磁平衡差動保護在φ5.5×8.5球磨同步電動機上的應(yīng)用

虎尚友

（陜西有色冶金礦業(yè)集團有限公司，西安 710000）

電壓在3kV及以上的異步電動機和同步電動機，應(yīng)對其在運行過程中有可能出現(xiàn)的不正常運行狀態(tài)或電動機內(nèi)部故障裝設(shè)相應(yīng)的保護裝置。電動機經(jīng)常出現(xiàn)的故障狀態(tài)或不正常運行狀態(tài)歸納起來有以下幾點：⑴ 電動機定子繞組相間短路；⑵ 電動機定子繞組單相接地；⑶ 電動機定子繞組過負荷[1]；⑷ 電動機運行過程中繞組與軸承過熱；⑸ 電動機在運行過程中因電網(wǎng)波動或故障而導致定子繞組電壓降低；⑹ 同步電動機失磁失步；⑺ 同步電動機出現(xiàn)非同步?jīng)_擊電流[1]；⑻ 由于電網(wǎng)或電動機內(nèi)部或接線錯誤等原因?qū)е码妱訖C定子繞組三相電流不平衡；⑼ 因拖動的機械設(shè)備卡滯而導致電動機堵轉(zhuǎn)；⑽ 電動機電纜外部故障等。此外，對于容量＜2000kW當電流速斷保護不能滿足靈敏度要求或容量≥2000kW的3kV及以上異步或同步電動機必須裝設(shè)差動保護裝置。

某集團公司日處理10000t/d鉬選礦生產(chǎn)線，一段磨礦采用一臺φ5.5×8.5球磨機，配套電動機為哈電集團TMW4500-30/3050型同步電動機，其技術(shù)參數(shù)分別為：。由于一段磨礦球磨機屬該生產(chǎn)工藝中的核心設(shè)備，為保證設(shè)備運行的可靠性，配套的同步電動機在設(shè)立常規(guī)的保護功能外，又增加了磁平衡差動保護功能。本文將通過磁平衡差動保護裝置在該同步電動機繼電保護這一具體事例上的成功應(yīng)用，介紹磁平衡差動保護的工作原理、計算整定及與傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護的異同。

1 磁平衡差動保護的工作原理

磁平衡差動保護出現(xiàn)以前，大型電動機在電流速斷保護無法滿足電氣保護靈敏度要求的情況下，常常設(shè)立縱聯(lián)差動保護來彌補速斷保護的不足；它是利用在電動機中性點與控制開關(guān)（斷路器）出口處接入兩組CT，按照環(huán)流法將各相的差流接入電流繼電器來實現(xiàn)機電保護功能的；其接線相對較為復雜，在其保護范圍內(nèi)與磁平衡差動保護相比可靠性也相對差一些。

磁平衡差動保護也稱為自平衡差動保護，它是利用磁勢平衡原理實現(xiàn)差動保護的一種方法[3]。常規(guī)的磁平衡差動保護一般由三個磁平衡電流互感器和三個電流繼電器組成。它與普通電流互感器在使用上的不同是，普通電流互感器一次側(cè)導線只穿過CT一次，磁平衡電流互感器一次側(cè)導線穿過CT兩次。在傳統(tǒng)的電動機差動保護中，如用常規(guī)的電流互感器，則電動機控制開關(guān)出口處和中性點處各需要裝設(shè)一組CT；用磁平衡電流互感器時，電動機的進線和中性點接線同樣穿過磁平衡CT，當電動機正常運行時，其繞組兩端一正一反兩次穿過磁平衡CT，按照基爾霍夫第一定律電流相互抵消，磁平衡CT二次無感應(yīng)電流。當電動機運行過程中繞組發(fā)生故障，則一正一反兩次穿過磁平衡CT時，不能相互抵消，磁平衡CT的二次側(cè)將有感應(yīng)電流產(chǎn)生，當磁平衡CT二次側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)電流達到保護裝置動作值時，差動保護裝置將動作跳開控制開關(guān)（如斷路器）。其原理接線圖[2]如圖1所示。

從圖1可以很直觀的看到，磁平衡差動保護的組成是在電動機出口側(cè)與中性點側(cè)同名相加裝一組磁平衡電流互感器CTa、CTb、CTc，其二次繞組分別接至磁平衡差動繼電器CJa、CJb、CJc上組成完整的保護裝置。根據(jù)磁平衡原理，保護裝置中不存在因CT誤差原因而產(chǎn)生的差電流[2]。但在電動機啟動過程中，同相兩側(cè)電流產(chǎn)生的磁通會因磁路不對稱引起漏磁通不一致，可能在CT內(nèi)產(chǎn)生不平衡電流[2]；消除因漏磁通不一致而產(chǎn)生不平衡電流的方法，是將兩側(cè)電纜（電機引線）在同時穿過CT時對稱安裝，正常情況下不平衡電流幾乎為零[2]，不會引起保護裝置誤動。在電動機啟動或正常運行過程中，由于流入各相始端的電流與流入中性點端的電流為同一相電流，對于磁平衡電流互感器而言，該電流一進一出，CT一次安匝為零，即一次勵磁安匝處于磁平衡，則二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護不動作[3]。當電動機內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地故障時，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，在二次側(cè)產(chǎn)生故障電流，當故障電流達到保護裝置整定值時啟動電流繼電器，電流繼電器動作，使該電動機控制柜內(nèi)的斷路器跳閘，斷開電動機電源，達到了保護電動機的目的[3]。

2 高壓電動機磁平衡差動保護的整定計算

同相首尾一次電流流經(jīng)磁平衡電流互感器后，由于兩側(cè)電流產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，僅有兩側(cè)相同電流的漏磁通不一致所產(chǎn)生的磁不平衡電流[2]，其數(shù)值很小，根據(jù)經(jīng)驗值一般≯5‰Ip（Ip三相平衡一次相電流）；因此磁平衡差動保護的動作電流按躲過電動機啟動時產(chǎn)生的最大磁不平衡電流計算[2]：

式中：Idz—磁平衡差動保護動作電流；

Kk—可靠系數(shù)，一般取1.5～2；Ib.max—電動機起動時的最大不平衡電流[2]；

Ker—電動機兩側(cè)磁不平衡誤差系數(shù)，一般取5‰；Kst—電動機起動電流倍數(shù)[2]；

In—電動機額定電流；nCT—磁平衡電流互感器變比[2]。

根據(jù)TMW4500-30/3050型同步電動機制造商提供的相關(guān)參數(shù)，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)計算值為3.511，保證值為4.0；磁平衡電流互感器的變比一般為50/1A。由此計算出保護動作電流為：。

磁平衡差動保護動作時間為繼電器和斷路器的固有動作時間，因此，該裝置的時間按照0s整定。

目前，由傳統(tǒng)的繼電器構(gòu)成的差動保護裝置已經(jīng)被微機保護裝置所取代，在電動機微機保護裝置系列產(chǎn)品中，具有專門的磁平衡差動保護接口，并且為了保證微機保護裝置保護動作的可靠性，在電動機啟動過程中，微機保護裝置增加了延時（T=100ms）保護出口，以躲過電動機啟動過程中瞬時暫態(tài)峰值電流，提高了保護裝置的可靠性（引自微機保護裝置產(chǎn)品說明書）。某公司TMW4500-30/3050型同步電動機微機保護裝置采用的是珠海萬力達公司的產(chǎn)品，其磁平衡差動保護動作邏輯圖如圖2所示：

圖1 高壓電動機磁平衡差動保護原理接線圖

圖2 磁平衡差動保護動作邏輯圖

3 磁平衡差動保護與傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護的比較

傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護裝置，其原理接線是在電動機控制柜內(nèi)開關(guān)負荷側(cè)與電動機接線盒內(nèi)中性點側(cè)分別安裝一組技術(shù)參數(shù)和電流變比完全相同的電流互感器，并按照環(huán)流法連接，將每一相的差流回路接入差動電流繼電器或微機保護裝置相應(yīng)端子上；在電動機正常運行或差動保護范圍外發(fā)生短路故障時，由于電動機中性點與出口側(cè)的電流大小和相位都相同，差流回路沒有電流流過或電流非常小，差動繼電器或微機保護裝置不會動作；只有在電動機的繼電保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，將在兩組電流互感器所組成的二次回路中產(chǎn)生一個回路差流，只有這個電流差值超過繼電保護的整定值時電動機縱差保護啟動并切除控制開關(guān)，達到保護電動機的目的。電動機在正常運行與外部發(fā)生故障下，電流互感器二次側(cè)回路差電流為零，保護裝置不會動作[3]。而當電動機發(fā)生內(nèi)部故障時，差電流很大，此時保護裝置動作[3]。顯然，要實現(xiàn)電動機三相縱聯(lián)差動保護，需要6個電流互感器[3]，參見圖3。因此，兩者相比有以下不同：

圖3 傳統(tǒng)的電動機縱聯(lián)差動保護原理接線圖

⑴ 傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護裝置需要6個電流互感器；而磁平衡差動保護裝置僅需3個電流互感器。

⑵ 傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護接線較為復雜，線路較長；而磁平衡差動保護接線相對較為簡單。

⑶ 傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護受電流互感器飽和特性的影響，在實際應(yīng)用中可能會出現(xiàn)誤動的情況[3]。尤其是當開關(guān)柜距離電動機操作現(xiàn)場很遠時，中性點側(cè)CT要承載過多電纜電阻負載，這樣會使得電流互感器提前進入飽和，從而差電流增大，保護裝置產(chǎn)生誤動[3]；因此，磁平衡差動保護的靈敏度要比傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護高許多，保護動作的可靠性相對較高。

⑷ 傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護需要兩組性能完全一致的互感器，性能差異會引起誤動。在一般工礦企業(yè)，開關(guān)柜距離所控制的電動機較遠，兩者均存在對控制電纜截面的要求比較粗，不經(jīng)濟；并且兩者對于電動機為三角形接線時則無法實現(xiàn)。

⑸ 由于磁平衡差動保護用的電流互感器一般安裝在電動機的出線處，其保護范圍僅僅是電動機本體的內(nèi)部故障[3]；而傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護用的電流互感器為兩組，一組電流互感器安裝在開關(guān)柜斷路器的出口處[3]，另一組電流互感器安裝在電動機繞組中性點處，可以將負載電纜可能出現(xiàn)的故障包含在保護范圍內(nèi)，其保護范圍相對比較寬一些。

4 磁平衡差動保護安裝過程中的注意事項

為保證磁平衡差動保護動作的可靠性，電動機定子繞組出口側(cè)和中性點側(cè)電纜在同時穿過磁平衡電流互感器時，需要對稱安裝，以消除漏磁通產(chǎn)生的電流對保護裝置的影響；這樣才能保證正常情況下不平衡電流接近于零，使之設(shè)備在運行過程中不會造成誤動作，提高了磁平衡差動保護裝置的可靠性。

5 結(jié)語

磁平衡差動保護接線較為簡單，施工過程中二次導線不易接錯，使用電流互感器數(shù)量少，與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護相比較，增加了大型電動機運行的可靠性；目前，在礦山企業(yè)大型交流異步電動機和同步電動機繼電保護中得到了廣泛的應(yīng)用。磁平衡差動保護技術(shù)在該公司10000t/d鉬選礦生產(chǎn)線一段磨礦φ5.5×8.5球磨機配套的TMW4500-30/3050型同步電動機上的成功應(yīng)用，為大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備在生產(chǎn)工藝中可靠運行提供了技術(shù)支持。