引黃工程同步電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作解析

徐東文

(山西省萬(wàn)家寨引黃工程管理局，太原 030012)

引黃工程同步電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作解析

徐東文

(山西省萬(wàn)家寨引黃工程管理局，太原 030012)

介紹引黃工程同步電動(dòng)機(jī)所用SR469電動(dòng)機(jī)管理繼電器縱差保護(hù)近年來(lái)頻繁誤動(dòng)作的情況，從縱差保護(hù)所用CT、二次接線、定值調(diào)整、保護(hù)配置和繼電器升級(jí)等五個(gè)方面分析了保護(hù)誤動(dòng)作原因并提出了改進(jìn)方案。

同步電機(jī)；差動(dòng)保護(hù)；引黃工程

1 系統(tǒng)配置

1.1 主接線情況

引黃工程五級(jí)提水泵站均采用110 kV雙回線供電，電源均引自220 kV方城站，南干線兩座泵站一次系統(tǒng)配置完全相同，引黃工程南干線單站(SM1站)主接線如圖1所示。引黃工程南干線SM1和SM2兩座泵站 (兩站系統(tǒng)配置完全相同)與電源站之間為三端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖中ET4～6為三臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁變壓器。正常運(yùn)行時(shí)，SM1站110 kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)150與10 kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)550均在合位，系統(tǒng)處于合環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 主要保護(hù)配置情況

南一泵站主機(jī)的主保護(hù)裝置采用的是電動(dòng)機(jī)專用保護(hù)繼電器SR469，其縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù) (87)和零序差動(dòng) (87G)，采用電流平衡原理，保護(hù)范圍為高壓開(kāi)關(guān)柜至同步電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)；后備保護(hù)采用的為N系列過(guò)流繼電器，串接在零序差動(dòng)電流回路中。測(cè)量用CT和母線PT信號(hào)經(jīng)另外的回路接入了SR469繼電器，用于低功率、低電流、低電壓等保護(hù)

圖1 南干線單站主接線示意圖

南一泵站主機(jī)縱差和零差保護(hù)高壓開(kāi)關(guān)柜處所用CT為同體雙二次繞組CT，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。其中二次主繞組作為縱差開(kāi)關(guān)柜處CT繞組 (S1，S2)，二次副繞組為零差開(kāi)關(guān)柜處CT繞組 (g，h)。該CT為日本RISHO KOGYO公司制造，經(jīng)詢問(wèn)國(guó)內(nèi)相關(guān)CT制造廠商，均未生產(chǎn)過(guò)類似產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，證明其縱差及零差所用電流互感器繞組繞在同一個(gè)鐵芯上，兩繞組之間通過(guò)磁路相互影響，并遵守磁鏈平衡原理，即一次側(cè)的安匝數(shù)等于二次側(cè)兩組繞組的安匝數(shù)之和。

圖2 同體雙二次繞組CT結(jié)構(gòu)圖

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

自2010年以來(lái)，引黃工程的供水任務(wù)迅速增長(zhǎng)，輸水沿線各級(jí)泵站以雙機(jī)并列運(yùn)行為主，因開(kāi)展機(jī)組大修等任務(wù)，導(dǎo)致機(jī)組投退操作較為頻繁。期間，因啟動(dòng)熱備機(jī)組 (變頻啟動(dòng)方式)而導(dǎo)致在運(yùn)行的機(jī)組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

故障現(xiàn)象為當(dāng)單臺(tái)機(jī)組定速運(yùn)行時(shí)，在用通過(guò)變頻方式啟動(dòng)同母線另外1臺(tái)熱備用機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，正在定速運(yùn)行機(jī)組保護(hù)SR469可能出現(xiàn)縱差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào) (87)，導(dǎo)致正在運(yùn)行的機(jī)組跳閘。

每次縱差保護(hù)動(dòng)作后，都會(huì)對(duì)差動(dòng)二次回路及SR469繼電器進(jìn)行仔細(xì)檢查和校驗(yàn)，但每次均無(wú)法檢查到確切的故障原因。但查看SR469繼電器中所錄的故障波形和事件記錄，表明保護(hù)裝置確實(shí)監(jiān)測(cè)到差流產(chǎn)生。本次故障波形較為典型。當(dāng)時(shí)系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)故障，而機(jī)組保護(hù)SR469中出現(xiàn)了差流且導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作，從CT配置、保護(hù)接線形式、保護(hù)定值、零差保護(hù)等方式進(jìn)行了保護(hù)誤動(dòng)原因分析。

2.2 原因分析

2.2.1 CT配置

機(jī)組縱差兩側(cè)使用的CT型號(hào)不相同，這與國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)配置要求兩側(cè)CT同型號(hào)、同參數(shù)不符。縱差保護(hù)兩側(cè)使用不同型號(hào)CT將導(dǎo)致在較大穿越電流情況下出現(xiàn)較大的差電流。

此外，國(guó)內(nèi)不同保護(hù)原理 (如差動(dòng)保護(hù)與零序保護(hù))一般使用不同的CT繞組，而SR469繼電器卻使用了在同一鐵芯上的兩個(gè)繞組，造成不同原理保護(hù)用CT間存在電磁耦合，二次電流不能正確反映一次電流。這是導(dǎo)致SR469繼電器誤動(dòng)作的主要原因之一。

由于零序差動(dòng)保護(hù)與縱差保護(hù)兩個(gè)CT繞組之間存在磁鏈關(guān)聯(lián)，雖然零序繞組可以靈敏監(jiān)測(cè)到零序電流，但由于縱差保護(hù)接線不完整，一次側(cè)的穿越性擾動(dòng)電流會(huì)在縱差回路中產(chǎn)生差流。縱差保護(hù)兩側(cè)CT配置不同是導(dǎo)致縱差誤動(dòng)作的主要原因之一。

2.2.2 接線形式

繼電器二次接與標(biāo)準(zhǔn)接線方式以及國(guó)內(nèi)縱差保護(hù)接線方式不同，即縱差兩端CT的二次中線點(diǎn)未連接在一起。標(biāo)準(zhǔn)接線方式和國(guó)內(nèi)電機(jī)縱差常用接線方式相同，如圖3所示 (圖中的電機(jī)中性點(diǎn)未接地)。

CT1的S1，S2繞組僅能傳變正序與負(fù)序電流(二次回路的中性點(diǎn)斷開(kāi)，無(wú)零序電流通路)，而零序電流則需通同鐵芯的CT1的g，h繞組流通，下端CT2的S1，S2繞組既可傳變正序與負(fù)序電流，也可傳變零序電流，這將造成電機(jī)流過(guò)零序電流時(shí)縱差保護(hù)中將產(chǎn)生差流，極可能造成保護(hù)誤動(dòng)。圖2中電機(jī)兩側(cè)CT1和CT2均可以傳變正序、負(fù)序與零序電流，電機(jī)中出現(xiàn)零序電流時(shí)縱差保護(hù)中理論上不會(huì)產(chǎn)生差流，因此保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。為此，對(duì)CT接線進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試見(jiàn)圖3。

圖3 SR469縱差保護(hù)接線圖

2.2.3 接線試驗(yàn)

1)按照現(xiàn)場(chǎng)縱差保護(hù)二次接線圖，用6個(gè)變比為40/1的CT來(lái)替代電動(dòng)機(jī)進(jìn)線側(cè)和出線側(cè)的差動(dòng)回路CT，將CT二次線接入電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置SR469差動(dòng)回路。

2)進(jìn)線側(cè)CT采用星形接法，三相電流線接入保護(hù)裝置，而中性線N點(diǎn)懸空，不接入保護(hù)裝置；出線側(cè)CT也采用星形接法，三相電流線和N線都接入保護(hù)裝置。

3)使用繼電保護(hù)測(cè)試儀P30作為電源，電流輸出線穿過(guò)CT的一次側(cè)并通過(guò)小電阻接通，以試驗(yàn)較大的負(fù)載電流。試驗(yàn)中，繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出相位、相數(shù)、大小均可調(diào)的三相電流，模擬實(shí)際電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流。

圖4 SR469差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室接線圖

2.2.4 試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鑒于實(shí)際CT變比為1 200/1，試驗(yàn)時(shí)CT變比為40/1，可以認(rèn)為試驗(yàn)時(shí)加一次側(cè)電流相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)電流30倍，即一次側(cè)加1 A電流，相當(dāng)于泵站現(xiàn)場(chǎng)一次側(cè)加30 A電流。差流回路的讀數(shù)，采用SR469自帶的測(cè)量功能，直接調(diào)取測(cè)量讀數(shù)讀取。

1)CT一次側(cè)加入三相平衡電流，即三相電流大小相等，相差120°，保護(hù)裝置的差流顯示為0，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，與前述分析一致。

2)一次側(cè)某一相加入大的穿越電流模擬區(qū)外單相接地故障，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 一次側(cè)某一相加入大的穿越電流時(shí)差流讀數(shù)

可見(jiàn)當(dāng)被保護(hù)區(qū)域外發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)兩側(cè)CT，由于上側(cè)CT不能傳變一次系統(tǒng)零序電流，而下側(cè)CT能夠正確傳變一次系統(tǒng)零序電流，造成保護(hù)裝置三相都會(huì)有差電流出現(xiàn)。即區(qū)間外單相故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝置誤動(dòng)。

表2 一次側(cè)加入三相不平衡電流時(shí)差流讀數(shù)

可見(jiàn)在一次側(cè)出現(xiàn)三相不平衡電流時(shí)，二次回路中三相都會(huì)出現(xiàn)差電流，當(dāng)三相電流的的幅值和相角發(fā)生變化時(shí)，差動(dòng)電流會(huì)增加或減少，說(shuō)明此種接線在三相電流不平衡時(shí)會(huì)有差電流流入保護(hù)裝置。電機(jī)運(yùn)行中如果某時(shí)刻一次側(cè)瞬間有較大三相不平衡或諧波電流出現(xiàn)，都會(huì)有較大的差電流流入SR469的差流檢測(cè)回路，會(huì)造成保護(hù)裝置在被保護(hù)區(qū)間內(nèi)沒(méi)有故障的情況下發(fā)生誤動(dòng)。

4)一次側(cè)加入保護(hù)區(qū)間內(nèi)單相故障電流，可見(jiàn)當(dāng)被保護(hù)區(qū)間內(nèi)一次側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流較大，保護(hù)裝置顯示三相都會(huì)有差電流出現(xiàn)，且測(cè)量所得故障量與實(shí)際故障量相差較大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明被保護(hù)區(qū)間內(nèi)單相有故障電流時(shí)，會(huì)在保護(hù)裝置其它兩相中產(chǎn)生差電流。

5)將差動(dòng)保護(hù)二次回路的兩側(cè)CT的N線都接入SR469裝置，進(jìn)行再試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明此時(shí)保護(hù)裝置能正確反映故障相別及其故障量的大小。

由試驗(yàn) (2)、(3)、(4)可知，圖2接線形式無(wú)法正確反映含有零序穿越故障電流，以及區(qū)內(nèi)故障零序電流。

泵站在變頻啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，由于諧波電流或母線電壓波動(dòng)引起正在的運(yùn)行機(jī)組的電流發(fā)生波動(dòng)，因縱差保護(hù)接線不完整，導(dǎo)致差流檢測(cè)回路中產(chǎn)生差流，這是導(dǎo)致機(jī)組縱差保護(hù)誤動(dòng)作的原因之二。

因?yàn)樯鲜鰞?yōu)化問(wèn)題試圖盡量減小需要的緩沖器的數(shù)量，而許多緩沖器調(diào)整次數(shù)很少甚至沒(méi)有調(diào)整.如圖5所示，其中節(jié)點(diǎn)代表了緩沖器，連接線代表了觸發(fā)器之間的邏輯連接.

2.2.5 定值

目前國(guó)內(nèi)大型電動(dòng)機(jī)通常配置有比例制動(dòng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，縱差啟動(dòng)值設(shè)定時(shí)應(yīng)能躲過(guò)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的最大不平衡電流，按經(jīng)驗(yàn)公式，電動(dòng)機(jī)縱差保護(hù)最小動(dòng)作電流Iset(或稱為啟動(dòng)電流)按照如下公式選取：

式中 Iset——最小動(dòng)作電流 (A)；

IM.N——電動(dòng)機(jī)一次額定電流；

IN——電動(dòng)機(jī)二次額定電流；

nTA——電流互感器變比。

引黃工程在用SR469保護(hù)裝置為簡(jiǎn)單差動(dòng)保護(hù)，不具備比例制動(dòng)特性，且從表2可知，其縱差保護(hù)定值僅為0.1IN，與上面經(jīng)驗(yàn)公式 (1-1)推薦的0.3～0.5IN相差較大。

另因泵站同步電機(jī)啟動(dòng)方式采用變頻啟動(dòng)，變頻啟動(dòng)時(shí)10 kV母線上將會(huì)有較大諧波電流產(chǎn)生，該諧波電流也會(huì)流入正在運(yùn)行的機(jī)組。查閱歷次SR469縱差保護(hù)動(dòng)作信息，可知繼電器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)檢測(cè)到的故障電流均在0.1～0.3IN之間 (例如表3數(shù)值)，說(shuō)明繼電器躲過(guò)10 kV母線諧波擾動(dòng)電流的能力較差，定值需要重新核算。

2.2.6 差動(dòng)保護(hù)配置

引黃工程機(jī)組配置有零序差動(dòng)保護(hù) (SR469)和零序反時(shí)限過(guò)流保護(hù) (N系列過(guò)流繼電器)兩套原理不同的零序保護(hù)裝置，且機(jī)端零序差動(dòng)CT與相差保護(hù)CT共用一個(gè)鐵芯，且機(jī)端零序差動(dòng)CT二次繞組為少有的串聯(lián)接法。雖然串聯(lián)接法的CT二次側(cè)只能流過(guò)零序電流 (I0)，但仍存在兩側(cè)零序CT特性差異導(dǎo)致零序差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的可能。

國(guó)內(nèi)外資料未見(jiàn)大中型電動(dòng)機(jī)配置有零序差動(dòng)保護(hù)，通常僅配置有零序過(guò)流保護(hù)，且定值一般按100 A的單相接地電流來(lái)核算。現(xiàn)場(chǎng)所配零序反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的啟動(dòng)值為0.1倍CT二次側(cè)電流 (30 A)，其保護(hù)靈敏度100/30=3.3大于規(guī)范要求的靈敏系數(shù)2，已基本滿足機(jī)組運(yùn)行需要。

綜合上述兩點(diǎn)分析，零序過(guò)流保護(hù)作為后備保護(hù)已基本能滿足機(jī)組運(yùn)行安全，而可靠性較差的零序差動(dòng)保護(hù)功能則可以退出。

3 應(yīng)對(duì)措施

1)拆除零差CT回路：由試驗(yàn)可知，現(xiàn)場(chǎng)所用雙二次繞組CT兩個(gè)二次繞組經(jīng)磁鏈關(guān)聯(lián)，為消除零差用CT繞組對(duì)相差CT繞組的干擾，決定將零差繞組開(kāi)路，這樣雙二次繞組CT就變?yōu)楹?jiǎn)單的單二次繞組CT，可正確傳變正序、負(fù)序、零序電流。

2)修改接線：鑒于現(xiàn)場(chǎng)縱差保護(hù)接線形式與國(guó)內(nèi)通用的保護(hù)接線形式不同，最后決定參考GE公司推薦的接線形式，將兩側(cè)CT中性點(diǎn)用導(dǎo)線進(jìn)行連接，恢復(fù)兩邊的完全星形接法。

3)定值修改：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 (1)，決定取縱差保護(hù)定值為0.3IN，并以單機(jī)為試點(diǎn)，對(duì)縱差保護(hù)定值進(jìn)行調(diào)整。

4)退出零差保護(hù)：現(xiàn)有零序過(guò)流保護(hù)已基本能滿足靈敏性要求，決定退出同樣作為后備保護(hù)的零序差動(dòng)可，并拆除相應(yīng)的二次接線。

5)升級(jí)保護(hù)裝置：由于現(xiàn)用SR469繼電器的差動(dòng)保護(hù)功能無(wú)比率制動(dòng)和諧波制動(dòng)特性，未來(lái)在設(shè)備升級(jí)改造時(shí)，可考慮統(tǒng)一升級(jí)為帶比率制動(dòng)和諧波制動(dòng)特性的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)繼電器。

4 結(jié)束語(yǔ)

采取上述措施后，泵站機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行至今，特別是修改定值的試驗(yàn)機(jī)組再未報(bào)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作故障，試驗(yàn)初步取得成功，這也直接驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)接線方式存在問(wèn)題以及保護(hù)定值偏小。這一試驗(yàn)對(duì)其余機(jī)組進(jìn)行保護(hù)配置及定值調(diào)整，在保證縱差保護(hù)的可靠性前提下不降低其靈敏度，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行具有重要參考意義。

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Analysis of the Causes of Frequent False Activation of Synchronous Motor Differential Protection，Wanjiazhai YRDP＆Improving Measures

XU Dongwen
(Shanxi Wanjiazhai Yellow River Diversion Project Administrative Bureau，Taiyuan，030012，China)

This paper mainly focuses on the frequent mis-operation of differential protection of SR469 motor management relay which is used for synchronous motor，Wanjiazhai YRDP.Analysis is done from 5 aspects.Firstly，from the longitudinal CT used；secondly，from the wiring of secondary circuit；thirdly，from relay setting；fourthly，from the protection configuration and lastly from the relay upgrading.Improving measures are presented based on the analysis done.

synchronous motor；differential protection；YRDP

TV73

B

1006-7345(2014)06-0124-04

2014-07-24

徐東文 (1976)，男，助理工程師，山西省萬(wàn)家寨引黃工程管理局，從事繼電保護(hù)、自動(dòng)控制研究與技術(shù)管理工作 (email)xudongwen＠hotmail.com。