三种电动机差动保护原理的分析

三种电动机差动保护原理的分析
微机型电动机保护广泛应用于发电厂和大型厂矿企业,一般电动机都装设综合保护,火力发电厂厂用电设计技术规定上规定2MW及以上的电动机以及2MW以下中性点具有分相引线的电动机，当电流速断保护灵敏性不够时应装设纵联差动保护，作为电动机的相间短路或匝间短路的主保护。

1基于比率制动的纵差保护的动作原理及分析
比率制动式纵差保护继电器的差动电流id和制动电流ires各为id=i1-i2=（1-2）/na
ires=（i1-i2）/2=（1+2）/2na
当差动保护区外短路时外部短路电流k•ou为
1=2=k•ou，id=0
随着外部短路电流k•ou的增大，虽然不平衡电流和差动电流id 均有所增加，但是制动电流ires随k•ou的线性增大继电器的动作电流也就相应的增大，从而达到保护不误动的目的，保护动作的判据：|I1-I2|≥Iset
|I1-I2|≥K|(I1+I2)/2|
Iset为保护最小的动作电流，K为比率制动系数。

比率差动保护就是依靠动作电流和制动电流的动态变化，当两个判据同时满足使保护在区内故障灵敏动作。

接入差动保护的电流为设置在电动机三相电缆输入端（中压开关柜）及电动机的中性点的三组电流互感器二次三相电流，电动机差
动保护由三个分相差动原件组成。

由于用于电动机的差动保护CT空间安装位置不同，造成二次回路阻抗大小不一致CT有不同的传变特性，在电动机启动或者外部短路时，容易引起差动保护误动。

所以比率制动差动保护引入比率制动系数K。

在实际情况中可以给差动元件80~100ms的动作延时，以便躲过电动机启动时的不平衡电流，防止电动机启动时保护误动也可以在微机保护装置中增加谐波制动。

2高阻抗差动保护的动作原理及分析
1)正常运行时,I1=I2,所以ij=i1-i2=0。

因此,继电器两端电压Uab=ij×Rj=0。

Rj为继电器内部阻抗。

电流不流经继电器线圈,也不会产生电压,所以继电器不动作。

2)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CT1与CT2特性存在差异或剩磁不同,如有一个CT先饱和。

假设CT2先饱和,CT2的励磁阻抗减小,二次电流i2减小。

由于ij=i1-i2导致ij上升,继电器两端电压Uab上升。

这样又进一步使CT2饱和,直至CT2完全饱和时,CT2的励磁阻抗几乎为零。

继电器输入端仅承受i1在CT2的二次漏阻抗Z02和连接电缆电阻Rw产生的压降。

Uab=ij(Rw+Z02)
为了保证保护有较高的灵敏度及可靠性,就应使Uab减小,也就是要求CT二次漏阻抗降低。

这种情况下,继电器的整定值应大于Uab,才能保证继电器不误动
3)发生区内故障时，i1=Id/n(n为CT1电流互感器匝数比)ij=
i1-ie≈i1,Uab=ij×Rj≈i1Rj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CT1二次电流i1可分为流向CT励磁阻抗Zm的电流ie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。

高阻抗差动保护的主要优点:①区外故障CT饱和时不易产生误动作;②区内故障有较高的灵敏度。

高阻抗差动保护用的CT设计要点是:依据拐点电压及拐点电压下的励磁电流来确定铁芯尺寸。

保证在区内故障时,CT能提供足够的动作电压。

Uk≥2US，Uk为CT的额定拐点电压，US为保证不误动的电压值。

CT的额定拐点电压也称饱和起始电压,此电压定义为额定频率正弦波电动势最小方均根值加于被测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,励磁电流的增加至但不大于50%。

一般情况下高阻抗差动保护用CT励磁阻抗为几十千欧姆的数量级，如果匝数比的分散性很大,CT1和CT2的二次电流i1和i2不能互相抵消,该差值电流ij流经继电器线圈,即成为产生误动作的原因。

英国标准中匝数比误差规定为±0.25%，匝数较大CT容易满足该规定并且能保证保护不发生误动作，匝数较小CT即使满足该规定,在电动机启动时的差电压也较大,足以造成保护误动作。

为了避免保护误动，用于该保护的CT要求励磁阻抗高、二次漏抗低和匝数比误差小而且CT铁芯尺寸要依据拐点电压及拐点电压下
的励磁电流来确定。

对于高阻抗差动保护用CT的特性在实际选用时应采用同一厂家,同一批产品中特性相近、匝数比相同的CT。

3磁平衡式差动保护的动作原理及分析
根据磁平衡原理，同相首尾一次电流经串芯电流互感器后，差动电流中不存在因TA误差原因产生的差电流。

在电动机正常运行或外部短路时，各相始端和终端电流一进一出，互感器一次安匝为零，不平衡电流几乎为零。

保护不动作。

磁平衡电动机差动保护三相接线时，电动机每相绕组的始端（机端）和终端（中性侧）引线分别入、出磁平衡电流互感器TA的环形铁芯窗口一次。

在电动机没有发生相间短路的情况下，由于每相只用1只电流互感器,不存在纵差保护中2只电流互感器负载不平衡的问题,不平衡电流仅由反向穿过电流互感器的电流产生的漏磁通之差产生,因此很小,正常运行时小于0.005倍电动机额定电流。

依靠互感器一次励磁安匝的磁平衡，彻底根除电动机自启动和外部故障短路暂态过程中的误动作，而且简化保护整定。

由于磁平衡的原理，电流互感器二次侧短线也不会产生过电压现象。

磁平衡式电动机差动保护的保护范围不包括电动机与开关柜之间的高压电缆，对于非直接接地系统的电缆网络供电时的电动机内部发生单相接地故障时，故障电流仅是电缆网络的电容电流，要保证继电器与CT的负载匹配，以求在电机绕组单相接地时能有灵敏反应。

4结论
从上文分析中可以看出不管基于何种原理的电动机差动保护,由
于存在不平衡电流引起差动保护误动。

CT选型、合理的选择二次负载,优化保护整定值,对电动机差动保护正确动作有至关重要的作用。

但是我们应看到基于磁平衡原理的差动保护在电动机启动以及外部故障，能够完善的避免保护误动作。

但是目前由于制造原因,国内生产的电动机一般不装置磁平衡保护所用的电流互感器,导致磁平衡电动机差动保护没有引起足够的重视,现在国内南瑞、东大金智的数字式电动机保护均有磁平衡式电动机差动保护功能，在电动稳定运行要求较高的场合，电动机结构能满足装设磁平衡电流互感器的条件下，考虑到磁平衡差动保护较简单可靠，应加以运用。

随着电力行业的不断发展，新建火力发电动机组容量越来越大，相应的辅机容量也随之增大。

根据
第9.6.1条的规定：2MV A及以上的电动机应装设纵联差动保护。

对于2MVA以下中性点具有分相引线的电动机，当电流速断保护灵敏性不够时，也应装设本保护。

在纵联差动保护的实际应用中，经常由于两侧电流互感器的相序、极性连接不当或电流互感器本身选择不合理等原因误动作，严重影响主要辅机的正常运转，危及机组地安全运行。

为解决这个问题,须找出差动保护误动作的原因,并提出切合可行的改进措施。

1纵联差动保护介绍
由图1可见，在不考虑电流互感器励磁电流影响的情况下，当电
动机正常运行时，流过电动机绕组两侧的电流一致。

以A相电流为例，电动机一次侧的电流Ia1和Ia2大小相等，方向一致，经过电流互感器转换到二次侧电流分别是Ia1’和Ia2’，从理论上讲Ia1’和Ia2’也应大小相等，方向一致。

这样，流过纵联差动保护装置内部差动元件的电流就为零，差动保护不动作。

当电动机内部发生相间短路故障或差动保护范围内的电缆发生了相间短路故障时，流过电动机绕组两侧的电流发生了变化。

如图1所示故障点发生相间短路时，Ia1为短路电流，Ia2为零，此时流过差动保护装置内部差动元件的电流就是Ia1’，差动保护动作，发出跳闸指令，开关跳闸，将故障设备切除。

为了便于接下来的定量分析，我们定义差动电流为：Ida=|Ia1’-Ia2’|，Idb=|Ib1’-Ib2’|，Idc=|Ic1’-Ic2’|，制动电流为：Iza=||，Izb=| |，Izc=||。

2人为造成的差动保护误动作的原因分析及对策
造成差动保护误动作的原因有很多，下面介绍造成差动保护误动作的人为原因及相应的对策。

2.1绕组两侧的电流互感器相序接线错误
如果两侧的电流互感器由于接线的错误，造成相序的不对应，肯定会产生差动电流。

主要有两种情况。

2.1.1两个电流互感器相序不对应。

例如电源侧的电流互感器相序为A、B、C，而定子中心点侧的电流互感器相序为C、B、A。

假设电动机现在定子的电流为I，计算得：Ida=Ia1'-Ic2'=I，Idb=0，
Idc=Ic1'-Ia2'=I，Iza==0.5I，Izb=I，Izc==0.5I。

2.1.2三个电流互感器相序全不对应。

例如馈电侧的电流互感器相序为A、B、C，而定子中心点侧的电流互感器相序为B、C、A。

假设电动机现在定子的电流为I，计算得：Ida=I，Idb=I,Idc=I,Iza=0.5I, Izb=0.5I，Izc=0.5I。

根据上面的分析，现场调试人员从保护装置中读出每相的差动电流和制动电流就可以判断出哪几相相序不对。

但是知道互感器的哪几相相序不对还不够，如何才能分析出是哪一侧的互感器相序错了，在一些比较先进的微机保护装置中能够看到电动机定子两侧电流的相序，故很容易判断调整。

但在有些微机综合保护装置不能够看到电动机定子两侧电流的相序，我们一般调整电动机定子中心点侧的电流互感器相序，由于差动保护和过流保护都是从同一个互感器不同二次线圈取电流，如果电动机馈电侧的相序不对的话，电动机的负序保护会动作。

2.2电流互感器的极性不对
在绕组相序正确的情况下，电流互感器的极性不对，主要有三种情况：
2.2.1一个电流互感器极性不对应，例如定子中心点侧的A相电流互感器的极性反了，假设电动机现在定子的电流为I，计算得：Ida=2I，Idb=0，Idc=0，Iza=0,Izb=I，Izc=I。

2.2.2二个电流互感器极性不对应，例如馈电侧的A,B相电流互感器的极性反了，假设电动机现在定子的电流为I，同理可以计算得
出：Ida=2I,Idb=2I,Idc=0,Iza=0,Izb=0，Izc=I。

2.2.3三个电流互感器极性不对应，例如馈电侧的A,B,C相电流互感器的极性反了，假设电动机现在定子的电流为I，同理可以计算得出：Ida=2I,Idb=2I,Idc=2I,Iza=0,Izb=0，Izc=0。

根据上面的分析只能知道互感器的哪几相极性不对，但不能分析出是哪一侧的互感器极性错了，在一些比较先进的微机保护装置中能够看到电动机定子两侧电流的相序，如果极性不对很容易判断调整。

但在有些微机保护装置不能够看到电动机定子两侧电流的相序，我们一般调整电动机定子中心点侧的电流互感器相序，由于差动保护和过流保护都是从同一个互感器的不同二次线圈取电流，如果电动机馈电侧的相序不对的话，电动机的负序保护会动作。

2.3两侧电流互感器的变比不同
对于两侧电流互感器变比不同引起差动电流，我们可以在保护装置中查看同相两侧电流是否成一定的比例来判断，在保护装置的参数设置中改变电流互感器的换算系数来弥补两侧电流互感器的变比不同。

一般情况下两侧电压互感器保护装置的特性和变比都要求相同，由于订货错误等原因使得电源侧的电流互感器和电动机中心点侧的互感器特性不同，在发现变比不同时应尽快检查两侧的互感器，尽量更换互感器使两侧互感器的特性一致。

另外某一侧电流互感器被短路和断线都会产生差流，这种情况只需在保护装置中查看两侧电流就能很快发现。

3电动机启动过程中差动保护误动原因分析及对策
3.1电动机启动过程中造成差动保护误动的原因分析
电动机启动过程中,定子启动电流中不但有基频交变分量,还存在着非周期分量和低频交变分量。

其中,非周期分量电流很快衰减至零,低频交变分量的频率随转速升高而增大,随转子的非周期电流的衰减并很快衰减至零。

电动机在启动过程中含有较大的非周期分量即谐波分量,同时启动电流较大（一般为电动机额定电流的6～8倍），对于风机类和研磨类的电动机启动时间很长。

假如电动机带载启动，这个启动时间会更长。

所以,如果在设计差动保护时对此考虑不周,在启动过程中的发生误动的可能性非常大。

从电流互感器(TA)二次负载分析,启动过程中特别是在低转速时启动电流较大,由于差动保护两侧TA的特性差异,会造成较大的不平衡电流,可能导致差动保护的误动。

发电厂中,由于电动机的装设位置距离电源柜比较远，考虑经济和体积等因素,差动保护采用的两组TA容量基本相同，一组装于电源开关柜内,另一组装于电动机本体的三相绕组中性点处，差动保护装置安装在开关柜上。

即使两侧TA的特性相同，两者的负载仍有较大的差别，电动机中性点TA由于负载大，在启动时达到的饱和程度要比开关柜内的TA深得多，饱和的时间和电动机启动时的负荷有关。

在正常工作情况下,中点侧TA已接近于满负荷，电动机启动时由于TA饱和，在差动回路产生的差流足以造成差动保护误动。

3.2防止电动机启动时差动保护误动的措施
在工程实际中，可以采用以下几种方式来减少和防止电动机启动时差动保护的误动。

（1）引起差动保护误动的不平衡电流决定于两侧电流互感器的相对误差而不是单个电流互感器的误差，因此只要两侧电流互感器的负载能匹配就可大大降低差动不平衡电流。

（2）在设计时，使用容量更大的TA。

对于已经安装完成且无法更换TA的情况，可将中性点侧电流互感器的一组备用绕组与原绕阻顺向串联，使中性点侧容量增大，同时将中性点侧电流互感器电缆一根备用芯与中性线并联使用，降低中性线负载阻抗。

（3）减小中性点TA的二次负载。

通过增大二次电缆的截面积来减少回路阻抗，对于减少TA二次负载有很大帮助。

（4）选用二次电流较小的的TA（比如选用二次电流为1A）。

由于TA的二次负载与二次电流的平方成正比，所以TA的变比对二次负载的影响非常大。

（5）提高差动电流和差动制动系数。

但这样会降低保护在正常工作时的灵敏度。

在灵敏度要求不高的情况下，可以适当提高差动电流和差动制动系数来降低差动保护误动的几率。