磁平衡差動保護在φ5.5×8.5球磨同步電動機上的應用

虎尚友

（陜西有色冶金礦業集團有限公司，陜西西安，710000）

在大型礦山企業中，由于生產工藝的需要，經常采用破碎機、球磨機、砂泵等一些機械設備，而這些設備常常配套使用大功率的同步或異步電動機作為動力來滿足生產工藝的要求；為了保證生產工藝的連續穩定運行，電動機的正確選擇與可靠運行就顯得尤為重要；因此，在注重電動機本身產品質量的同時，對電動機使用過程中的保護問題也是企業必須要重視的，它關系到一個選礦生產線的正常運行和供電網絡的供電安全問題。故此，對于電壓為3kV及以上的異步電動機和同步電動機，應對下列故障及異常運行方式裝設相應的保護裝置：⑴定子繞組相間短路；⑵定子繞組單相接地；⑶定子繞組過負荷[1]；⑷電動機運行中繞組與軸承過熱；⑸定子繞組低電壓；⑹同步電動機失步；⑺同步電動機失磁；⑻同步電動機出現非同步沖擊電流；⑼相電流不平衡[1]；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差動保護裝置。

某集團公司日處理10000t/d鉬選礦生產線，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，其技術參數分別為：。本文將通過該同步電動機繼電保護這一具體事例，介紹磁平衡差動保護的工作原理、計算整定、與傳統差動保護的異同及在大型球磨機配套同步電動機上使用的成功例證。

1 磁平衡差動保護的工作原理

磁平衡差動保護也稱為自平衡差動保護，是利用磁平衡原理實現差動保護的一種方法，常規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。它與普通的電流互感器在使用上不同的是，普通電流互感器一次線只穿過CT一次，磁平衡電流互感器一次線穿過CT兩次。在傳統的電動機差動保護中，如用常規電流互感器，則電動機進線處和中性點處各裝一組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，當電動機繞組正常時，一正一反兩次穿過磁平衡CT，相互抵消，磁平衡CT二次無感應電流。如電動機繞組有故障，則一正一反兩次穿過磁平衡CT時，不能相互抵消，磁平衡CT二次有感應電流，差動保護動作。其原理接線圖[2]如圖1所示。

圖1 高壓電動機磁平衡差動保護原理接線圖

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與中性點側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。根據磁平衡原理，差動電流中不存在因CT誤差原因產生的差電流。電動機啟動時，同相兩側電流產生的磁通，因磁路不對稱引起漏磁通不一致，在CT內產生不平衡電流，若兩側電纜在同時穿過CT并安裝的比較對稱，正常情況下不平衡電流幾乎為零[1]。在電動機啟動或正常運行過程中，流入各相始端的電流與流入中性點端的電流為同一電流，對于磁平衡電流互感器而言，該電流一進一出，互感器一次安匝為零，即一次勵磁安匝處于磁平衡，則二次側不產生電流，保護不動作。當電動機內部出現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，二次側產生電流，當電流達到規定值時啟動電流繼電器，繼電器使電動機配電柜內的斷路器跳閘，切除電動機電源，達到了保護電動機的目的。

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磁平衡電流互感器后，由于兩側電流產生的磁通大小相等，方向相反，僅有兩側相同電流的漏磁通不一致所產生的磁不平衡電流，其數值很小，根據經驗值一般≯5‰IP（IP三相平衡一次相電流）；因此磁平衡差動保護動作電流按躲過電動機啟動時產生最大磁不平衡電流計算：

式中：Idz—磁平衡差動保護動作電流；

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

Ker—電動機兩側磁不平衡誤差，一般取5‰；Kst—電動機起動電流倍數；

In—電動機額定電流；nCT—磁平衡電流互感器變比。

根據TMW4500-30/3050型同步電動機制造商提供的相關參數，堵轉電流倍數計算值為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，由傳統的繼電器組成的差動保護已經被微機保護裝置所取代，在電動機微機保護裝置內，具有專門的磁平衡差動保護接口，為保證保護動作的可靠性，在電動機啟動過程中，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峰值電流，提高保護可靠性。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品，其磁平衡差動保護動作邏輯圖如圖2所示：

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差動保護的異同

傳統的縱聯差動保護，其原理是在電動機中性點側與出口開關側分別安裝有兩組變比相同的電流互感器，按環流法連接將該相的差流回路接入電流繼電器，在正常或保護范圍外發生短路故障時，中性點與出口側的電流數值和相位都相同，差流回路沒有電流或電流極小，繼電器不會動作；當保護范圍內發生故障時，將產生一個回路差流，當其超過電流繼電器整定值時即啟動電機縱差保護動作。電動機在正常運行與外部發生故障下，電流互感器二次側回路差電流為零，保護裝置不會動作。而當電動機發生內部故障時，差電流很大，此時保護裝置動作。顯然，要實現電動機三相縱聯差動保護，需要6個電流互感器，參見圖3。因此，兩者相比有以下不同：

（1）傳統的縱聯差動保護需要6個電流互感器；而磁平衡差動保護僅需3個電流互感器。

（2）傳統的縱聯差動保護接線較為復雜，線路較長；而磁平衡差動保護接線簡單。

圖3 傳統的電動機縱聯差動保護原理接線圖

（3）傳統的縱聯差動保護受電流互感器飽和特性的影響，實際應用中可能出現誤動的情況。尤其是當控制室離電動機操作現場很遠時，中性點側CT要承載過多電纜電阻負載，這樣會使得其提前進入飽和，從而差電流增大，保護誤動；因此，磁平衡差動保護的靈敏度要比傳統的縱聯差動保護高許多，保護動作的可靠性相對較高。

（4）傳統的縱聯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，開關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，不經濟；并且兩者對于電動機為三角形接線時則無法實現。

（5）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部故障；而傳統的縱聯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柜的出口處，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的故障包含在保護范圍內，其保護范圍相對比較廣一些。

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和中性點側電纜在同時穿過磁平衡電流互感器時，需要對稱安裝，這樣才能保證正常情況下不平衡電流接近于零，使之設備在運行過程中不會造成誤動，提高了差動保護裝置的可靠性。

5 結語

磁平衡差動保護接線較為簡單，使用電流互感器數量少，與傳統的縱聯差動保護相比，增加了大型電動機運行的可靠性；目前，在礦山企業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使用。磁平衡差動保護技術在該公司10000t/d鉬選礦生產線一段磨礦φ5.5×8.5球磨機配套的TMW4500-30/3050型同步電動機上的成功應用，為大型旋轉設備在生產工藝中可靠運行提供了技術支持。