高压电机起运瞬间差动保护误动的研究解决.docx

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高压电机起运瞬间差动保护误动的研究解决

本科生毕业设计（论文）

题目：

高压电机起运瞬间差动保护误动的研究解决

学生姓名：

系别：

机械与电气工程系

专业年级：

指导教师：

2014年3月26日

摘要

在胜利油田生产作业中，电气设备举足轻重，高压电动机起着重大的作用，对电动机的保护措施必不可少，常采用的就是电动机的差动保护，但由于高压电动机启动瞬间一次电流过大，二次负载过大，互感器易饱和等问题易导致CT断线，差流越限等影响生产作业问题，本文采取了1、升级差动保护，启动瞬间增加二次谐波制动2、采用带小气隙的电流互感器等措施顺利解决了该问题安全问题，系统安全性也将大大提高，运行更加平稳、准确。

改造后的系统能够满足油田生产的苛刻要求。

关键词：

油田高压电机；差动保护，电流互感器

ABSTRACT

IntheproductionofShengliOilfield，ElectricalequipmentplayadecisiveroleandtheHighvoltagemotorplaysanimportantroleintheproduction,itisessentialtoprotectmotor,differentialprotectionisoftenusedformotor,Buttheproblemofprimarycurrentandsecondaryloadistoolargewhenthehighvoltagemotorstartingmoment,currenttransformeriseasilysaturatedwillcausedisconnectandDifferentialcurrentlimitation,sothisessayadaptthekeyofupgradingdifferentialprotectionandusingCurrenttransformerwithairgaptosolvethisproblemofsecurity,sothesecurityofthesystemwillgreatlyimproveandtherunningismorestableandaccurate,ThereconstructedsystemcansatisfyDemandingproductionofShengliOilfield.

Thekeyword:

HighvoltagemotorofOilfield;Differentialprotection;Currenttransformer

前言

油田高压电动机是油田生产的至关重要的大型设备，对油田的生产和安全起着非常重要的作用，有着重要的国民经济意义。

高压电动机电力传动系统运行复杂，高压电动机的电动机经常正反向切换运行，频繁的处于电动和制动状态不断转换和处于超负荷的状态。

对高压电动机来说，如果发生故障往往会造成巨大的财产损失和人身伤亡，因此，为了保证高压电动机能够安全可靠的运行，高压电动机的安全性和可靠性就成为研究和制造时必须首要考虑的至关重要的问题。

我国是个采油大国，也是油田机电设备制造和使用大国。

油田企业的高压电动机是咽喉设备，，经常出现高压注水电机在起运瞬间差动保护误动作，或“CT断线”、“差流越限”等信号的发生故障增多，严重影响油田的安全运转，抑制了油田工业的快速发展。

随着国内石油生产量的飞速的提高，对提高高压电动机的安全性、可靠性、生产效率以及整机的自动化水平，降低操作维护人员的劳动强度和提高处理设备故障的速度等，成了非常迫切的要求。

所以本文就以研究和设计高压电动机正常运转为目的，仔细的研究和分析了高压电动机差动保护的各个组成部分及其之间的联系，来更近一步的了解高压电动机生产运作系统，更好的为油田单位服务。

第1章绪论

1.1油田高压电机差动保护现状

油田高压电机是油田生产中最重要的设备，多采用星型接线方式，各方面的性能都比较稳定.按照继保规程规定，高压电动机容量在2000KW及以上，或容量虽小于2000KW但需要差动保护的电动机，在电流速断保护不能满足灵敏度要求时，应装设纵联差动保护。

油田差动保护用电流互感器大都为LZX-10型,0.5级/D级,电流变比为400/5,D级是差动保护专用。

差动保护模块动作电流整定值为5A左右。

1.2课题研究的意义

我国有着丰富的油气资源随着油田电网升压改造的快速进行，目前在对综自站投产验收过程中，经常出现高压注水电机在起运瞬间差动保护误动作，或“CT断线”、“差流越限”等信号的发生，使得高压注水电机不能正常投入生产，严重影响了油田的正常生产任务，也使得电力管理总公司企业形象受损。

本课题的研究意义也就在此，提高油田的产量和质量从而在市场竞争中取得优势地位。

采用动瞬间增加二次谐波制动、采用带小气隙的电流互感器也可以使油田生产的安全性和可靠性也可以得到有力的保障，同时也可以提高油田企业的自动化管理水平。

重新树立对电力管理公司的自信。

第二章差动保护分析

2.1差动保护概述

电流差动保护是继电保护中的一种保护。

正相序是A超前B,B超前C各是120度。

反相序（即是逆相序）是A超前C,C超前B各是120度。

有功方向变反只是电压和电流的之间的角加上180度，就是反相功率，而不是逆相序。

差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的。

差动保护把被保护的电气设备看成是一个节点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。

当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。

当差动电流大于差动保护装置的整定值时，上位机报警保护出口动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。

2.2差动保护原理

利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。

当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流的和正比于故障点电流，差动继电器动作。

差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时，一直用于变压器做主保护。

另外差动保护还有线路差动保护、母线差动保护等等。

变压器差动保护是防止变压器内部故障的主保护。

其接线方式，按回路电流法原理，把变压器两侧电流互感器二次线圈接成环流，变压器正常运行或外部故障，如果忽略不平衡电流，在两个互感器的二次回路臂上没有差电流流入继电器，即：

iJ=ibp=iI-iII=0。

如果内部故障，如图ZD点短路，流入继电器的电流等于短路点的总电流。

即：

iJ=ibp=iI2+iII2。

当流入继电器的电流大于动作电流，保护动作断路器跳闸。

第3章差动保护误动作分析

第一次起动时,为了调试方便,在确认互感器极性正确,电机没有异常后,退出差动保护,起动电机,电动机起动成功。

但电机起动期间,“CT断线”信号灯亮,起动完后,信号灯熄灭。

CT断线整定电流为0.625A。

说明起动时回路有大于0.625A的差电流流过,而“CT断线”只发预告信号,不会使回路跳闸。

此次起动是退出差动保护起动的,这样就不能满足电动机的保护要求。

回路存在差电流是肯定的,这个差流从哪里来?

停机后经过仔细检查,确认实际接线完全符合设计要求,极性也正确,投入差动保护,再次起动,差动瞬间跳闸,从保护原理上分析是完整正确的,高压试验电动机及高压电缆无异常,二次接线无异常,两侧CT变比、伏安特性曲线也合格，校验差动保护也正常。

但就是在电动机起运瞬间差动保护不能可靠躲过启动过程,直接出口跳闸。

电力管理总公司修试中心经过多次现场分析发现，在注水站电动机的装设位置距离高压开关室比较远近的有130米左右,远的甚至有200多米，差动保护采用的2组容量相同电流互感器,由于差动保护实现的原理所限，2组互感器一组装于6kV高压开关室的开关柜内,另一组必须装于电动机本体内三相绕组中性点处,差动保护装置安装在开关柜上。

连接装于开关柜内的电流互感器和差动保护装置之间的电缆很短只有3米,而连接装于中性点处的电流互感器和差动保护装置之间的电缆比较长。

电流互感器二次电缆采用截面积为2.5mm2的铜芯电缆,如果连接中性点处电流互感器的电缆过长时,线路的电阻就会增大,使电流互感器二次负荷超过其额定负荷,致使电流互感器误差增大,可导致差动保护误动作。

具体分析如下:

分析之前,需要先清楚电流互感器10%误差曲线的含义。

如图1所示,该曲线为LZX-10、D级电流互感器10%误差曲线,该曲线表示的是在比值误差fi（%）=10%时,一次电流倍数m与二次负荷Z2en的关系曲线。

理论分析证明,按10%选择电流互感器即能满足继电保护的灵敏性和选择性要求。

该曲线的使用方法是:

首先计算一次侧电流倍数m,然后从10%误差曲线上找出与m对应的二次负荷Z2en,当实际二次负荷阻抗小于Z2en时,即保证所选用的电流互感器误差小于10%。

电流互感器的二次负荷可用下式计算:

（1）

式中Krc继电器的接线系数;Zr差动保护装置阻抗（Ω）;Klc连接导线的连线系数;Zl连接导线的阻抗（Ω）;Zt接触电阻,一般约为0.05Ω～0.1Ω。

两相星形接线方式正常情况下,二次负荷计算公式为:

（2）

差动保护装置绕组的阻抗很小,大约为0.04Ω即Zr=0.04Ω；接触电阻可按0.1Ω计算,即Zt=0.1Ω,如果按照电动机的启动电流为其额定电流的（6～8）倍,取6倍计算,从图2电流互感器10%倍数曲线可以看出,6倍电流值的二次负荷不应该大于2.5Ω。

将上述数值代人公式

（2）,可算出Zl=1.36Ω也就是连接导线电阻Zl≤1.36Ω才能满足电流互感器二次负荷的要求。

按照铜的电阻率为1.75×10-2Ω·m、电缆芯截面积为2.5mm2,通过计算电阻的公式可得到电缆长度:

L=RS/2ρ=ZlS/2ρ=1.36×2.5/（2×0.0175）=97m。

就是说连接电流互感器的二次电缆的长度超过97m时,电流互感器实际二次负荷就会超过电流互感器10%误差曲线对应的二次负荷Z2en,导致电流互感器误差大于10%。

实际连接装于中性点处电流互感器电缆长近200米远远大于97米,说明连接装于中性点处电流互感器的二次电流就超差。

而连接装于开关柜内的电流互感器电缆很短只有3米,在电流互感器二次负荷允许范围内,该电流互感器的二次电流就不超差。

一个误差大,一个指示正确,导致流过保护装置的电流差值过大,造成差动误动作。

在运行期间，当电动机启动时，差动保护频繁动作，检查过电动机一次系统无异常，二次接线无异常，校验过差动继电器也正常。

在电动机开关柜内的差动保护二次电流回路的端子处接入便携式波形记录仪，在电动机启动时录得波形如图2所示：

图中四条曲线从上至下分别为开关侧A相电流、开关侧C相电流、中性点A相电流、中性点C相电流。

图2.差动保护误动时的录波图

Ip－图3.电流互感器等值电路图

一次电流Is－二次电流

Ie－励磁电流Ip/Kn－二次侧全电流

Kn－匝数比（Kn＝N2/N1）

Zb－二次负荷阻抗Zk－励磁阻抗

Xct－二次绕组电抗Rct－二次绕组电阻

电流正常的波形应该是正弦曲线。

从图中可以很清楚的看到，开关侧A相和C相的电流都比较正常，接近正弦波形，而中性点A相和C相的电流都产生了巨大的畸变，波形完全变形，正是因为中性点A相和C相电流产生的畸变导致了差动保护的误动作。

关于产生这种巨大畸变的原因，在对中性点电流互感器做过全面的检查和试验后，确认无故障后，经过分析，认为主要是由于以下两方面原因引起的：

原因1：

差动保护二次回路负荷过大：

如图3所示，在正常运行时，电流互感器的一次安匝（IpN1）不会全部转换成二次安匝（IsN2），其中有一小部分将作为励磁安匝（IeN2），用于产生铁心所需要的磁通，即：

Ip/Kn＝Is＋Ie。

显然Ie是电流互感器产生误差的根源。

但在正常规定的范围内，因为Ie很小，我们通常把一次电流和二次电流看成正比关系，即：

Ip/Kn＝Is。

但当电流互感器的铁心中磁通密度达到一定的数值时，将出现饱和现象。

此时磁通密度再增加时，要求励磁电流大幅度的增加，将导致二次电流不再和一次电流成正比，从而出现严重的畸变。

在开关初始合闸或故障情况时，都存在一个持续数十至数百毫秒的暂态过程，电流互感器处于过度饱和状态，而继电器正是在这个时段动作。

笔者认为差动回路二次回路阻抗偏大，给水泵长期运行，电流互感器产生严重的剩磁，造成互感器在高剩磁时总负荷能力相应下降，在一次电流低于正常饱和值时即过早饱和，引起二次电流产生畸变是造成差动保护频繁误动的主要原因。

原因2：

旧的差动保护装置抗不平衡电流能力差。

当电动机大电流启动时，易引起两侧电流不平衡，旧的DCD－2型差动继电器躲不平衡电流能力比较差，只能通过调节差动动作定值和比率制动系数来调节保护装置的动作特性所以导致经常误

2．电动机启动电流特性分析

厂用高压电动机（常规）大多采用全压启动方式，启动时，当电动机静止，其反电势尚未建立，电机呈现感性阻抗特征，在开关合闸瞬间，相当于电源电压全部加到电机的阻抗上，近似于短路状态，其电磁过程可以采用短路电流特征来描述。

启动电流（短路电流）波形近似如下图

图1短路电流波形图

暂态条件下CT的特性：

当电动机启动时，会产生较大的启动电流，一般情况下可用下式表示：

（1）

波形图如图1所示。

假定当t=0时，

式中Im为一次短路电流周期分量的最大幅值

T1为一次短路回路时间常数

启动电流中含有较大衰减的直流分量，这个衰减的直流分量与短路时电压的相位有关。

90度时最大，0度时最小。

在电流从零开始上升时，CT尚未饱和，此时可通过简化的等值电路求得CT的励磁电流和二次电流：

CT的励磁电流（归算到二次侧）：

（2）

CT的二次电流：

（3）

式中

（2）、（3）式中右端第一项是一次电流中的稳态分量传变到励磁回路和二次回路的；第二项是由一次电流中的非周期分量传变到励磁回路和二次回路的，按一次系统的时间常数T1衰减称为强制非周期分量，第三项是在二次引起的非周期分量，按二次回路的时间常数T2衰减，称为自由非周期分量。

其中

为机端侧二次电流，

为中性点侧二次电流，

为不平衡电流（差电流）

图3差电流图

在CT未饱和时，（3）式成立，差电流如图3所示。

这个差电流主要是由两个CT二次时间常数不一致引起的，且最大值出现在当CT一次时间常数较小一侧快衰减到零的时刻。

可见CT未饱和情况下出现的不平衡电流（差流），因其数值小，不会造成差动保护误动作。

现在我们来看式

（2），励磁电流的波形图如图4所示。

从式（3）和图4中可见，在暂态过程中，励磁电流大大超过稳态值，并且会有缓慢衰减的非周期分量。

1、励磁电流瞬时值；2、强制非周期分量；3自由非周期分量；4稳态量。

图4励磁电流波形图

在励磁电流的作用下，CT工作点将逐渐向饱和方向移动，两三个波以后可能达到或超过CT铁芯磁化曲线的拐点而进入饱和区，此时式

（2），式（3）不再成立，CT励磁电流剧增，CT二次电流剧减且发生畸变，如图5所示，该励磁电流具有以下特征：

（1）包含有很大成份的非周期分量，往往使二次电流偏于时间轴的一侧；

（2）包含有大量的高次谐波，并以二次谐波成分最大；

（3）波形之间存在间断角；

（4）涌流在初始阶段数值很大，以后逐渐衰减。

应该说在一个周波或两个周波之内时，在这种励磁电流的作用下，CT还不会达到饱和点，所以当一次时间常数比较小时，例如20ms，这种暂态过程不会对差动保护造成危害。

其中

为CT一次电流，

为CT二次电流。

图5 CT饱和时二次电流波形图

关键是由于电动机差动保护用的同相两组两侧CT的二次负载不同，CT本身特性也会有差异，在电机启动暂态过程中造成差动保护两侧CT不同时饱和，即中性点侧CT饱和而机端侧CT不饱和时，在差动回路中就会出现较大的不平衡电流，由于差动保护动作速度较快，可能会引起差动保护的误动作，不平衡电流的特点就是偏于时间轴一侧，并且具有间断。

不平衡电流持续的时间即为两侧CT饱和时间之差。

如果CT选择不是很合适（型号、变比），在暂态条件下，由于一次电流中的非周期分量引起CT饱和，后果是很严重的。

一般情况下，其差动保护两侧CT正常工作点不是匹配的（即两侧CT正常工作电压与拐点电压之比应相等），那么在暂态条件下，两侧CT不可能同时进入饱和区。

还应该注意到，即使两侧CT工作点很匹配，而两个CT铁芯剩磁的大小及方向又是随机的，所以在暂态条件下仍然可能出现两侧CT不同时饱和的情况，最严重的情况是差电流等于未饱和一侧CT的二次电流，这就是为什么单靠提高定值和比例制动系数也不可能确保差动保护安全性的原因。

3.差动保护回路的改进

方法1：

并联两条电缆芯，减少回路阻抗

1号给水泵电动机距离开关柜较远，而保护装置就装在开关柜上，从中性点电流互感器到保护装置的二次电缆有近250米长，按照铜的电阻率为1.7×10－8Ω•m，电缆芯截面2.5mm2来算，电缆回路的电阻值约为3.4Ω，相比保护装置的阻抗和二次接触电阻，电流互感器的二次负载可以认为主要都决定于二次电缆的阻抗，减小二次电缆的阻抗就可以有效减小二次回路总的阻抗。

增大电流回路的电缆面积，用一根备用电缆芯分别与原来的中性点电流互感器二次连接线并联使用，将原来的连接导线阻抗减小一半，大大减小了二次回路的阻抗

方法2：

采用带小气隙的电流互感器

这种电流互感器铁芯的剩磁较小，在一次侧电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。

因而励磁电流较小，有利于减小不平衡电流。

同时也改善了电流互感器的暂态特性。

方法3：

升级差动保护，启动瞬间增加二次谐波制动

升级后装置能根据电动机启动还是故障时两种电流的不同，判断是故障电流还是冲击电流，从而判断保护是否该动作，该方案能有效解决因非周期分量暂态不平衡电流的影响而造成差动保护误动，可靠躲过启动过程。

第四章结论

电动机的差动保护在电机启动过程中或备自投过程中引起差动保护误动作的主要原因是由于在暂态条件下两侧CT中的一侧CT饱和所致。

解决的根本措施是正确地选择CT，既要满足稳态误差，又要满足暂态误差，还要考虑选择额定负担较大的CT。

参考文献

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中国电力出版社，2005.

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中国水利水电出版

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致谢

毕业设计是考验大学四年所学知识的一种良好手段。

通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。

本文虽然凝聚着自己的汗水，却也不乏导师的指引和帮助。

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当完成设计论文的那一刻，感受到的不仅是长途跋涉到达终点后的喜悦，还有对导师发自内心的诚挚谢意。

感谢我的导师，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，老师多次询问进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

老师工作比较繁忙，但仍会定期开会了解我们学习上的问题并给予细心的指导。

老师为人随和，是我们的良师益友，深受大家的尊敬和爱戴。

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