施文豐 黃躍進(jìn)

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

隨著各種石化工藝包的引進(jìn)，國(guó)外進(jìn)口的大型高壓電動(dòng)機(jī)(如大型電動(dòng)壓縮機(jī)組等)在石化裝置中被越來越多地使用。進(jìn)口大型高壓電動(dòng)機(jī)常配套磁平衡差動(dòng)保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)，由于磁平衡差動(dòng)保護(hù)(對(duì)比傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù))的優(yōu)點(diǎn)[1]，越來越多的國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)也開始使用磁平衡差動(dòng)保護(hù)。但迄今為止，高壓電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)的整定僅有繼電保護(hù)廠家提供的公式和較少的文獻(xiàn)參考，還沒有國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)磁平衡差動(dòng)保護(hù)及其整定進(jìn)行明確表述[2]。

鑒于國(guó)內(nèi)石化企業(yè)6kV和10kV系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的多樣性，針對(duì)各種接地方式對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定進(jìn)行探討很有必要。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，2MW及其以上或電流速斷保護(hù)靈敏系數(shù)不符合要求的2MW以下的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，其工作原理如圖1所示[1]，保護(hù)裝置應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘[3]。

圖1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)工作原理

通常電流互感器TA1裝設(shè)在高壓開關(guān)柜，TA2裝設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)高壓電動(dòng)機(jī)的專用接線盒，由于兩組互感器二次負(fù)載不一致，裝設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的TA2更易飽和，這就使得電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)或外部發(fā)生短路故障時(shí)(此時(shí)電動(dòng)機(jī)的反饋電流按堵轉(zhuǎn)電流考慮)，保護(hù)裝置測(cè)得的不平衡電流會(huì)較大，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)容易誤動(dòng)作；當(dāng)高壓電動(dòng)機(jī)與高壓開關(guān)柜的距離越遠(yuǎn)時(shí)，此類問題越容易發(fā)生。盡管有些保護(hù)廠家通過刻意提高電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的保護(hù)定值來躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的不平衡電流，但也無法避免外部發(fā)生短路時(shí)的誤動(dòng)作；且電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的靈敏系數(shù)也較低[4，5]。

磁平衡差動(dòng)保護(hù)的工作原理如圖2所示[1]。通常，磁平衡差動(dòng)電流互感器TA裝設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)接線箱內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)定子繞組的始端和中性點(diǎn)端同時(shí)穿過TA。這樣，不管是在啟動(dòng)還是在運(yùn)行過程中，流入定子繞組始端與流出中性點(diǎn)端的電流始終相等，對(duì)TA而言，一次勵(lì)磁安匝數(shù)為零，二次側(cè)不產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就不會(huì)因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或外部短路故障而使保護(hù)誤動(dòng)作。而電動(dòng)機(jī)內(nèi)部短路時(shí)(除匝間短路外)，由于流入定子繞組始端與流出中性點(diǎn)端的電流將不再相等，TA二次側(cè)將感應(yīng)出電流，從而使保護(hù)可靠動(dòng)作。另外，在正常運(yùn)行時(shí)，TA二次側(cè)感應(yīng)的不平衡電流非常小，TA的二次側(cè)開路一般不會(huì)產(chǎn)生過電壓。

圖2 磁平衡差動(dòng)保護(hù)示意圖

2 現(xiàn)有資料中磁平衡差動(dòng)保護(hù)的整定

現(xiàn)有繼電保護(hù)廠家提供的公式或文獻(xiàn)中基本都按躲過外部單相接地短路時(shí)的不平衡電流[1]或躲過啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流[2]兩種方法對(duì)電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行整定。

2.1 躲過外部單相接地短路時(shí)的不平衡電流

系統(tǒng)正常時(shí)，根據(jù)基爾霍夫定律，TA能檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地電容電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)外部發(fā)生單相接地短路時(shí)，故障相電壓為零，故障相的TA將不再能檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地電容電流；非故障相對(duì)地電壓升高為系統(tǒng)的線電壓(中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，此種接地方式非故障相對(duì)地電壓升高得最大)，此時(shí)非故障相的TA能反映電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地電容電流，如圖3所示。

圖3 外部單相接地短路電容電流分布

=Kk·U·ω·Cp/nTA

(1)

式中Cp——電動(dòng)機(jī)單相繞組對(duì)地電容值；

Kk——可靠系數(shù)；

nTA——TA變比；

U——系統(tǒng)線電壓；

Up——系統(tǒng)相電壓；

ω——角頻率。

2.2 躲過啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流

由于流入TA與流出TA的電流在TA中的空間位置的不對(duì)稱、電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地電容電流和TA本身磁路的不對(duì)稱，啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)，TA二次側(cè)總能檢測(cè)到一定大小的不平衡電流(Iimb)。正常運(yùn)行時(shí)，通常情況下TA的實(shí)測(cè)Iimb的值不大于0.5%的運(yùn)行電流。

因此，與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)一樣，磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定時(shí)也必須躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流，即：

Iset=Kk·Kp·Kq·In/nTA

(2)

式中Kp——電流不平衡系數(shù)，通常取0.5%；

Kq——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)(堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù))；

In——電動(dòng)機(jī)額定電流。

Kk取1.5，Kp取0.5%，Kq取7，則有：

Iset=1.5×5%×7×In/nTA≈5%×In/nTA

(3)

通常，躲過啟動(dòng)(堵轉(zhuǎn))時(shí)的不平衡電流的Iset比躲過外部單相接地短路時(shí)的不平衡電流的Iset要大。即現(xiàn)有保護(hù)廠家或參考文獻(xiàn)推薦的磁平衡差動(dòng)保護(hù)整定值(一次值)約為5%的電動(dòng)機(jī)額定電流。

3 現(xiàn)有整定方法在石化裝置不同中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中的適應(yīng)性

由于現(xiàn)有石化裝置的大型化和交聯(lián)聚乙烯電纜的大量使用，6kV或10kV系統(tǒng)的電容電流越來越大，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，石化企業(yè)的6kV或10kV系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式通常采用中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)諧振接地，也有少數(shù)采用中性點(diǎn)低電阻接地[6，7]。

3.1 中性點(diǎn)不接地

根據(jù)GB/T 50064-2014，單相接地電容電流不大于10A(不直接連接發(fā)電機(jī))的6kV或10kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式；當(dāng)直接連接有發(fā)電機(jī)不要求瞬時(shí)切機(jī)時(shí)，單相接地電容電流不大于4A(6kV)或3A(10kV)時(shí)，系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)電流為全系統(tǒng)另外兩相對(duì)地電容電流之和，此值也是磁平衡差動(dòng)保護(hù)電流互感器TA對(duì)應(yīng)的一次電流值(Ic∑)，如圖4所示。

(4)

圖4 內(nèi)部單相短路電容電流分布

考慮Iimb與Ic∑方向的隨機(jī)性，保護(hù)裝置采集的電流Iop為：

(5)

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)為：

(6)

取Kk=1.5，Kq=7，Kk·Kq≈10，則有：

(7)

如果系統(tǒng)的Ic∑更小或電動(dòng)機(jī)額定電流更大，磁平衡差動(dòng)保護(hù)將無法反映電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障。若要求磁平衡差動(dòng)保護(hù)能夠反映電動(dòng)機(jī)的單相接地短路，則需滿足：

(8)

即：

IcΣ≥16Kp·In

(9)

取Kp=0.5%，IcΣ≥0.08In。

一般來說，6kV或10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)單相接地電容電流不小于8%的電動(dòng)機(jī)額定電流時(shí)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)能夠反映電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障。

另外，GB/T 50062-2008規(guī)定：?jiǎn)蜗嘟拥仉娏鳛?0A及以上時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)動(dòng)作于跳閘；單相接地電流為10A以下時(shí)，保護(hù)裝置宜動(dòng)作于信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常依據(jù)電動(dòng)機(jī)在工藝流程中的重要性和電動(dòng)機(jī)廠家的推薦來決定保護(hù)裝置是出口跳閘還是信號(hào)。而現(xiàn)有繼電保護(hù)廠家基本上都將磁平衡差動(dòng)保護(hù)出口設(shè)置為瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘，此種做法欠妥。

3.2 中性點(diǎn)諧振接地

根據(jù)GB/T 50064-2014，單相接地電容電流大于10A(不直接連接發(fā)電機(jī))的6kV或10kV系統(tǒng)，又需要在接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，采用中性點(diǎn)諧振接地；當(dāng)直接連接有發(fā)電機(jī)不要求瞬時(shí)切機(jī)時(shí)，單相接地電容電流大于4A(6kV)或3A(10kV)時(shí)，系統(tǒng)采用中性點(diǎn)諧振接地。根據(jù)GB/T 50064-2014及SH/T 3060-2013等的要求，消弧線圈補(bǔ)償后，故障點(diǎn)殘余電流應(yīng)不超過5A，當(dāng)直接連接有發(fā)電機(jī)時(shí)應(yīng)不超過4A(6kV)或3A(10kV)，取最大值5A作為參考進(jìn)行后續(xù)分析。

石化企業(yè)通常要求單相接地故障帶故障運(yùn)行一段時(shí)間。因此，按超過上述閾值時(shí)，采用中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)進(jìn)行分析，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈補(bǔ)償前，系統(tǒng)就是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，此處不再重復(fù)。

消弧線圈補(bǔ)償后，參照前面的分析，保護(hù)裝置靈敏系數(shù)為：

(10)

式中Ir——故障點(diǎn)殘余電流。

若要求磁平衡差動(dòng)保護(hù)能夠反映電動(dòng)機(jī)的單相接地短路，則需滿足：

Ir≥16Kp·In

(11)

取Ir=5A，Kp=0.5%，計(jì)算得In≤62.5A。

而In≤62.5A的電動(dòng)機(jī)(對(duì)應(yīng)10kV電動(dòng)機(jī)約900kW)通常情況下設(shè)置電流速斷保護(hù)即可滿足要求，而不需要再增設(shè)磁平衡差動(dòng)保護(hù)。因此，如需要反映單相接地故障，只有磁平衡差動(dòng)保護(hù)在消弧線圈補(bǔ)償之前動(dòng)作才有意義。而現(xiàn)有的消弧裝置為了盡可能縮短接地電流持續(xù)的時(shí)間，通常設(shè)置為瞬時(shí)動(dòng)作于補(bǔ)償。這就使得磁平衡差動(dòng)保護(hù)在消弧裝置補(bǔ)償之前動(dòng)作變得較為困難。

總的來說，如果磁平衡差動(dòng)保護(hù)裝置與消弧線圈補(bǔ)償裝置之間沒有很好的配合，6kV或10kV中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)將不能反映電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障。

3.3 中性點(diǎn)低電阻接地

根據(jù)SH/T 3060-2013的要求，6～35kV主要由電纜線路構(gòu)成的供、配電系統(tǒng)單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用低電阻接地方式。

當(dāng)采用低電阻接地方式時(shí)，通常按照單相接地故障100～1 000A選擇中性點(diǎn)接地電阻。參照前面的分析，中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)裝置靈敏系數(shù)為：

(12)

式中If——故障點(diǎn)入地電流。

若要求Klm≥1.5，取If=100，Kp=0.5%，則In最大為1 429A，對(duì)應(yīng)6kV電動(dòng)機(jī)約為12 500kW。即12 500kW及以下的電動(dòng)機(jī)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)能較好地反映內(nèi)部單相接地故障；而12 500kW及以上的大型電動(dòng)機(jī)，通常均采用變壓器-電動(dòng)機(jī)組。因此，通常情況下，靈敏系數(shù)均滿足要求。

總的來說，6kV或10kV中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)能夠很好地反映電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障。出口動(dòng)作于跳閘也符合規(guī)范要求。

4 建議

鑒于上述分析，石化企業(yè)高壓電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)的整定應(yīng)根據(jù)具體的系統(tǒng)接地形式進(jìn)行具體分析。

4.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

只有當(dāng)系統(tǒng)單相接地電容電流滿足式(9)時(shí)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)才能夠較好地反映出電動(dòng)機(jī)單相接地短路故障。如滿足此條件，可按式(2)進(jìn)行整定。同時(shí)依據(jù)具體的工程要求，當(dāng)單相接地故障不要求跳閘時(shí)，向繼電保護(hù)廠家提出要求，將保護(hù)動(dòng)作區(qū)間劃分為兩段：一段為Iset≤Iop<10A，保護(hù)動(dòng)作出口報(bào)警；另一段為Iop≥10A，保護(hù)動(dòng)作出口跳閘。

如果系統(tǒng)單相接地電容電流不滿足式(9)時(shí)，可將磁平衡差動(dòng)保護(hù)放棄保護(hù)電動(dòng)機(jī)的單相接地故障，而由小電流選線等其他裝置去完成電動(dòng)機(jī)的單相接地故障保護(hù)。此時(shí)磁平衡差動(dòng)保護(hù)用來保護(hù)電動(dòng)機(jī)相間短路故障，其定值可設(shè)置為：

Iset=Kk·(IcΣ+Iimb)/nTA

(13)

這樣，即可保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、正常運(yùn)行、外部短路時(shí)，磁平衡差動(dòng)保護(hù)均不誤動(dòng)；而電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生相間短路時(shí)，能可靠動(dòng)作于跳閘，滿足實(shí)際運(yùn)行需求。

4.2 中性點(diǎn)諧振接地

當(dāng)系統(tǒng)單相接地電容電流(未補(bǔ)償前)滿足式(9)時(shí)，可按式(3)進(jìn)行整定。但磁平衡差動(dòng)保護(hù)必須與消弧線圈補(bǔ)償聯(lián)動(dòng)，即系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，消弧線圈補(bǔ)償裝置延時(shí)t1補(bǔ)償；磁平衡差動(dòng)保護(hù)裝置瞬時(shí)動(dòng)作出口報(bào)警(此時(shí)能夠反映電動(dòng)機(jī)具體哪一相發(fā)生了單相接地故障)，延時(shí)t2(t2>t1)動(dòng)作出口跳閘，保證電動(dòng)機(jī)內(nèi)部單相接地故障但失去消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，能可靠跳閘。

當(dāng)系統(tǒng)單相接地電容電流(未補(bǔ)償前)不滿足式(9)時(shí)，即不管是消弧線圈補(bǔ)償前還是補(bǔ)償后，磁平衡差動(dòng)保護(hù)均不能很好反映單相接地故障，建議按式(13)進(jìn)行整定。此時(shí)磁平衡差動(dòng)保護(hù)用來保護(hù)電動(dòng)機(jī)相間短路故障。

4.3 中性點(diǎn)低電阻接地

可以按照式(3)進(jìn)行整定,用來反映電動(dòng)機(jī)單相接地故障，并出口跳閘。

另外，由于磁平衡差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流主要與流入和流出磁平衡差動(dòng)互感器的電流位置不對(duì)稱、電動(dòng)機(jī)繞組的對(duì)地電容電流和TA本身磁路的不對(duì)稱有關(guān)。各電動(dòng)機(jī)不平衡電流存在一定的差異，而根據(jù)式(9)，不平衡電流與磁平衡差動(dòng)保護(hù)反映單相接地故障的電容電流閾值有很大的關(guān)聯(lián)。因此，針對(duì)具體工程，建議先暫按Kp=0.5%進(jìn)行整定，然后在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)磁平衡差動(dòng)保護(hù)的不平衡電流，最后對(duì)保護(hù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

5 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)有可供參考的電動(dòng)機(jī)磁平衡差動(dòng)保護(hù)的整定方法在石化裝置不同中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中的適應(yīng)性各不相同。整定時(shí)，建議對(duì)不同的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)區(qū)別對(duì)待；有條件的，應(yīng)實(shí)測(cè)不平衡電流對(duì)整定值進(jìn)行修正。

[1] 李斌,范瑞卿,賀家李.電動(dòng)機(jī)磁平衡式差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(13):79～82.

[2] 趙倫.電機(jī)磁平衡式差動(dòng)原理與定值整定[J].電工技術(shù),2014,(1):17，20.

[3] GB/T 50062-2008，電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[4] 王維儉,張學(xué)深.電氣主設(shè)備縱差保護(hù)的進(jìn)展[J].繼電器，2000,28(5)：6～8.

[5] 王維儉,李芙英.縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原因不明誤動(dòng)的分析和對(duì)策——兼論光電流傳感器的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999,23(18)：17～19.

[6] GB/T 50064-2014，交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[7] SH/T 3060-2013，石油化工企業(yè)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)石化出版社，2013.