虎尚友

（陜西有色冶金礦業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710000）

電壓在3kV及以上的異步電動機(jī)和同步電動機(jī)，應(yīng)對其在運(yùn)行過程中有可能出現(xiàn)的不正常運(yùn)行狀態(tài)或電動機(jī)內(nèi)部故障裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置。電動機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的故障狀態(tài)或不正常運(yùn)行狀態(tài)歸納起來有以下幾點(diǎn)：⑴ 電動機(jī)定子繞組相間短路；⑵ 電動機(jī)定子繞組單相接地；⑶ 電動機(jī)定子繞組過負(fù)荷[1]；⑷ 電動機(jī)運(yùn)行過程中繞組與軸承過熱；⑸ 電動機(jī)在運(yùn)行過程中因電網(wǎng)波動或故障而導(dǎo)致定子繞組電壓降低；⑹ 同步電動機(jī)失磁失步；⑺ 同步電動機(jī)出現(xiàn)非同步?jīng)_擊電流[1]；⑻ 由于電網(wǎng)或電動機(jī)內(nèi)部或接線錯(cuò)誤等原因?qū)е码妱訖C(jī)定子繞組三相電流不平衡；⑼ 因拖動的機(jī)械設(shè)備卡滯而導(dǎo)致電動機(jī)堵轉(zhuǎn)；⑽ 電動機(jī)電纜外部故障等。此外，對于容量＜2000kW當(dāng)電流速斷保護(hù)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(jī)必須裝設(shè)差動保護(hù)裝置。

某集團(tuán)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(jī)，配套電動機(jī)為哈電集團(tuán)TMW4500-30/3050型同步電動機(jī)，其技術(shù)參數(shù)分別為：。由于一段磨礦球磨機(jī)屬該生產(chǎn)工藝中的核心設(shè)備，為保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，配套的同步電動機(jī)在設(shè)立常規(guī)的保護(hù)功能外，又增加了磁平衡差動保護(hù)功能。本文將通過磁平衡差動保護(hù)裝置在該同步電動機(jī)繼電保護(hù)這一具體事例上的成功應(yīng)用，介紹磁平衡差動保護(hù)的工作原理、計(jì)算整定及與傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護(hù)的異同。

1 磁平衡差動保護(hù)的工作原理

磁平衡差動保護(hù)出現(xiàn)以前，大型電動機(jī)在電流速斷保護(hù)無法滿足電氣保護(hù)靈敏度要求的情況下，常常設(shè)立縱聯(lián)差動保護(hù)來彌補(bǔ)速斷保護(hù)的不足；它是利用在電動機(jī)中性點(diǎn)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(shí)現(xiàn)機(jī)電保護(hù)功能的；其接線相對較為復(fù)雜，在其保護(hù)范圍內(nèi)與磁平衡差動保護(hù)相比可靠性也相對差一些。

磁平衡差動保護(hù)也稱為自平衡差動保護(hù)，它是利用磁勢平衡原理實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)的一種方法[3]。常規(guī)的磁平衡差動保護(hù)一般由三個(gè)磁平衡電流互感器和三個(gè)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(dǎo)線只穿過CT一次，磁平衡電流互感器一次側(cè)導(dǎo)線穿過CT兩次。在傳統(tǒng)的電動機(jī)差動保護(hù)中，如用常規(guī)的電流互感器，則電動機(jī)控制開關(guān)出口處和中性點(diǎn)處各需要裝設(shè)一組CT；用磁平衡電流互感器時(shí)，電動機(jī)的進(jìn)線和中性點(diǎn)接線同樣穿過磁平衡CT，當(dāng)電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，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(dāng)電動機(jī)運(yùn)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(shí)，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(dāng)磁平衡CT二次側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)電流達(dá)到保護(hù)裝置動作值時(shí)，差動保護(hù)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(hù)的組成是在電動機(jī)出口側(cè)與中性點(diǎn)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(hù)裝置。根據(jù)磁平衡原理，保護(hù)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(jī)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(jī)引線）在同時(shí)穿過CT時(shí)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(hù)裝置誤動。在電動機(jī)啟動或正常運(yùn)行過程中，由于流入各相始端的電流與流入中性點(diǎn)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(jìn)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(hù)不動作[3]。當(dāng)電動機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地故障時(shí)，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(dāng)故障電流達(dá)到保護(hù)裝置整定值時(shí)啟動電流繼電器，電流繼電器動作，使該電動機(jī)控制柜內(nèi)的斷路器跳閘，斷開電動機(jī)電源，達(dá)到了保護(hù)電動機(jī)的目的[3]。

2 高壓電動機(jī)磁平衡差動保護(hù)的整定計(jì)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(yàn)值一般≯5‰Ip（Ip三相平衡一次相電流）；因此磁平衡差動保護(hù)的動作電流按躲過電動機(jī)啟動時(shí)產(chǎn)生的最大磁不平衡電流計(jì)算[2]：

式中：Idz—磁平衡差動保護(hù)動作電流；

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

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

In—電動機(jī)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(jī)制造商提供的相關(guān)參數(shù)，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)計(jì)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(jì)算出保護(hù)動作電流為：。

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

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

圖1 高壓電動機(jī)磁平衡差動保護(hù)原理接線圖

圖2 磁平衡差動保護(hù)動作邏輯圖

3 磁平衡差動保護(hù)與傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護(hù)的比較

傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)裝置，其原理接線是在電動機(jī)控制柜內(nèi)開關(guān)負(fù)荷側(cè)與電動機(jī)接線盒內(nèi)中性點(diǎn)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(jī)保護(hù)裝置相應(yīng)端子上；在電動機(jī)正常運(yùn)行或差動保護(hù)范圍外發(fā)生短路故障時(shí)，由于電動機(jī)中性點(diǎn)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(jī)保護(hù)裝置不會動作；只有在電動機(jī)的繼電保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，將在兩組電流互感器所組成的二次回路中產(chǎn)生一個(gè)回路差流，只有這個(gè)電流差值超過繼電保護(hù)的整定值時(shí)電動機(jī)縱差保護(hù)啟動并切除控制開關(guān)，達(dá)到保護(hù)電動機(jī)的目的。電動機(jī)在正常運(yùn)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(hù)裝置不會動作[3]。而當(dāng)電動機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，差電流很大，此時(shí)保護(hù)裝置動作[3]。顯然，要實(shí)現(xiàn)電動機(jī)三相縱聯(lián)差動保護(hù)，需要6個(gè)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(jī)縱聯(lián)差動保護(hù)原理接線圖

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

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

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

⑷ 傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)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(jī)較遠(yuǎn)，兩者均存在對控制電纜截面的要求比較粗，不經(jīng)濟(jì)；并且兩者對于電動機(jī)為三角形接線時(shí)則無法實(shí)現(xiàn)。

⑸ 由于磁平衡差動保護(hù)用的電流互感器一般安裝在電動機(jī)的出線處，其保護(hù)范圍僅僅是電動機(jī)本體的內(nèi)部故障[3]；而傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)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(jī)繞組中性點(diǎn)處，可以將負(fù)載電纜可能出現(xiàn)的故障包含在保護(hù)范圍內(nèi)，其保護(hù)范圍相對比較寬一些。

4 磁平衡差動保護(hù)安裝過程中的注意事項(xiàng)

為保證磁平衡差動保護(hù)動作的可靠性，電動機(jī)定子繞組出口側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)電纜在同時(shí)穿過磁平衡電流互感器時(shí)，需要對稱安裝，以消除漏磁通產(chǎn)生的電流對保護(hù)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(yùn)行過程中不會造成誤動作，提高了磁平衡差動保護(hù)裝置的可靠性。

5 結(jié)語

磁平衡差動保護(hù)接線較為簡單，施工過程中二次導(dǎo)線不易接錯(cuò)，使用電流互感器數(shù)量少，與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)相比較，增加了大型電動機(jī)運(yùn)行的可靠性；目前，在礦山企業(yè)大型交流異步電動機(jī)和同步電動機(jī)繼電保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。磁平衡差動保護(hù)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(jī)配套的TMW4500-30/3050型同步電動機(jī)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(yùn)行提供了技術(shù)支持。