高阻抗差動保護(hù)在核電廠大型電動機(jī)中的應(yīng)用

朱興文，衣蘭妹（華能山東石島灣核電有限公司，山東　榮成　264312）

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高阻抗差動保護(hù)在核電廠大型電動機(jī)中的應(yīng)用

朱興文，衣蘭妹
（華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成264312）

摘要：高阻抗差動保護(hù)作為電動機(jī)的主保護(hù)在國外應(yīng)用已十分廣泛，但在國內(nèi)電廠應(yīng)用較少。國內(nèi)某核電站大型電動機(jī)采用SPAE010高阻抗保護(hù)繼電器，這是該類型保護(hù)在國內(nèi)核電首次應(yīng)用。針對核電站大型電動機(jī)保護(hù)問題，結(jié)合SPAE010高阻抗保護(hù)繼電器特點(diǎn)，分析了高阻抗差動保護(hù)原理及整定原則，介紹了大型電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)的調(diào)試方法。

關(guān)鍵詞：高阻抗；差動保護(hù)；大型電動機(jī)；保護(hù)原理；整定；調(diào)試

0　引言

目前，核電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)向大型化發(fā)展，大容量電動機(jī)在核電機(jī)組中發(fā)揮著越來越重要的作用。而核電站對安全近乎苛刻的要求，對大型電動機(jī)的保護(hù)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。高阻抗差動保護(hù)因其特有的穩(wěn)定性和可靠性，而逐漸在核電站得到應(yīng)用［1］。分析高阻抗差動保護(hù)原理及整定原則，并以SPAE010高阻抗保護(hù)繼電器的現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試為例，闡述大型電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)的定值整定和校驗(yàn)方法。

1　高阻抗差動保護(hù)原理

1.1正常運(yùn)行

圖1為正常運(yùn)行時高阻抗差動保護(hù)原理圖，其中TA1、TA2為電流互感器，Ru為保護(hù)電阻器，KD為高阻抗差動繼電器，QF為電動機(jī)負(fù)荷開關(guān)。當(dāng)正常運(yùn)行或發(fā)生穿越性故障時，TA1一次側(cè)電流與TA2一次側(cè)電流有I1=I2，如果此時TA1與TA2變比相同，且二次側(cè)并聯(lián)，則在理想條件下TA1二次側(cè)電流i1與TA2二次側(cè)電流i2大小相等、方向相反，即ij=i1-i2=0。因此，高阻抗差動繼電器兩端的電壓Uab=ijRj=0，Rj為高阻抗差動繼電器的內(nèi)部阻抗。

由以上分析可知，正常運(yùn)行時，兩個TA二次繞組所流過的電流，在Ru和繼電器內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降大小相等且方向相反，使繼電器輸入電壓為零，所以高阻抗差動繼電器不動作。但只適合于正常運(yùn)行或發(fā)生穿越性故障且電流互感器TA沒有飽和的情形。

1.2電動機(jī)啟動

電動機(jī)啟動電流較大，是額定電流的6～8倍且含有較大的非周期分量。在兩個TA變比匹配合格的情況下，高阻抗差動保護(hù)繼電器兩端的電壓在兩個TA中單個完全飽和時電壓最高［2］。這種極端情況下的等效電路見圖2。

圖1　正常運(yùn)行時高阻抗差動保護(hù)原理

圖2　 TA勵磁等效電路

圖中，Z1n為電流互感器TA一次側(cè)阻抗，Z2n為TA二次側(cè)阻抗，Zm為TA勵磁阻抗，ZL為TA二次負(fù)載阻抗，U1為一次電壓，U2二次負(fù)載電壓。當(dāng)電流互感器TA完全飽和時，其勵磁阻抗Zm為0，且一二次側(cè)無電磁能量轉(zhuǎn)換，忽略二次漏抗，TA二次側(cè)輸入電阻僅為二次繞組的直流電阻Rin［3］。

圖3是電動機(jī)啟動時的原理接線圖，其中Rw為TA2連接電纜電阻，Z2n為TA2二次阻抗。

圖3　啟動時動作原理（TA2飽和）

當(dāng)電流互感器TA2開始飽和時，TA2的勵磁阻抗減小，二次電流i2減小。當(dāng)TA2完全飽和時，TA2的勵磁阻抗幾乎為零，二次電流i2也為零［4］。

在高阻抗差動回路中，由于繼電器支路的高阻抗特性，未飽和TA1的二次電流將流過飽和TA2回路，TA1的二次電流在TA2的二次阻抗及回路電阻上的壓降即為差動保護(hù)繼電器的兩端電壓Uab。

Uab=i1（Z2n+Rw）（1）

為了保證保護(hù)具有較高的靈敏度及可靠性，就應(yīng)使Uab減小，也就是要求TA二次阻抗低，回路連接電纜電阻小。并且Uab的有效值應(yīng)小于差動繼電器的動作整定值［5］。

1.3內(nèi)部故障

圖4為內(nèi)部故障時高阻抗差動保護(hù)動作原理圖。在電動機(jī)發(fā)生各種內(nèi)部故障時，TA1和TA2二次側(cè)的電流大小相等、方向相同，且兩者的矢量和與一次側(cè)的故障電流成正比，二次側(cè)故障電流流過繼電器的高阻抗負(fù)載，使差動回路兩端電壓上升，高阻抗差動繼電器動作。

圖4　內(nèi)部故障動作原理

當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時，圖4的高阻抗差動回路等效電路如圖5所示。其中n為電流互感器匝數(shù)比，Zm為TA的勵磁阻抗值，Z02為TA的二次阻抗值。

圖5　高阻抗差動回路等效電路

在圖5中，TA的二次故障電流id=Id/n（Id為流過TA一次側(cè)故障電流），由于勵磁阻抗Zm很大，ie很小，所以有。此時，電流流入繼電器線圈，產(chǎn)生電壓。又因?yàn)槔^電器阻抗Rj較大，TA的二次阻抗可忽略不計，繼電器兩端的電壓為由于繼電器支路的高阻抗特性，很小的故障電流即能引起繼電器動作。

2　高阻抗差動保護(hù)的整定

要使電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)穩(wěn)定有效，最主要的是滿足：在電機(jī)啟動時穿越性電流流過兩個電流互感器TA，差動保護(hù)不動作；在電動機(jī)發(fā)生各種內(nèi)部故障時，差動保護(hù)及時動作。

繼電器動作電壓的整定電壓范圍較寬，要求整定值必須按最不利的電流互感器TA飽和情況和躲過最大的穿越性故障電流來選擇，以保證保護(hù)不誤動作。取1．3倍電動機(jī)最大啟動電流Ikmax作為最大穿越電流，一端電流互感器TA飽和繼電器不誤動，忽略飽和電流互感器TA二次漏抗，繼電器動作電壓需滿足

當(dāng)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時，流過故障電流的TA為高阻抗差動繼電器提供電壓。為使在區(qū)內(nèi)故障時，TA能夠提供足夠的動作電壓，保障差動保護(hù)繼電器及時動作，電流互感器TA的勵磁拐點(diǎn)電壓Uk應(yīng)為繼電器動作電壓Uop兩倍左右［6］。即

2.1保護(hù)定值整定計算

以某核電站凝結(jié)水泵為例，電動機(jī)參數(shù)：P= 10 500 kW，IN=1 029 A。TA參數(shù)：匝數(shù)比n=1 500/1，Rin=10．4 Ω，Uk=170 V；TA二次側(cè)電纜從保護(hù)安裝處到TA安裝處環(huán)路電阻值，需根據(jù)實(shí)際電纜截面及長度來測得，Rw暫取1 Ω。SPAE 010高阻抗差動繼電器參數(shù)：整定范圍0．4～1．2 Un，整定時間范圍不大于120 ms，Un=100 V。

2.2高阻抗差動繼電器定值整定

由以上計算結(jié)果知：Uop=82 V，又因Un=100 V，繼電器整定點(diǎn)為0．82Un。高阻抗差動繼電器SPAE010的裝置面板如圖6所示。用繼電保護(hù)測試儀在差動保護(hù)裝置002XI的40—41端子加單相電壓，電壓值為繼電器動作電壓整定值82V，然后用螺絲刀手動旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置面板的電壓調(diào)整旋鈕（），先粗調(diào)至0．8，然后再細(xì)調(diào)旋鈕，直至高阻抗差動保護(hù)動作，定值設(shè)置完畢。

圖6　高阻抗差動保護(hù)裝置面板

3　高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)

根據(jù)大型電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)原理分析及定值整定計算，設(shè)置好高阻抗差動繼電器的動作電壓定值，高阻抗差動保護(hù)在應(yīng)用中還需注意：高阻抗差動保護(hù)用TA特性匹配正確，選用匝數(shù)比相同的TA，且兩個TA回路連接電纜電阻對稱；TA勵磁阻抗高、二次漏抗低、回路連接線電阻小；TA勵磁拐點(diǎn)電壓與繼電器動作電壓匹配［7］。為確定設(shè)置完定值后的電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)是否合格，應(yīng)對其進(jìn)行校驗(yàn)。

3.1高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)方法分析

傳統(tǒng)的差動保護(hù)校驗(yàn)方法，一般是通過繼電保護(hù)測試儀在保護(hù)用TA回路二次側(cè)加入故障電流，模擬差流，使差動保護(hù)繼電器動作，進(jìn)而檢驗(yàn)差動保護(hù)的正確性。然而高阻抗差動保護(hù)因差動繼電器回路的高阻抗特性，在TA二次回路加故障電流的方法在高阻抗差動保護(hù)的校驗(yàn)中并不適用。

通過高阻抗差動保護(hù)原理分析知：當(dāng)電動機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時，TA二次側(cè)故障電流流過高阻抗差動繼電器支路和TA二次勵磁支路。為了保證高阻抗差動繼電器能可靠動作，要求與繼電器動作電壓相對應(yīng)的TA勵磁電流與高阻抗差動繼電器支路電流之和小于最小故障電流對應(yīng)的二次電流。

因此，可通過測試內(nèi)部故障的最小電流值高阻抗差動繼電器是否動作，來確定電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)的可靠性。校驗(yàn)原理如圖7所示。在電流互感器TA1一次側(cè)的P1和P2端施加電流，從0開始逐漸增大，記錄繼電器動作時TA1的一次電流值Id，并檢測保護(hù)動作時差動保護(hù)裝置002XI的40—41端子的電壓是否為定值整定值。

圖7　高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)原理

3.2高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)方法驗(yàn)證

根據(jù)上述保護(hù)校驗(yàn)方法分析，可采用一次通流法校驗(yàn)高阻抗差動保護(hù)。一次通流法原理如圖8所示。

圖8　一次通流原理示意

一次通流法采用從母線TV柜下口加電流，同時使電動機(jī)回路開關(guān)下口接地，操作開關(guān)合閘實(shí)現(xiàn)電流流過一次設(shè)備并通過大地形成回流。

3．2．1一次通流的實(shí)施方法

該核電站6．6 kV中壓系統(tǒng)采用的是UniGear ZS1型開關(guān)柜，該類型開關(guān)柜接地開關(guān)與柜門存在機(jī)械聯(lián)鎖，在進(jìn)行一次通流試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)設(shè)置時需人為強(qiáng)制解鎖。

1）將電動機(jī)回路開關(guān)柜接地開關(guān)合上，柜門打開，用短接線將其三相接地，然后分開接地開關(guān)，用螺絲刀頂住柜門與開關(guān)位置的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)（因柜門打開時，有機(jī)械閉鎖不允許將開關(guān)推到工作位），將開關(guān)推至工作位置，并用就地試驗(yàn)盒將電動機(jī)回路開關(guān)合閘；

2）合上母線TV柜接地開關(guān)，打開TV柜下艙門，手動強(qiáng)制艙門與接地開關(guān)位置的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，然后分開接地開關(guān)；

3）將繼電保護(hù)測試儀的A、B、C三相電流測試線接在TV柜下艙的U、V、W上，N相接在接地母排上；

4）用繼電保護(hù)測試儀通過連接在TV柜下艙的U、V、W的試驗(yàn)線向母線加電流，電流從0開始逐漸增大；

5）用打到交流電壓檔的萬用表測量差動保護(hù)裝置002XI 40—41端子的電壓，驗(yàn)證是否在定值電壓附近保護(hù)動作，同時記錄下動作時繼電保護(hù)測試儀加在一次側(cè)的電流值。

采用上述試驗(yàn)方法對某核電站凝結(jié)水泵（P= 10 500 kW，IN=1 029 A）進(jìn)行高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)：差動保護(hù)動作時，測得電壓值為81．7 V，高阻抗差動保護(hù)的定值為82 V，即在定值附近保護(hù)可靠動作，高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)合格。

3．2．2一次通流應(yīng)注意的問題

一次通流保護(hù)校驗(yàn)法僅適用于單體調(diào)試或母線停電檢修階段。

因試驗(yàn)操作需進(jìn)行開關(guān)柜接地開關(guān)與柜門之間機(jī)械閉鎖的強(qiáng)制解鎖，誤操作易損壞設(shè)備，所以強(qiáng)制解除閉鎖時應(yīng)嚴(yán)格按照開關(guān)運(yùn)維手冊的相關(guān)說明進(jìn)行操作。

試驗(yàn)前做好接地線和測試線的連接記錄，并認(rèn)真檢查試驗(yàn)接線正確性，試驗(yàn)后根據(jù)相關(guān)記錄拆除接線，做好試驗(yàn)恢復(fù)。

若在開關(guān)柜側(cè)無法進(jìn)行一次通流進(jìn)行保護(hù)校驗(yàn)，在電動機(jī)機(jī)端側(cè)現(xiàn)場滿足試驗(yàn)條件的情況下，可采取在電動機(jī)機(jī)端側(cè)TA一次通流驗(yàn)證，但需做好電動機(jī)機(jī)端側(cè)TA通流和開關(guān)柜側(cè)電氣參數(shù)測量、保護(hù)裝置動作記錄之間的配合。

4　結(jié)語

高阻抗差動保護(hù)目前在國內(nèi)應(yīng)用較少，且還沒有相應(yīng)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，因此在工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況和選用的電流互感器的特性、參數(shù)等，進(jìn)行合理的定值整定和保護(hù)校驗(yàn)。通過實(shí)踐驗(yàn)證了一次通流法對于實(shí)現(xiàn)大型電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)校驗(yàn)的可行性，為其他核電項(xiàng)目的大型電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)的校驗(yàn)提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

［1］李德佳．大型電動機(jī)高阻抗差動保護(hù)原理、整定及應(yīng)用［J］．繼電器，2004，32（10）：67-69．

［2］黃秋根．變壓器高阻抗差動保護(hù)的應(yīng)用［J］．電工技術(shù)，2011（6）：10-12．

［3］樂啟昌，樂蕭彤．高阻抗變壓器的應(yīng)用［J］．黑龍江電力，2001，23 （6）：442-445．

［4］郭玉恒，宋好鳳，蔣文林．廠用系統(tǒng)保護(hù)TA配置探討［J］．繼電器，2003，31（5）：56-58．

［5］袁層，邰能靈．一起主變高阻抗差動保護(hù)誤動分析［J］．電力自動化設(shè)備，2008（8）：121-123．

［6］DL/T 866—2004電流互感器和電壓互感器選擇及計算導(dǎo)則［S］．

［7］遲永久，劉海濤，邱斌．高阻抗差動繼電器用電流互感器及其設(shè)計［J］．低壓電器，2002（2）：48-51．

Application of High Impedance Differential Protection for Large M otors in Nuclear Stations

ZHU Xingwen，YI Lanmei
（Huaneng Shandong Shidaobay Nuclear Power Company，Rongcheng 264312，China）

Abstract:High impedance differential protection as the main protection of motors is widely applied in foreign power plants，while it is rarely applied in China．SPAE010 high impedance protection relay is applied to the large motor protection in domestic nuclear power plant．This is the first time for it to be applied in nuclear power projects in China．For the protection problem of large motors in nuclear station，combined with features of SPAE010，the principium and setting principles of the high impedance differential protection are analyzed，and the debugging method of the high impedance differential protection for large motors is introduced．

Key words:high impedance；differential protection；large motor；principium；setting；debugging

中圖分類號：TM77

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-9904（2016）02-0055-05

收稿日期：2015-10-29

作者簡介：

朱興文（1986），男，工程師，從事核電廠電氣調(diào)試工作。