低壓電動機啟動引起接地保護誤動的分析及改進

張琨 周浩

【摘 ?要】電廠內(nèi)部分低壓電動機運行功率較大，多次出現(xiàn)因啟動瞬間產(chǎn)生大電流對接地保護電流互感器采樣回路造成干擾，增大測量誤差，導(dǎo)致接地保護繼電器誤動作事件。通過對電磁干擾和抗干擾措施的分析，提出提高電流互感器測量精度的改進方案，避免低壓電動機啟動引起接地保護誤動。經(jīng)過數(shù)據(jù)測量和現(xiàn)場驗證，改進方案可在電廠應(yīng)用和推廣。

【關(guān)鍵詞】低壓電動機;干擾;接地保護;誤動

Abstract：some low-voltage motors in the power plant have large operating power，and the sampling circuit of the ground protection current transformer caused by the large current generated at the moment of starting causes interference，increases the measurement error，and leads to the misoperation events of the grounding protection relay. Based on the analysis of electromagnetic interference and anti-interference measures，this paper puts forward an improved scheme to improve the measuring accuracy of current transformer and avoid the misoperation of grounding protection caused by the start of low-voltage motor. After data measurement and field verification，the improved scheme can be applied and popularized in power plant.

Key words：low-voltage motor ?interference ?grounding protection ?misoperation

低壓電動機作為轉(zhuǎn)動部件，在電廠廣泛應(yīng)用，可連接風(fēng)扇、泵體等設(shè)備。低壓大容量電動機在單相繞組發(fā)生短路接地故障時，其上游熔斷器熔斷時間過長，不利于安全運行，因此需增設(shè)后備接地保護，在故障發(fā)生時，迅速動作切斷電路。

電廠大容量低壓電動機啟動瞬間產(chǎn)生的啟動電流可達電動機額定運行電流的數(shù)十倍。對于啟動電流對接地保護電流互感器采樣回路形成干擾，增大測量誤差，導(dǎo)致接地保護誤動作問題，需對干擾的形成進行深入分析，制定切實有效的抗干擾改進措施。

一、問題與現(xiàn)狀

1.1典型事件

2018年5月，國內(nèi)某電站在進行電動機（運行功率185kW）試轉(zhuǎn)向時，點動試驗過程中，上游開關(guān)接地保護動作跳閘。檢查開關(guān)接線無松動過熱現(xiàn)象，各元器件狀態(tài)良好;測量電機三相繞組直阻平衡，三相對地及相間絕緣均大于160M?（要求大于10M?），電纜相間及對地絕緣大于60M?。2018年6月，再次對電動機進行點動試驗，電機啟動瞬間上游開關(guān)接地保護再次動作跳閘。

1.2保護配置

電廠低壓電動機采用“斷路器—接觸器—熱偶繼電器—接地保護繼電器”回路配置。

斷路器用于下游負荷過流保護，在下游負荷發(fā)生短路故障時動作。斷路器跳閘切斷負荷，同時輔助接點動作，切斷主回路接觸器工作電源。

熱偶繼電器用于下游負荷過載保護。當(dāng)下游負荷發(fā)生過載故障時，過載保護動作，切斷主回路接觸器工作電源，接觸器斷開。

接地保護繼電器用于下游負荷接地保護。當(dāng)下游負荷發(fā)生接地故障時，經(jīng)過一定延時，接地保護繼電器保護動作，切斷主回路接觸器工作電源，接觸器斷開。電動機回路額定功率大于等于55kW時要求配置接地故障保護。

二、接地保護設(shè)計

2.1接地保護功能

接地保護繼電器通過穿入主回路的電流互感器進行采樣，檢測主回路中是否存在接地電流;當(dāng)主回路絕緣下降或接地時，電流互感器會感應(yīng)到一個不平衡電流矢量和信號，即ia+ib+ic≠0，該信號送入繼電器進行放大后，監(jiān)測接地電流是否超過設(shè)定值。當(dāng)檢測電流超過設(shè)定值，接地保護繼電器保護動作，控制節(jié)點狀態(tài)改變。

2.2保護整定原則

低壓廠用變壓器普遍采用中性點零序保護設(shè)計，變壓器零序保護整定原則需滿足作為用電負荷的后備保護和上下級差配合要求，以800kVA低壓廠用變壓器零序保護與185kW電動機回路保護配合為例，接線原理圖及保護配置情況如下：

三、誤動分析及改進

3.1誤動分析

收集185kW電動機試轉(zhuǎn)向時，點動跳閘錄波波形，波形包含接地電流有效值、電流互感器二次采樣電壓有效值、三相電壓有效值、三相電流有效值。

分析波形數(shù)據(jù)，確認電機三相啟動電流平衡，三相電壓穩(wěn)定，但一次回路仍存在約50A的接地電流，且電流互感器二次側(cè)感應(yīng)出3.4V交流電壓。

將開關(guān)及同型號備件電機運送至檢修間，模擬現(xiàn)場工況，進行電機離線啟動試驗。電機啟動運行無異常，然而開關(guān)接地保護仍然動作。對比離線試驗錄波波形與現(xiàn)場電機跳閘時錄波波形相似。

將開關(guān)與同型號備件開關(guān)進行對比，發(fā)現(xiàn)部分元器件安裝位置不同，開關(guān)熱偶繼電器及中間繼電器在同一側(cè)，穿過電流互感器一次側(cè)三相電纜空間更為狹小。備件開關(guān)三相電纜穿過電流互感器的布置基本一致，而開關(guān)A相電纜斜向上方穿過電流互感器，對比圖片如圖4：

分析認為，當(dāng)流過A相電纜的電流大小發(fā)生變化時，在其周圍就會產(chǎn)生出變化的磁場。接地保護繼電器檢測回路處于該交變的磁場中，在回路中將感應(yīng)出電動勢和感應(yīng)電流，這兩部分通過磁力線形成相互干擾。

3.2改進依據(jù)

所有電氣和電子設(shè)備工作都會有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時變化速率還相當(dāng)快，這樣會導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會將這個能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中，從而對周圍的設(shè)施產(chǎn)生電磁干擾。

電磁干擾進入設(shè)備可分為二大類、即傳導(dǎo)和輻射。

（1）輻射干擾：干擾信號是通過電磁波輻射傳播的。

（2）傳導(dǎo)干擾：干擾信號是通過干擾源和被干擾設(shè)備之間的公共阻抗進行傳播的。

以上二種干擾傳播方式可能互相轉(zhuǎn)換，輻射干擾可以通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)換成為傳導(dǎo)干擾，而傳導(dǎo)干擾又可通過導(dǎo)線形成輻射干擾。

干擾的傳播途經(jīng)有五種：導(dǎo)線直接傳導(dǎo)耦合、經(jīng)公共阻抗的耦合、電容性（電場）耦合、電感性（磁場）耦合、輻射（電磁場）耦合。前四種傳播途徑并稱為傳導(dǎo)性耦合。

通常對于有用信號以外的所有電子信號總稱為噪聲，按噪聲的來源可以將噪聲源分成三大類：

1）本征噪聲源，其來源于物理系統(tǒng)內(nèi)部的隨機波動，例如熱噪聲、交流聲、高頻電路等;

2）人為噪聲源，例如電機、開關(guān)、數(shù)字電子設(shè)備、無線電發(fā)射裝置等在運行過程中所帶來的噪聲;

3）自然界干擾引起的噪聲，例如雷擊和太陽的黑子活動等。

A相電纜電流變化時產(chǎn)生的磁場可稱作電流互感器的噪聲源，感應(yīng)出的電動勢電壓為Ui，Ui在電流互感器二次回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流為I，噪聲大小正比于噪聲源回路的電流I變化率di/dt及互感M。一般而言，噪聲源回路的電流I變化率是不可控的，有效的方法是如何減小互感。

3.3改進方案

以下兩種情況可能導(dǎo)致耦合程度加深：回路之間的耦合距離，包括回路之間的相對位置較近;噪聲回路和感應(yīng)回路的環(huán)路面積較大。為避免耦合（干擾）程度加深，需設(shè)法減小互感。

3.1.1 拉開回路之間的耦合距離;

可以通過調(diào)整A相電纜與電流互感器之間的相對位置，加大與噪聲導(dǎo)體之間的距離。

3.1.2減小噪聲回路和感應(yīng)回路的環(huán)路面積;

可以通過縮短電流互感器二次回路采樣線長度，減小回路間環(huán)路交替面積。

3.1.3增加電磁屏蔽。

可以通過將電流互感器二次線更換為雙絞電纜或屏蔽電纜，增加回路的電磁屏蔽能力。

3.4現(xiàn)場驗證

將一次開關(guān)側(cè)動力電纜準(zhǔn)確穿過電流互感器中心，在電流互感器內(nèi)壁增加屏蔽鐵皮并均勻包裹，更換電流互感器二次屏蔽線。在相同的試驗條件下，再次進行啟動試驗，接地保護未動作。

分析波形數(shù)據(jù)，確認電機三相啟動電流平衡，三相電壓穩(wěn)定，接地電流有效值降低為2.1A，電流互感器二次電壓有效值約1.6V。

改進后驗證低壓電動機啟動正常，說明相應(yīng)改進措施有效解決了一次啟動電流對電流互感器的干擾問題。

四、結(jié)論

電廠內(nèi)大容量電動機啟動瞬間產(chǎn)生大電流，在電纜附近會形成變化的磁場。電動機后備接地保護往往未考慮電磁兼容措施，電流互感器在變化的磁場中受到干擾，導(dǎo)致測量誤差增大，接地保護誤動。

改進后的電動機接地保護回路采用拉開回路之間的耦合距離、減小噪聲回路和感應(yīng)回路的環(huán)路面積、增加電磁屏蔽等措施，有效減小了電動機一次啟動電流對接地保護電流互感器的干擾，從根本上解決了低壓電動機啟動引起接地保護誤動的問題。

參考文獻：

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[2]GB/T16895.10-2010低壓電氣裝置

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[5]《電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術(shù)》 作者：（法）米切爾 麥迪圭安（Michel Mardiguian）著 劉萍等譯 出版社：機械工業(yè)出版社 出版日期：2002

作者簡介：

張琨（1986-），男，籍貫：四川樂山，民族：漢，職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：低壓交流電氣設(shè)備電磁干擾，單位：大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司，單位省市：廣東省深圳市，單位郵編：518124，

（作者單位：大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司）