于频繁的差动保护误动不仅会影响电动机的性能，还会导致景电工程无法正常发挥作用。在实际运用中，电动机频繁出现误动保护动作，会对工程运行造成较大影响。该文通过对引起差动保护的原因进行分析，基于差动保护原理提出解决差动保护误动的有关措施，解决了电流互感器二次负载问题导致的差动误动动作，同时对运行中的系统给出了补救措施，从根本上保证了景电工程的顺利运行，大大提高了灌溉效率，社会效益和经济效益也得到极大的提升。

参考文献

[1] 余梦琪.比例制动差动保护在多种量测误差下的误动风险分析及对策研究[D].武汉：华中科技大学，2017.

[2] 赵增林.一起6kV电动机速断保护动作分析[J].河南电力，2020（S1）：128-130.

[3] 李霄，亓劼.主变差动保护范围内一次设备变化后的差动保护定值整定[J].科技创新导报，2018，15（25）：22，24.

[4] 夏志伟.水泵电动机的保护措施探讨[J].精品，2020（1）：204.

[5] 杨先伟，乔吉锋.主变差动保护频繁启动原因分析及处理[J].水电站机电技术，2020，43（2）：30-32.

[6] 夏青霄.高压电动机保护误动原因分析[J].中国科技纵横，2017（1）：176，179.