虎尚友

（陕西有色冶金矿业集团有限公司，西安 710000）

电压在3kV及以上的异步电动机和同步电动机，应对其在运行过程中有可能出现的不正常运行状态或电动机内部故障装设相应的保护装置。电动机经常出现的故障状态或不正常运行状态归纳起来有以下几点：⑴ 电动机定子绕组相间短路；⑵ 电动机定子绕组单相接地；⑶ 电动机定子绕组过负荷[1]；⑷ 电动机运行过程中绕组与轴承过热；⑸ 电动机在运行过程中因电网波动或故障而导致定子绕组电压降低；⑹ 同步电动机失磁失步；⑺ 同步电动机出现非同步冲击电流[1]；⑻ 由于电网或电动机内部或接线错误等原因导致电动机定子绕组三相电流不平衡；⑼ 因拖动的机械设备卡滞而导致电动机堵转；⑽ 电动机电缆外部故障等。此外，对于容量＜2000kW当电流速断保护不能满足灵敏度要求或容量≥2000kW的3kV及以上异步或同步电动机必须装设差动保护装置。

某集团公司日处理10000t/d钼选矿生产线，一段磨矿采用一台φ5.5×8.5球磨机，配套电动机为哈电集团TMW4500-30/3050型同步电动机，其技术参数分别为：。由于一段磨矿球磨机属该生产工艺中的核心设备，为保证设备运行的可靠性，配套的同步电动机在设立常规的保护功能外，又增加了磁平衡差动保护功能。本文将通过磁平衡差动保护装置在该同步电动机继电保护这一具体事例上的成功应用，介绍磁平衡差动保护的工作原理、计算整定及与传统纵联差动保护的异同。

1 磁平衡差动保护的工作原理

磁平衡差动保护出现以前，大型电动机在电流速断保护无法满足电气保护灵敏度要求的情况下，常常设立纵联差动保护来弥补速断保护的不足；它是利用在电动机中性点与控制开关（断路器）出口处接入两组CT，按照环流法将各相的差流接入电流继电器来实现机电保护功能的；其接线相对较为复杂，在其保护范围内与磁平衡差动保护相比可靠性也相对差一些。

磁平衡差动保护也称为自平衡差动保护，它是利用磁势平衡原理实现差动保护的一种方法[3]。常规的磁平衡差动保护一般由三个磁平衡电流互感器和三个电流继电器组成。它与普通电流互感器在使用上的不同是，普通电流互感器一次侧导线只穿过CT一次，磁平衡电流互感器一次侧导线穿过CT两次。在传统的电动机差动保护中，如用常规的电流互感器，则电动机控制开关出口处和中性点处各需要装设一组CT；用磁平衡电流互感器时，电动机的进线和中性点接线同样穿过磁平衡CT，当电动机正常运行时，其绕组两端一正一反两次穿过磁平衡CT，按照基尔霍夫第一定律电流相互抵消，磁平衡CT二次无感应电流。当电动机运行过程中绕组发生故障，则一正一反两次穿过磁平衡CT时，不能相互抵消，磁平衡CT的二次侧将有感应电流产生，当磁平衡CT二次侧产生的感应电流达到保护装置动作值时，差动保护装置将动作跳开控制开关（如断路器）。其原理接线图[2]如图1所示。

从图1可以很直观的看到，磁平衡差动保护的组成是在电动机出口侧与中性点侧同名相加装一组磁平衡电流互感器CTa、CTb、CTc，其二次绕组分别接至磁平衡差动继电器CJa、CJb、CJc上组成完整的保护装置。根据磁平衡原理，保护装置中不存在因CT误差原因而产生的差电流[2]。但在电动机启动过程中，同相两侧电流产生的磁通会因磁路不对称引起漏磁通不一致，可能在CT内产生不平衡电流[2]；消除因漏磁通不一致而产生不平衡电流的方法，是将两侧电缆（电机引线）在同时穿过CT时对称安装，正常情况下不平衡电流几乎为零[2]，不会引起保护装置误动。在电动机启动或正常运行过程中，由于流入各相始端的电流与流入中性点端的电流为同一相电流，对于磁平衡电流互感器而言，该电流一进一出，CT一次安匝为零，即一次励磁安匝处于磁平衡，则二次侧不产生电流，保护不动作[3]。当电动机内部出现相间短路或接地故障时，故障电流破坏了电流互感器的磁通平衡，在二次侧产生故障电流，当故障电流达到保护装置整定值时启动电流继电器，电流继电器动作，使该电动机控制柜内的断路器跳闸，断开电动机电源，达到了保护电动机的目的[3]。

2 高压电动机磁平衡差动保护的整定计算

同相首尾一次电流流经磁平衡电流互感器后，由于两侧电流产生的磁通大小相等，方向相反，仅有两侧相同电流的漏磁通不一致所产生的磁不平衡电流[2]，其数值很小，根据经验值一般≯5‰Ip（Ip三相平衡一次相电流）；因此磁平衡差动保护的动作电流按躲过电动机启动时产生的最大磁不平衡电流计算[2]：

式中：Idz—磁平衡差动保护动作电流；

Kk—可靠系数，一般取1.5～2；Ib.max—电动机起动时的最大不平衡电流[2]；

Ker—电动机两侧磁不平衡误差系数，一般取5‰；Kst—电动机起动电流倍数[2]；

In—电动机额定电流；nCT—磁平衡电流互感器变比[2]。

根据TMW4500-30/3050型同步电动机制造商提供的相关参数，堵转电流倍数计算值为3.511，保证值为4.0；磁平衡电流互感器的变比一般为50/1A。由此计算出保护动作电流为：。

磁平衡差动保护动作时间为继电器和断路器的固有动作时间，因此，该装置的时间按照0s整定。

目前，由传统的继电器构成的差动保护装置已经被微机保护装置所取代，在电动机微机保护装置系列产品中，具有专门的磁平衡差动保护接口，并且为了保证微机保护装置保护动作的可靠性，在电动机启动过程中，微机保护装置增加了延时（T=100ms）保护出口，以躲过电动机启动过程中瞬时暂态峰值电流，提高了保护装置的可靠性（引自微机保护装置产品说明书）。某公司TMW4500-30/3050型同步电动机微机保护装置采用的是珠海万力达公司的产品，其磁平衡差动保护动作逻辑图如图2所示：

图1 高压电动机磁平衡差动保护原理接线图

图2 磁平衡差动保护动作逻辑图

3 磁平衡差动保护与传统纵联差动保护的比较

传统的纵联差动保护装置，其原理接线是在电动机控制柜内开关负荷侧与电动机接线盒内中性点侧分别安装一组技术参数和电流变比完全相同的电流互感器，并按照环流法连接，将每一相的差流回路接入差动电流继电器或微机保护装置相应端子上；在电动机正常运行或差动保护范围外发生短路故障时，由于电动机中性点与出口侧的电流大小和相位都相同，差流回路没有电流流过或电流非常小，差动继电器或微机保护装置不会动作；只有在电动机的继电保护范围内发生故障时，将在两组电流互感器所组成的二次回路中产生一个回路差流，只有这个电流差值超过继电保护的整定值时电动机纵差保护启动并切除控制开关，达到保护电动机的目的。电动机在正常运行与外部发生故障下，电流互感器二次侧回路差电流为零，保护装置不会动作[3]。而当电动机发生内部故障时，差电流很大，此时保护装置动作[3]。显然，要实现电动机三相纵联差动保护，需要6个电流互感器[3]，参见图3。因此，两者相比有以下不同：

图3 传统的电动机纵联差动保护原理接线图

⑴ 传统的纵联差动保护装置需要6个电流互感器；而磁平衡差动保护装置仅需3个电流互感器。

⑵ 传统的纵联差动保护接线较为复杂，线路较长；而磁平衡差动保护接线相对较为简单。

⑶ 传统的纵联差动保护受电流互感器饱和特性的影响，在实际应用中可能会出现误动的情况[3]。尤其是当开关柜距离电动机操作现场很远时，中性点侧CT要承载过多电缆电阻负载，这样会使得电流互感器提前进入饱和，从而差电流增大，保护装置产生误动[3]；因此，磁平衡差动保护的灵敏度要比传统的纵联差动保护高许多，保护动作的可靠性相对较高。

⑷ 传统的纵联差动保护需要两组性能完全一致的互感器，性能差异会引起误动。在一般工矿企业，开关柜距离所控制的电动机较远，两者均存在对控制电缆截面的要求比较粗，不经济；并且两者对于电动机为三角形接线时则无法实现。

⑸ 由于磁平衡差动保护用的电流互感器一般安装在电动机的出线处，其保护范围仅仅是电动机本体的内部故障[3]；而传统的纵联差动保护用的电流互感器为两组，一组电流互感器安装在开关柜断路器的出口处[3]，另一组电流互感器安装在电动机绕组中性点处，可以将负载电缆可能出现的故障包含在保护范围内，其保护范围相对比较宽一些。

4 磁平衡差动保护安装过程中的注意事项

为保证磁平衡差动保护动作的可靠性，电动机定子绕组出口侧和中性点侧电缆在同时穿过磁平衡电流互感器时，需要对称安装，以消除漏磁通产生的电流对保护装置的影响；这样才能保证正常情况下不平衡电流接近于零，使之设备在运行过程中不会造成误动作，提高了磁平衡差动保护装置的可靠性。

5 结语

磁平衡差动保护接线较为简单，施工过程中二次导线不易接错，使用电流互感器数量少，与传统的纵联差动保护相比较，增加了大型电动机运行的可靠性；目前，在矿山企业大型交流异步电动机和同步电动机继电保护中得到了广泛的应用。磁平衡差动保护技术在该公司10000t/d钼选矿生产线一段磨矿φ5.5×8.5球磨机配套的TMW4500-30/3050型同步电动机上的成功应用，为大型旋转设备在生产工艺中可靠运行提供了技术支持。