增压风机差动保护误动原因分析及解决措施

傅宁涛

【摘 要】对某电厂脱硫系统增压风机差动保护误动的原因进行了分析,认为二次负荷过大导致差动保护电流互感器(current transformer,CT)饱和及波形畸变,在差动回路产生不平衡电流而引起差动保护误动.提出通过增大二次回路电缆截面积和CT变比来解决保护误动的问题,指出解决CT饱和及波形畸变的方法不可拘于单一方法,应根据实际情况综合应用多种方法. 【期刊名称】《广东电力》 【年(卷),期】2013(026)010 【总页数】3页(P113-115)

【关键词】差动保护;电流互感器;波形畸变;二次电流;变比 【作 者】傅宁涛

【作者单位】广东省粤电集团湛江电力有限公司,广东湛江524099 【正文语种】中 文 【中图分类】TM773.4

高压电动机差动保护误动大多是因电流互感器(current transformer，CT)特性不理想、饱和、二次信号波形畸变等引起，但同是CT饱和、二次信号波形畸变导致差动保护误动，不同的情况解决的方法也不尽相同。本文就一起典型的增压风机差动保护误动事件的不同处理方式作讨论。 1.1 现场设备情况

某电厂增压风机的电动机参数：型号YKK710-6，额定容量2.7 MW，额定电压6 kV，额定电流302 A，额定转速995 r/min，Y形接线方式。

增压风机CT配置情况：6 kV电源侧CT的型号为LZZBJ9-12/185B/4，变比400/5；电动机侧差动CT型号为LZZBJ9-12/185B/4，变比400/5，准确级组合为5P20/25。

保护装置为ABB 公司的REF542plus型综合保护器。

差动保护采用两组容量相同的CT，一组装于6 kV开关室的开关柜内，另一组装于电动机本体三相绕组中性点处，差动保护装置安装在开关柜上。置于开关柜内的CT与差动保护装置之间的连接电缆很短，只有2 m；而置于中性点处的CT与差动保护装置之间的连接电缆较长，为250 m。CT二次侧的电缆采用截面积为4 m2的铜芯电缆。 1.2 差动保护误动情况

启动脱硫增压风机时，增压风机差动保护动作跳闸，差动电流达3.72Ir(Ir为额定电流)。检查电动机绝缘合格，CT回路及接线正确，保护定值正确。进行启动录波检查，录波图显示中性点侧差动保护U相CT二次电流发生明显畸变。据了解，这一问题在工程基建时就存在，当时基建单位和调试单位也进行过多次专题分析，认为是保护离增压风机距离太远而引起差动保护误动，并采取增大二次电缆截面积的措施，但问题始终未得到解决。

由于差动保护U相差动电流达3.72Ir，中性点侧CT饱和而开关侧CT未饱和，因此产生不平衡电流，差动保护动作。对于不平衡电流引起的差动保护误动，可采用提高差动保护动作电流和差动制动系数的方法来解决，但这样会降低保护在正常工作时的灵敏度和可靠性，且电动机启动时的电流暂态过程复杂[1]。所以应从中性点侧差动保护CT波形畸变的原因入手进行分析。

从原理上，若CT二次负荷超过其额定值，会增加传变误差。保护用CT一次电流

i1较小时，二次电流i2呈线性变化；当i1增大到一定程度时，CT铁心中的磁密很高，由于铁磁材料的非线性，励磁电流中的高次谐波含量很大，波形呈尖顶形，与正弦波相去甚远，即使i1是理想的正弦波，i2也不是正弦波[2-6]。所以误差不可避免，关键是控制好这个误差，使之在允许的范围内。

根据DL/T 866—2004《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》[2]，保护用CT性能应满足系统或设备故障工况的要求，即在短路时，将CT所在回路一次电流传变到二次回路，且误差不超过规定值。CT铁心饱和是影响其性能的最重要因素，而影响CT饱和的主要因素是短路电流幅值、二次回路阻抗、工频励磁阻抗、匝数比和剩磁等。

根据CT配置情况，两侧差动保护用CT选型相同，且为同一批次产品，不存在两侧CT不一致、CT特性不同产生不平衡电流或造成CT二次电流畸变的可能。 保护用CT一般为P级，分为5P和10P两种，5P的精度高于10P，分别表示在额定准确限值i1时的复合误差限值为5%、10%；CT的准确限值系数标准值系列为5%、10%、15%、20%和30%等，表示在短路故障下，若短路电流i与i1相比的倍数小于该值，则误差应控制在准确级范围内[2]。由此得出：

a)选择保护用CT的准确级时须同时考虑准确限值系数。如脱硫增压风机CT的准确级组合为5P20、变比为400/5，则i≯20i1=20×400 A=8 kA，此时复合误差≯5%，而电动机的启动电流一般为4～7倍的额定电流，再考虑可靠系数，最大启动电流为3.382 kA<8 kA，因此不会引起CT饱和。

b)双方向选择。既可根据已给定的一次电流最大值i1max、二次负荷值、10%误差曲线、准确限值系数来选择变比，也可根据给定的i1max、变比和10%误差曲线选择准确限值系数，根据10%误差曲线选择额定二次负荷和二次电缆截面积。因此，从饱和电流的角度分析，选择准确级组合为5P20的CT是没有问题的。 从以上分析可知，CT误差与CT铁心励磁特性及二次侧负荷有关。二次负荷越大，

铁心越容易饱和。虽然i1过大不是引起CT饱和的直接原因，但CT变比选择过小，会造成CT二次电流很大，电动机启动时CT二次电流I2甚至可达26.6 A，而CT的额定负荷阻抗为1.0 Ω，因此CT的二次负荷为707 VA，很明显CT的二次负荷非常大。实际上，现在的微机保护装置的功耗非常小，对于CT而言，主要的负载应该是CT二次电缆的电阻和接触电阻等。对于二次电流为5 A的CT，如果距离保护室250 m，采用截面积4 mm2的电缆(每千米约4.5 Ω)，则线路上的电阻为2.25 Ω，线路损耗达32.5 VA；如果更换为截面积8 mm2的电缆，阻值减小1倍，线路的损耗达28.125 VA，按实际额定电流计算，损耗为16.25 VA，启动时的瞬时损耗达796 VA。很明显CT二次负荷过大，造成CT带负载能力不足，引起波形畸变。

综合以上分析得出：中性点处的CT与差动保护装置之间的距离长达250 m，CT二次负载不匹配，使中性点侧CT饱和而开关侧CT未饱和，电动机启动时中性点侧CT二次电流波形发生畸变；引起中性点侧CT二次电流波形发生畸变的根本原因是CT二次负荷过大。

根据以上分析，解决中性点侧CT二次电流波形畸变有以下方法：一是增大CT容量；二是增大二次电缆截面积，以减小CT二次负载；三是通过增大CT变比来减小CT二次电流，从而达到减小CT二次负荷的目的。对于方法一，CT容量不可能无限增大，而且CT的体积、费用等也相应增大，因此不建议采用此措施。对于方法二，之前已采用2根截面积4 mm2的电缆芯并联使用的方法，但问题未得到解决。对于方法三，CT的变比越大，电流继电器的瞬动电流整定值和CT一次电流倍数就越小，越容易满足CT变比的选择原则。之前两侧CT变比均为400/5，电动机的额定电流为302 A。一般电动机保护CT一次额定电流为电动机额定电流的2倍左右，据此，此设备CT变比应选择600/5，额定二次电流由3.8 A降至2.5 A，二次负荷降低8.19 VA。

将增压风机差动保护的CT更换为型号LZZBJ9-12/185B/4、变比600/5、准确级组合5P20/25，通过启动录波试验，波形有较大改善，不平衡电流很小，电动机启动正常。

为了避免大容量电动机启动时因电流过大导致波形畸变而引起差动保护误动作，除了在设备选型上要确保保护级CT容量足够外，还可根据CT的伏安特性曲线和现场实测的CT二次回路负载计算出CT的饱和点，以便选配合适容量和变比的CT，或将CT二次回路的电缆截面积加大，以减小二次负载等。解决CT饱和及波形畸变的方法不可拘于单一方法，应根据实际情况综合应用各种方法。该电厂脱硫增压风机就是通过增大二次回路的电缆截面积及增大保护级CT变比才彻底解决了差动保护误动的隐患。

【相关文献】

[1]江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术[M].北京：中国电力出版社，2006. [2]电力行业电力规划设计标准化技术委员会.DL/T 866—2004 电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S].北京：中国电力出版社，2004.

[3]王维俭，侯炳蕴.大型机组继电保护理论基础[M].2版.北京：水利电力出版社，1989. [4]郑国强.电流互感器暂态饱和的延时计算分析及改进措施[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2011，16(1)：43-45.

ZHENG Guoqiang.Analysis and Improvement Measures of Transient Saturation Time-delay of Current Transformer[J].Journal of Anhui Electrical Engineering Professional Technique College,2011,16(1):43-45.

[5]张煜.基于DSP的电流互感器饱和特性分析及波形重建的研究[D].大连：大连理工大学，2010. [6]杨青，郑涛，肖仕武，等.一种防止变压器差动保护区外故障因TA饱和误动的新方法[C]∥中国电器工业协会继电保护及自动化设备分会，清华大学电机工程与应用电子技术系，华中科技大学电气与电子工程学院.2006中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集.许昌：《电力系统保护与控制》杂志社，2006.