电动机纵联差动保护

一、比率制动差动保护 （1）电动机二次额定电流 In=（2）差动保护最小动作电流

Is=Krel(Kap·Kcc·Ker+Δm)In

Krel——可靠系数，取Krel=2

Kap——外部短路切除引起电流互感器误差增大的系数（非周期分量系数）Kap=2 Kcc——同型系数，电流互感器同型号时取Kcc=0.5，不同型号时Kcc=1 Ker——电流互感器综合误差取Ker=0.1 Δm——通道调整误差，取Δm=0.01~0.02

Is=2 (2×0.5×0.1+0.02)In=0.24 In

一般情况下，取Is=(0.25~0.35)In，当不平衡电流较大时，Is=0.4In

（3）确定拐点电流It 有些装置中拐点电流是固定的，如It= In；当拐点电流不固定时可取It= (0.5~0.8)In （4）确定制动特性斜率s 按躲过电动机最大起动电流下差动回路的不平衡电流整定

最大起动电流Ist·max下的不平衡电流Iumb·max为

Pn3Uncosϕ•

1

nTA

Iumb·max=(Kap·Kcc·Ker+Δm) Ist·max

Kap=2，Kcc=0.5，Ker=0.1，Δm=0.02，Ist·max=Kst In(取Ist=10)

Iumb·max=(2×0.5×0.1+0.02)10In=1.2In 比率制动特性斜率为

s=

KrelIumb•max−Is

KstIn−It

Krel=2，当Is=0.3 In，It=0.8 In，Kst=7

2×1.2In−0.3Ins==0.34

7In−0.8In

一般取s=0.3~0.5 （5）灵敏系数计算

电动机机端最小两相短路电流为

(2)IK=

S31

••B 2x′+xL3UB

x′- 电动机供电系统处最小运行方式时折算到SB基准容量的系统阻抗标幺值 UB - 电动机供电电压级的平均额定电压UB=6.3(10.5)kV XL - 电动机供电电缆折算到SB基准容量的阻抗标幺值 制动电流Ires

(2)IK=相应的动作电流为 2nTA

1

(2)⎛IK

−ItIop=Is+S⎜n2⎝TA⎞

⎟ ⎠

灵敏系数满足以下条件

Ksen

(2)IK=≥1.5(2) nTAIop

（6）差动速断动作电流

按躲过电动机起动瞬间最大不平衡电流条件整定

Ii=KrelIumb·max

Krel – 可靠系数取Krel=3.5~4.5

Iumb·max=1.2 In 则Ii=(3.5~4.5)×1.2 In=(4.2~5.2) In

一般取Ii=(4~6) In

要求电动机机端两相短路时

Ksen

(2)

IK=≥1.2 nTAIi

（7）差流越限告警，取差流越限告警定值为15% In，告警延时一般装置内部固定

（8）动作时限，差动保护本身不需设动作时限，但有的装置为躲暂过程而设了动作时限，此时可取动作时限0.03~0.05 s。

比率制动特性曲线

比率制动差动保护应注意的问题 （1）由于保护装置设在开关柜上，造成纵差保护两侧电流互感器二次电缆长度相差较大，特别是电动机离开关柜较远时情况更严重，这样电动机起动时两侧电流互感器由于二次阻抗不匹配，造成不平衡电流显著增大，甚至中性点电流互感器出现饱和，因此电动机纵差保护要特别注意两侧电流互感器二次阻抗匹配问题。

（2）若无法解决两侧电流互感器阻抗匹配的问题，需采用提高定值来躲过起动时的误差（误动），则宜采用适当增大比率制动斜率，而不宜采用提高最小动作电流的措施，或者分别设起动、正常运行差动保护，分别整定，但有的保护装置不能实现。

（3）当无法解决两侧电流互感器匹配的问题，同时要提高灵敏系数时，可考虑采用磁平衡差动保护，动作电流只需躲过电动机的每相电容电流即可。

（4）为减小差动回路的不平衡电流，容量较大的电动机宜采用二次额定电流为1A的电流互感器。

（5）加强差动二次回路的检查与维护，避免电流互感器二次开路现象，如出现电流互感器二次开路，则宜闭锁差动保护。

2

二、磁平衡纵差保护

磁平衡纵差保护原理接线图

（1）电动机的磁平衡纵差保护可灵敏反应定子绕组的相间短路故障（含定子绕组对另两相中性点短路），不反应定子绕组的匝间短路和定子绕组的断相故障，就反应故障类型来说，与常规纵差保护无区别，但电动机起动、外部短路故障电动机的反馈电流、外部短路故障切除自起动过程中不会形成不平衡电流，这与常规纵差保护不同。对外部单相接地故障，有不大的不平衡电流。

（2）电动机外部单相接地

设A相发生金属性接地，三相正序电压为UjN3，UjN3e-j120，º

UjN3 ej120，三相负序电压

º

为0，三相零电压为-UjN3

由定子绕组每相正序电容CM1，每相零序电容CM0形成的电流仅流过电动机始端，构成磁平衡差动保护的不平衡电流

Iumb󰀀A=jωCM1Iumb󰀀B=jωCM1Iumb󰀀C=jωCM1

UjN3UjN3UjN3−jωCM0

UjN3=j3ωCϕϕUjN3UjN3UjN3

e-j120°−jωCM0=ω(3Cϕϕ+3CM0e-j30°)UjN3e-j30°

ej120°

−jωCM0=ω(3Cϕϕ+3CM0e

j30°

)UjN3ej210°

CM1=3Cϕϕ+CM0 Cϕϕ为定子绕组相间电容 Iumb=|Iumb󰀀B|=|Iumb󰀀C|=ω(CM1+CM0232UjN)+CM0 243

（3）磁平衡纵差保护动作电流

CM0232UjN)+CM0Iop=Krelω(CM1+ 243

3

Krel – 可靠系数取1.1~1.3

对于同步电动机定子绕组每相零序电容（即对接地电容）可由下式计算

CM0=0.84KSn1 (μf/ph)

UN(1+0.08UN)式中k – 由绝缘材料确定的系数，当采用B级绝缘时K=0.0187

Sn – 电动机额定容量，MVA UN – 电动机额定电压，kV 由于CM1=3Cϕϕ+CM0 Cϕϕ≈0.2CM0则CM1=1.6CM0

UjN232UjN⎡⎤Iop=Krelω⎣(1.6+0.5)CM0⎦+CM0 =Krelω5.16CM0

433

=KrelωCM0UjN×1.31 Krel=1.2

则Iop=(1.2×1.31)ωCMOUjN =1.572×ωCMOUjN

如PN=2500kW，SN=

PN2.5==3.125 MVA cosϕ0.8

1=0.0165 (μf/ph)

6(1+0.08×6)

CM0=0.84×0.0187×3.125Iop=1.572×314×0.165×6.3 =51.3A 51.3/300.7≈17% Iop约为电动机额定电流的17%

为躲过电容暂态过程的影响，保护设100~120 ms延时 （4）定子绕组单相接地

当供电网络中性点不接地或经消弧线圈接地时，电动机定子绕组单相接地

ID=3ω(C∑−CM0)αUjN3

式中α- 接地点到电动机定子绕组中性点的匝数与定子绕组-相匝数之比 C∑- 供电网络每相对地总电容

当网络中性点经电阻R接地时电动机定子绕组单相接地

ID≈3(U12)+(ωC∑)2αjN 3R3 式中R – 接地电阻，其他符号与上式相同

ID 小于电动机外部单相接地电流Iop，所以磁平衡差动保护不会动作，当供电电网中性点

经电阻接地时，电动机定子绕组单相接地磁平衡差动保护是否动作与电动机容量、中性点接地电阻大小、接地点位置有关。一般电动机容量小，接地点接近机端时该保护会动作，电动机容量较大时，一般不会动作。

磁平衡差动保护应注意的问题

（1）电动机起动过程中不会在磁平衡差动保护中产生不平衡电流，因而动作电流只需躲过外部单相接地时形成的不平衡电流，一般情况下动作电流为(15%~20%)电动机额定电流，所以灵敏系数比常规比率制动保护大为提高，提升了电动机纵差保护性能。

4

（2）电动机磁平衡差动保护性能远优于比率制动差动保护，定子绕组相间短路故障的死区也远比常规比率制动差动小，而且整定计算简单。在开关柜与电动机间相距较远时（场合），应优先使用这种差动保护。

（3）电流互感器参数应认真选定，其容量可取15~20VA，二次额定电流宜取1A，一次额定电流宜取较大值，以保护最严重短路情况下不发生饱和。

（4）按技术规程要求，除磁平衡纵差保护外，还应在开关柜上装设电动机综合保护，对供电电缆上的短路故障与电动机的故障进行保护。

（5）当电动机磁平衡纵差保护电流互感器处配有零序电流互感时，则构成的零序电流保护在动作电流，动作时限上应与开关柜上综合保护中的零序电流保护配合。

三、高阻抗差动保护（SPAE010，011）

高阻抗差动保护应对于各种区外故障具备稳定性，正是差动回路中的电阻起到这种稳定

作用。在SPAE010及SPAE011中稳定电阻内置在继电器中，并与测量互感器串联，因此称为

。 高阻抗型保护（见图1及图2）

（1）高阻抗继电器的动作电流值应躲过任何区外故障引起的差动电流值（对于电动机保护则应躲过电动机起动电流值）。在保护区内发生故障时两边电流互感器向差动回路馈入电流保护动作。

（2）保护的灵敏性和可靠性取决于电流互感器特性。对于高阻抗差动保护，两组电流互感器的变比应相等，高阻抗保护中应使用PX级的低漏磁电流互感器，其技术特性可通过拐点电压

（拐点电压是在电流互感器的二次侧测得UK，拐点处的励磁电流Ie及二次绕组电阻R2定义。

，见图3。 的励磁电压，即当励磁电压增加10%时，励磁电流增加50%的那一点的励磁电压）

（3）区内故障情况下，流过差动回路的电流必须足以使继电器动作，拐点电压UK应大于2倍的穿越故障所需的稳定电压Us：

UK=kUs=2×Ikmax/nTA(R2+Rm)

式中 UK – 拐点电压； Ikmax – 最大穿越故障电流（电动机起动电流）； Us – 稳定电压； nTA –电流互感器变化； R2 – 电流互感器二次绕组内阻；Rm –最大测量回路的总电阻。

保护动作时间无延迟时系数K=2,建议使用的电流互感器二次内阻与测量回路的电阻一样

大R2=Rm，以避免拐点电压过高。

（4）励磁电流Io（拐点电压处电流互感器的励磁电流）

Io=[（Iprim/ nTA）-(Ir+Iu)]/m

式中 Iprim – 保护装置动作的一次侧电流；

Ir – 继电器整定值；Iu – 通过保护电阻的电流；

nTA –电流互感器的变比；m –属于保护的每相电流互感器的数目。

在区内故障时为避免二次回路电压过高，将压敏电阻与差动回路并联，电压越高阻抗越 低。

（5）灵敏系数计算中应计算出保护装置一次动作电流

Iprim=nTA(

Us

+m×Io+Iu) Rs

式中 Us– 稳定电压；Rs–内部稳定电阻；

Io – 在励磁电压为Us时的励磁电流； Iu- 在电压为Us时流过保护电阻上的电流 m-属于保护的每相电流互感器的数目

5

图1 高阻抗型差动保护原理

图2 使用高阻抗继电器SPAE010的变压器故障保护接线图

6

图3 XIAMEN DYH ELECTRIC CO., LTD.

注意事项：

（1）如果电流互感器的拐点电压UK值高于要求值，则稳定性能得到保证。

（2）如果电流互感器的拐点电压UK为要求值的50%以上，则其稳定性有高的依存情况。 （3）如果电流互感器的拐点电压UK低于要求值，则稳定性不能实现，应选型其他的电流互

感器。

主泵计算：

P=6500kW, U=6kW, In=

6500=735.86A

3×6×0.85Cosϕ =0.85

Ikmax=12×In=8830A UK =2×US=2×

Ikmax

×(R2+Rm) nTA

=2×

8830

×(1.5+1.587)=91V

3000/5

二次回路导线长度 l=150m （实际距离） 二次回路导线截面 s=4 ρ0=0.016mm2Ω/m

R0=2×

ρ×l

A

=2×

0.016×150

=1.2Ω

4

R7.5= R0×(1+0.0043×75)=1.2(1+0.0043×75) =1.587Ω

7

电流互感器选择：LZZBJ9-12/185 b/4 3000/5 A PX级（低漏磁） UK≥128V；R2=1.5Ω Io≤0.05A

对于Io放大倍数为2 Iprim=nTA(

=600(

Us

+m×Io+Iu) Rs

91/2

+1×0.05+0.02) 稳定电压取100V，Rs=4400Ω 4400

U>

≈.45 Un

=48.2A 图4 曲线b 100V，Iu=0.02A

图4 压敏电阻的特征

a=电阻器5248 831-D，b=电阻器5248 831-C，c=电阻器5248 831-B

8

图5 SPAE010和SPAE011的动作特征

⎡Iprim⎤Io=⎢−(Ir+Iu)⎥/m m=1

⎣nTA⎦

IprimnTA

Ir=

−Io−Iu=Ir

48.2

−0.05−0.02=0.01A 600

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