張 龍，何金平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引 言

GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規(guī)范》9.0.2 款1 條中規(guī)定：2 MW 及以上的電動機，或電流速斷保護靈敏系數(shù)不符合要求的2 MW 以下的電動機，應裝設縱聯(lián)差動保護。差動保護是防止中壓電動機發(fā)生相間短路的主保護。目前，海洋石油平臺中壓電動機通常采用的差動保護主要有2 種方式：縱聯(lián)差動保護和自平衡差動保護。與陸地所用的中壓電動機不同，用于海洋石油平臺上的中壓電動機一般容量不大，并且供電距離都比較短，這兩種差動保護各有優(yōu)缺點。相對而言，按照常規(guī)方式做縱聯(lián)差動保護配置時弊大于利，因而宜優(yōu)先采用自平衡差動保護方式。

1 縱聯(lián)差動保護

1.1 縱聯(lián)差動保護的工作原理

縱聯(lián)差動保護利用基爾霍夫電流定理工作。當電動機及其供電線路正常運行或區(qū)外故障時，流入電動機及供電電力電纜的電流和流出電流相等，保護裝置不動作；當電動機或供電線路發(fā)生短路故障時，兩側(cè)向故障點提供較大的短路電流，保護裝置動作。

1.2 縱聯(lián)差動保護的接線方式

在中壓電動機側(cè)和中壓開關(guān)柜側(cè)均安裝兩組變比相同的電流互感器，分別接入電動機縱聯(lián)差動保護裝置(安裝在中壓開關(guān)柜上)，通過電動機縱聯(lián)差動保護裝置對兩側(cè)電流進行比較，以此來判斷保護范圍內(nèi)是否發(fā)生短路故障。

在正常或保護范圍外發(fā)生短路故障時，中壓電動機側(cè)和中壓開關(guān)柜側(cè)裝設的電流互感器二次側(cè)差電流為0，縱聯(lián)差動保護裝置不會動作；而當保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，中壓電動機側(cè)和中壓開關(guān)柜側(cè)裝設的電流互感器二次側(cè)差電流很大，且超過縱聯(lián)差動保護裝置整定值，縱聯(lián)差動保護裝置啟動并發(fā)出跳閘信號，使本電動機開關(guān)柜內(nèi)的斷路器跳閘，切除電動機電源，防止電動機或供電線路故障導致的事故擴大?？v聯(lián)差動保護接線方式詳見圖1。

圖1 縱聯(lián)差動保護接線方式Fig.1 Connection of longitudinal differential protection

如圖1 所示，要實現(xiàn)中壓電動機縱聯(lián)差動保護，需要在中壓電動機中性點接線盒內(nèi)安裝3 只電流互感器(TA4)，在中壓開關(guān)柜內(nèi)安裝3 只電流互感器(TA3)和1 套縱聯(lián)差動保護裝置(SEL 系列微機綜合保護裝置SEL-787)。

2 自平衡差動保護

2.1 自平衡差動保護的工作原理

自平衡差動保護是利用磁通平衡原理實現(xiàn)差動保護的一種方法。在正常情況下，由于磁通平衡，電流向量和為0，自平衡電流互感器二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護裝置不動作；當電動機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，二次側(cè)產(chǎn)生電流，保護裝置動作[1]。

2.2 自平衡差動保護的接線方式

在中壓電動機主接線盒內(nèi)安裝3 只自平衡電流互感器，中壓電動機每相定子繞組的始端和中性點端的引線分別引入每只自平衡電流互感器的環(huán)形鐵芯窗口一次，自平衡電流互感器的二次側(cè)接入電動機帶有自平衡保護功能的微機綜合保護裝置，通過微機綜合保護裝置來判斷電動機內(nèi)部是否發(fā)生短路故障。在電動機正常運行或起動過程中，流入A、B、C 三相始端的電流與流入中性點端的電流為同一電流，對于磁平衡電流互感器而言，該電流一進一出，互感器一次安匝為0，即一次勵磁安匝處于磁平衡，則二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護裝置不動作。當電動機內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地故障時，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，二次側(cè)產(chǎn)生電流，當電流達到微機綜合保護裝置的整定值時，微機綜合保護裝置啟動并發(fā)出跳閘信號，使本電動機開關(guān)柜內(nèi)的斷路器跳閘，切除電動機電源，防止電動機故障導致的事故擴大。自平衡式差動保護接線方式見圖2。

圖2 自平衡式差動保護接線方式Fig.2 Connection of self-balanced differential protection

如圖2 所示，要實現(xiàn)中壓電動機自平衡差動保護，則需要在中壓電動機主線盒內(nèi)安裝3 只自平衡電流互感器，在中壓開關(guān)柜內(nèi)安裝1 套微機綜合保護裝置(SEL 系列微機綜合保護裝置SEL-710)。

3 縱聯(lián)差動保護和自平衡差動保護的對比

3.1 縱聯(lián)差動保護的優(yōu)點

縱聯(lián)差動保護的所需要的2 組電流互感器，其中一組安裝在中壓電動機中性點接線盒內(nèi)，另一組安裝在為該電動機配電的中壓開關(guān)柜內(nèi)，對電動機內(nèi)部短路故障和供電線路短路故障均能起到保護作用，差動保護范圍廣。

3.2 縱聯(lián)差動保護存在問題

縱聯(lián)差動保護所需要的2 組電流互感器的二次側(cè)電流信號均應通過控制電纜引至安裝在中壓開關(guān)柜內(nèi)的縱聯(lián)差動保護裝置上，此兩組電流互感器距離縱聯(lián)差動保護裝置的距離不一致(中壓電動機通常安裝在生產(chǎn)區(qū)，中壓開關(guān)柜通常安裝在配電室內(nèi))，因此很容易造成電流互感器二次負載不匹配，即電動機啟動時的激磁涌流會使電動機中性點側(cè)電流互感器勵磁過飽和而開關(guān)柜側(cè)電流互感器勵磁未飽和，從而產(chǎn)生不平衡電流。雖然在兼顧靈敏度的情況下，可以通過提高差動動作電流和差動制動系數(shù)來躲過不平衡電流，但是中壓電動機啟動中的電流暫態(tài)過程比較復雜，上述解決辦法并不一定能可靠躲過啟動過程中產(chǎn)生的不平衡電流[2]。

從微機綜合保護裝置的配置上來說，縱聯(lián)差動保護和電動機的其他保護功能通常需要配置2 套微機綜合保護裝置，1 套(SEL-787)專門用于實現(xiàn)電動機的縱聯(lián)差動保護功能，另外1 套(SEL-751A)用于實現(xiàn)電動機的其他保護功能，例如過負荷保護，堵轉(zhuǎn)保護等等。因此，采用縱聯(lián)差動保護時，需要配置3 繞組的電流互感器和2 套微機綜合保護裝置，相應電氣設備和元器件的增加也會提高工程的造價。

3.3 自平衡差動保護的優(yōu)點

①自平衡差動保護的電流互感器檢測的是電動機定子繞組每相的不平衡電流，避免了因為兩組電流互感器特性誤差或者電流互感器二次回路阻抗不匹配而引起的微機綜合保護裝置誤動作。

②在電動機沒有內(nèi)部短路故障時，自平衡電流互感器的二次側(cè)不產(chǎn)生電流，所以微機綜保裝置繼電保護動作電流的整定值可以很小，保護動作靈敏度高。

③從微機綜合保護裝置的配置上來說，自平衡差動保護和電動機的其他保護功能通常可以只配置1 套微機綜合保護裝置(SEL-710)，既能實現(xiàn)電動機的差動保護功能，也能實現(xiàn)電動機的其他保護功能，如過負荷保護、堵轉(zhuǎn)保護等。采用自平衡差動保護時，只需要在中壓開關(guān)柜內(nèi)配置2 繞組的電流互感器和1 套微機綜合保護裝置，可以降低工程的造價。

3.4 自平衡差動保護存在問題

①自平衡差動保護的自平衡電流互感器安裝在中壓電動機側(cè)，只能保護電動機內(nèi)部短路故障，對于其供電線路則需要單獨設置主保護。如果裝設常規(guī)的電流速斷保護，在短路容量較小或供電線路過長時，供電線路末端電流速斷保護靈敏度系數(shù)不符合繼電保護要求，可能造成供電線路末端不在保護范圍之內(nèi)，即存在死區(qū)。

②自平衡電流互感器通常安裝在中壓電動機本體上，且為穿芯式結(jié)構(gòu)，每相定子繞組的始端和中性點端的引線分別引入每只自平衡電流互感器的環(huán)形鐵芯窗口，因此自平衡電流互感器應安裝在電動機主接線盒內(nèi)，考慮到電動機主接線盒承擔著供電線路接線端子的職能，主接線盒的尺寸會比較大。如果電動機的中心高比較低，主接線盒尺寸較大，其接線空間太小，則不能滿足電纜的安裝要求。

3.5 兩種差動保護的比較

縱聯(lián)差動保護和自平衡差動保護的比較見表1。

表1 縱聯(lián)差動保護和自平衡差動保護對比Tab.1 Comparison table for longitudinal differential protection and self-balancing differential protecion

4 海洋石油平臺中壓電動機差動保護的選擇和整定

4.1 中壓電動機差動保護的選擇

對于海洋石油平臺來說，通常中壓電動機容量較小，供電線路短，一般經(jīng)核算后其供電線路全長均在電流速斷保護范圍之內(nèi)，故應優(yōu)先采用自平衡差動保護。應該注意的是，在電動機采購時，應與電動機供貨商進行協(xié)商，確定電動機側(cè)安裝的是自平衡電流互感器；同時，應與中壓開關(guān)柜和微機綜合保護裝置供貨商溝通，確定采用自平衡差動保護。

4.2 中壓電動機自平衡差動保護的整定

自平衡差動保護整定原則：自平衡差動保護對中壓電動機內(nèi)部(包括進、出線接線端子)相間短路及單相接地短路具有保護作用。由于相間短路故障電流大，不能作為確定自平衡電流互感器變比和自平衡差動保護整定值的依據(jù)[3]。海洋石油平臺6 kV 或10 kV供配電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，單相接地短路故障電流是系統(tǒng)的總單相接地電容電流，其大小與系統(tǒng)電纜的截面和長度有關(guān)。所以，自平衡電流互感器的變比應按系統(tǒng)的總單相接地電容電流來確定，自平衡差動保護整定值應躲過同一系統(tǒng)中其他線路發(fā)生單相接地時流過此電動機的電容電流來確定。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設計手冊》(第三版)，系統(tǒng)的單相接地電容電流按下式計算[4]：

式中：S 為電纜芯線標稱截面，mm2；Ur為線路額定電壓，kV；l 為線路長度，km；Ic為接地電容電流，A。

3～10 kV 電動機的單相接地保護整定按下式計算：

式中：Iop為保護裝置一次動作電流，A；Ic∑為電網(wǎng)的總單相接地電容電流，A；Krel為可靠系數(shù)；Icx為其他線路發(fā)生單相接地時流過此電動機的電容電流，A。

5 結(jié) 語

自平衡差動保護的接線簡單，靈敏度高，工程造價低，避免了縱聯(lián)差動保護因兩組電流互感器勵磁特性不匹配引起的保護誤動作。尤其在海洋石油平臺上，供電線路距離較短，且電動機容量偏小，應優(yōu)先考慮采用自平衡差動保護。