电动机保护

第一节 电动机的故障、异常运行状态及保护方式 在电力生产和工矿企业中，大量地使用电动机。发电厂厂用机械大部分用的是异步电动 机，但厂用低速磨煤机、大容量给水泵以及水泵房循环水泵等则采用同步电动机。以下介绍 的内容主要以异步电动机为主。电动机的安全运行对确保发电厂以至整个工业生产的安全、 经济运行都有很重要的意义，因此应根据电动机的类型、容量及其在生产中的作用，装设相 应的保护装置。但是，由于实际使用的电动机数量很多，且大部分为中、小型，因而不可能 在每一台电动机上都配置性能完善的保护装置，故在进行电动机保护配置时，除考虑继电保 护的四个基本要求外，还应该从技术、经济上衡量，力求简单、可靠。

电动机的主要故障有定子绕组的相间短路、单相接地以及同一相绕组的匝间短路。 电动机发生相间短路故障时，不仅故障的电动机本身会遭受严重损伤，同时还将使供电 电压显著下降，影响其他用电设备的正常工作，在发电厂中甚至可能造成停机、停炉的全厂 停电事故。因此，对电动机定子绕组及其引出线的相间短路，必须装设相应的保护装置，以 便及时地将故障电动机切除。通常，对于容量在75kW及以下的低压小容量电动机，可采用 熔断器或低压断路器(自动空气开关)的短路脱扣器作为相间短路保护；容量较大的高压电 动机，则装设由电磁型电流继电器或感应型电流继电器构成的电流速断作为相间短路保护； 当电动机的容量在2000kW以上，或者很重要但电流速断灵敏度不能满足要求时，若具有六 个引出线，可装设纵差保护。

单相接地对电动机的危害取决于供电网络中性点的运行方式。对于380／220V的低压电 动机，其电源中性点一般直接接地，故发生单相接地时，将产生很大的短路电流，因而也应 尽快切除，故应该装设快速动作于跳闸的单相接地保护。为了简化，一般由相间保护采用三 相式接线即可；灵敏度不能满足要求的重要电动机，才考虑采用零序保护。而对于3—10kV 的高压电动机，由于所在供电网络属于小电流接地系统，电动机单相接地后，只有电网的电 容电流流过故障点，其危害一般较小。《规程》规定，当接地电容电流大于5A时，应装设 接地保护，当接地电容电流大于10A时，保护一般作用于跳闸。 同一相绕组的匝间短路将破坏电动机运行的对称性，并使故障相的电流增大，增大的程 度与被短路的匝数有关，最严重情况为一相绕组全部被短接，此时电动机可能被损坏。但由 于目前尚未找到既简单又性能完善的方法反应匝间短路，因此在电动机上一般不装设专用的 匝间短路保护。

电动机的异常运行状态主要是各种形式的过负荷。引起电动机过负荷的原因有：所带机 械负荷过大；电源电压或频率下降而引起的转速下降；一相断线造成两相运行；电动机启动 和自启动时间过长等等。长时间的过负荷将使电动机绕组温升超过允许值，使绝缘老化速度 加速，甚至发展成故障。因此，根据电动机的重要程度、过负荷的可能性以及异常运行状态 等情况，应装设相应的过负荷保护作用于信号、自动减负荷或跳闸。具体配置情况如下：容 量在100kW及以下的低压电动机，可利用磁力启动器中的热继电器或低压断路器中的热脱

扣器实现；容量在100kW以上的低压电动机及易过负荷的高压电动机，则利用构成相间保 护的感应型电流继电器的反时限元件实现。 此外，在电源电压短时间消失或长时间下降后，为保证电压恢复正常时重要电动机的启 动或自启动成功，同时也为了保护哪些根据生产工艺特点不允许不需要自启动的电动机，在 电动机上，还必须配置有低电压保护。对于操作元件采用接触器或磁力启动器实现的低压电 动机，由于这些操作元件的吸铁线圈在电压降低时能自动释放，因此可起到低电压保护的作 用；此外，还可以利用低压断路器的失压脱扣器实现电动机的低电压保护；当电动机的低电 压保护采用低电压继电器构成时，工作在同一母线上的若干台电动机，可共用一套低电压保 护。

同步电动机的保护配置情况与异步电动机基本相同，所不同之处有：①在切除电动机 时，除跳开断路器外，还须跳开灭磁开关进行灭磁；②应装设失步保护等。 第二节电动机的相间短路保护 ．≈

一、瞬时电流速断保护

目前中、小容量的电动机广泛采用电流速断保护作为防御相间短路故障的主保护。 (一)保护的启动元件

构成电动机电流速断保护的电流继电器可以是电磁型的，也可以是感应型的。对于不易 遭受过负荷的电动机(如给水泵、凝水泵、循环水泵的电动机)，可采用DL一10系列的电 磁型电流继电器构成保护。对于容易过负荷的高压电动机及容量在100kW以上的低压电动 机(如排粉机、磨煤机、碎煤机以及灰浆泵等的拖动电动机)，则宜采用具有反时限特性的 GL—10系列感应型电流继电器来构成保护，因为此时可利用继电器中的瞬动元件构成电动 机的相间短路保护，作用于断路器跳闸；利用继电器中的反时限元件，构成电动机的过负荷 保护，并根据拖动机械的特点，作用于发信号或减负荷及跳闸。 (二)保护装置的接线方式

电动机相间电流保护的接线方式有两 种，当灵敏度不能满足要求时可采用两相两 继电器式不完全星形接线，如图11—1(a) 所示，否则优先采用两相电流差单继电器式 接线，如图11—1(b)所示。为了使电流保 护不仅能反应电动机内部的相间短路，同时 也能反应电动机与断路器之间连线上的相间 短路，保护用电流互感器的安装位置，应尽 可能地靠近断路器侧。

此外，电动机保护的操作电源还可以采 用交流操作电源，由感应型电流继电器构成

且采用不同操作电源的保护接线图可参照前面第三章的图3—26。由图3—26(b)可知，当 保护采用交流操作电源和两相电流差单继电器式接线时，只要一个感应型电流继电器就可以 构成一台电动机设备的相间保护和过负荷保护，并且由于这种接线不需要直流操作电源及相

应的连接电缆，在电动机断路器的操作机构上又易于实现，因而有较广泛的应用。 (三)电流速断保护和过负荷保护的整定计算 作为电网的末级，电动机电流速断保护不存在相邻元件故障时保护可能误动的问题，故 保护的动作电流只需按躲过电动机的启动电流整定，即 。：iKrelKe，Ms(11IK 11—1) ．Bct=—_，Ms 一)

式中 K。l——可靠系数，因考虑电动机启动电流中非周期分量的影响，故取得大些，对DL-

10型继电器，取1．4～1．6，对GL一10型继电器取1．8～2；

K．——接线系数，保护采用两相不完全星形接线时取1，采用两相电流差接线时取 朽；

IMs——电动机启动电流的周期分量； nTA——电流互感器变比。

保护装置的灵敏度按系统最小运行方式下，电动机出口两枫短路的最小短路电流进行校 验，要求灵敏系数不小于2，即 r(2)

K„2瓦zK．min≥2 (11—2)

电动机过负荷保护的动作电流按躲过其额定电流整定，即 [K-act=等×等 „圳 式中 K。，——可靠系数，当保护动作于信号时取1．05，动作于减负荷或跳闸时取2； K。——接线系数，取值参照电动机的电流速断保护；

K。——电流继电器的返回系数，DL—10型继电器取0．85，GL—10型继电器取0．8； IN'M——电动机的额定电流； nTA——电流互感器变比。

过负荷保护是通过提高保护动作时间来躲过电动机带负荷启动的，故保护的动作时限应 躲过电动机带负荷启动的时间，一般取15—20s，有条件时，可实测带负荷启动的时间后再 整定其动作时限。当保护采用GL一10系列电流继电器的反时限元件构成时，则是要求在流 过继电器的电流k：K。竺时，继电器感应部分的动作时间为15—20s。 二、纵差动保护

容量在2000kW以上或2000kW(含2000kW)以下、具有6个引出线的重要电动机，当 电流速断保护不能满足灵敏度的要求时，应装设纵差保护作为相间短路主保护。

电动机纵联差动保护的动作原理基于比较被保护电动机机端和中性点侧电流的相位和幅

值而构成。为了实现这种保护，在电动机中性点侧与靠近出口端断路器处应装设同型号、同 变比的两组电流互感器TAl和TA2，两组电流互感器之间，即为纵差保护的保护区。电流互 感器二次侧按循环电流法接线。

在中性点非直接接地的供电网络中，电动机的纵差保护一般采用两相式接线，接人差动

回路的继电器可采用BCH一2型差动继电器或DL 一11型电流继电器实现，当采用前者时，保护可 瞬时动作于跳闸；而当采用后者时，为躲过电动 机启动过程中暂态不平衡电流的影响，需利用出 口中间继电器带0．1s的延时动作于跳闸。 保护装置的原理接线图如图11—2所示，电 流互感器应具有相同的特性，并满足10％误差要 求。

为防止电流互感器二次回路断线时保护误 动，保护装置的动作电流应按躲过电动机额定电 流来整定，即

IK．act=等hM „-4)

式中 Krel——可靠系数，当采用BCH一2型继电器时取卜3，采用DL一11型继电器时取 1．5～2；

IN．i——电动机的额定电流； nTA——电流互感器的变比。

保护装置灵敏度的校验公式与电流速断保护同。 第三节电动机的单相接地保护

电动机单相接地保护的配置情况、保护方式及动作结果与所在供电电网的状况有关。 一、高压电动机的接地保护

由中性点非直接接地电网供电的3．10kV高压电动机，当接地故障电流大于5A时，可 能会烧坏电动机铁芯，因此应装设单相接地保护装置。 (一)保护的构成

电动机单相接地保护的原理接线图如图11—3所示，保护装置 由零序电流互感器TA0、电流继电器KA0以及中间继电器KM、信 号继电器KS组成。在安装零序电流互感器和电缆头时应注意： 1)电缆头与固定电缆头的金属构架用绝缘物隔开；

2)电缆头的保安接地线应穿过TA0的铁芯窗口后再接地，且 接地线应与电缆外皮的铠甲、TA0的铁芯绝缘。这样，当区外发生 单相接地故障时，电缆外皮铠甲中流过的电流与接地线内的电流大 小相等、方向相反，因而在零序电流互感器铁芯中产生的磁通互相 抵消，不会反应到互感器的二次绕组，故可防止保护装置误动作。 电流继电器KA可采用DL一11型电流继电器或者DD一11型接 地继电器实现。DD一11型接地继电器的构造、动作原理基本与DL 一10型电流继电器相同，但也有以下差异。

1)采用反作用力矩较小的弹簧；

2)在铁芯上增加一个补偿线圈，该线圈经过电容C(C=

0．5ttF)构成容性闭合回路，如图11—4所示。补偿线圈的作用在于 增强继电器铁芯的工作磁通，在得到同样动作磁通的条件下，继电 器动作所需要的动作电流将减小，因此DD一11型接地继电器具有 较高的灵敏度。 ． (二)保护的整定计算

由小接地电流系统单相接地时电容电流的分布特点可知，电动 机接地保护的动作电流，应大于外部单相接地故障时流过本电动机 及其电缆线路的电容电流，即 + F， ，K。。=?3如．M．。。 (11—5) ，‘TAD 。

式中K。l—_可靠系数，取4—5；

3Io．M．max——电动机本身及其连接电缆对地的最大电容电流‘； i nT^o——零序电流互感器TA0的变比。 保护装置的灵敏度校验式为

K„：}号堕≥ (112 11—6) K。。。=_半≥ (一) ’／'TA01K·act 式中3如．M．。；。——系统最小运行方式下，电动机或其连接电缆发生接地时，流经零序电流

互感器一次侧的最小接地电流。 二、低压电动机的接地保护

低压电动机所在系统的电源中性点一般直接接地，其接地保护通常由相间保护采用三相 式接线兼作即可。但是，由于低压变压器的零序阻抗较大，单相接地短路电流较小，而相间 保护的动作值又比较大，因而兼作单相接地保护的灵敏度可能难以满足要求，此时可考虑装 设零序电流保护，保护的原理接线与图11—3同；但动作电流按躲过电动机启动和自启动的 不平衡电流整定，根据运行经验一般取10％一20％，N．M，反应到互感器二次侧则小于2A； 在电动机单相接地时，灵敏系数不小于1．5。 第四节电动机的低电压保护 一、装设低电压保护的目的

发电厂厂用电系统380V和3～6kV母线一般都装设有低电压保护。其装设目的是：在母 线电压降低时，将一部分不重要的电动机及按生产过程要求不容许和不需要自启动的电动机 从电网中切除，以保证重要电动机的自启动及加速电网电压的恢复。

为了实施低电压保护，一般将厂用电动机分为三类：

(1)I类。I类属重要电动机，例如给水泵、循环水泵、凝结水泵、引风机和给粉机等 电动机，一旦停电将造成发电厂出力下降甚至停电，在这类电动机上不装设低电压保护，在 母线电压恢复时应尽快让其自启动，但当这些重要电动机装设有备用设备自动投入装置时， 可装设低电压保护，以9—10s的延时动作于跳闸；

(2)Ⅱ类。Ⅱ类是不重要的电动机，如磨煤机、碎煤机、灰浆泵、热网水泵、软水泵 等，暂时断电不致于影响发电厂机、电、炉的出力，这类电动机上装设有低电压保护，在母 线电压降低时，首先被从电网中切除，保护的动作时限与电动机速断保护配合，一般取 0．5s；

(3)Ⅲ类。Ⅲ类是属于那些电压长时间消失时，由于生产过程或技术保安条件不允许自 启动的重要电动机，在这类电动机上，也要装设有低电压保护，但保护的动作电压整定得较 低，一般为0．4—0．5 UN，动作时限则取9—10s。 二、低电压保护的接线举例 图11—5为3～6kV厂 用电动机低电压保护的原 理接线图，低电压继电器 KVl一KV4接自电压互感 器二次侧的电压小母线 WVl、WV2、WV3间。其 中，KVl、KV2、KV3与 KTl构成不重要电动机的 低电压保护，以0．5s的延 时动作于跳闸，并兼作电 压回路断线信号；KV4和 KT2则构成为重要电动机 的低电压保护，保护以9s 的延时切除那些电源电压 长时间消失后不允许不需 要自启动的电动机。 当母线电压消失或对 称下降至0．6—0．7 UN时， KVl一KV3均动作，其动 断触点闭合，通过KMl的 动断触点启动KTl，KTl 经0．5s的延时后触点闭 合，把正电源加到跳闸母

线W1上，接自该母线上的不重要电动机全部跳闸。若母线电压仍未恢复，在母线电压继 续下降到0．4—0．5 UN时，KV4动作，其动断触点闭合，启动KT2，经9s延时后，KT2触 点闭合，将操作正电源加到第二组跳闸母线W2上，把不参加自启动的重要电动机全部切 除。

在电压回路一相断线时，KVl～KV3中相应的两相动作，其动断触点闭合，通过第三个 电压继电器的动合触点启动KMl，KMl动作后，一对动断触点去断开时间继电器KTl、KT2 的启动回路，将低电压保护闭锁，另一对动合触点使光字牌发亮，并发出“电压回路断线” 信号。电压回路两相、三相断线亦是如此，但断线期间如果厂用母线真正失去电压或下降到

整定值，低电压保护仍能正确动作。

当电压互感器一次侧隔离开关由于误操作被断开时，隔离开关在直流回路的动合辅助触 点自动断开保护的操作电源，以防止误动，并点亮光字牌发出直流回路熔断器熔断信号；与 此同时，隔离开关在交流回路的辅助触点断开电压继电器的交流回路，以防止二次设备向停 用的电压互感器倒送电。在直流操作回路熔断器熔断时，同样点亮光字牌发出直流回路熔断 器熔断信号。 ．

上述接线在电压不对称下降时可能不会动作，但由于低电压保护的作用主要是为了改善 重要电动机的自启动条件，如果在电压不对称下降时保护不动作，则在电压恢复正常时所有 电动机都将参与自启动，这样，由于启动电流太大将使电网电压严重下降，这个时候低电压 保护才能动作。 ．

当低压电动机的低电压保护也采用电压继电器实现时，对保护的要求、保护的接线方式 及动作情况与高压电动机基本相同，但一般不考虑实际情况中较少出现的互感器二次侧两相 同时熔断情况，故接线较为简单。

三、电动机低电压保护的整定 。

上述接线中，各继电器动作值的整定方法如下： (一)KVl～KV3的动作电压

KVl一KV3的动作电压按切除不重要电动机的条件进行整定。为保证重要电动机的自启 动，厂用母线允许的最低电压为60％-70％UN，因此，电压继电器的动作电压为 UK。=(o．6。o．7)≯=60。70(V) (11—7) (二)KV4的动作电压

KV4的动作电压按保证电动机自启动的条件整定，即其值应躲过保证电动机自启动时厂 用母线的最小允许电压，在考虑可靠系数和返回系数后，继电器的动作电压一般为 ～ ：鼍匕望出：40～50(V)UK．aet (1一一1—8) 2—瓦忑了2～ L刈’ (三)KTl的动作时间

KTl的动作时间应与电动机速断保护及上一级后备保护相配合，但为了保证重要电动机 的自启动，并加快和提高自启动的效果，一般仅比电动机速断保护高一个时限级差，即取 0．5s。

(四)Krl2的动作时间

KT2的动作时间按保证技术安全及工艺过程特点的条件整定，只有当电压长时间下降或 者消失时才断开相应的电动机。由于电网电压下降所持续的时间通常不超过10s，而DS一 100系列时间继电器的最大整定时限为9s，故KT2的动作时间取9s。 第四节同步电动机的失步保护

同步电动机的保护配置与异步电动机基本相同，同样也装设有反应相间短路的电流速断 保护或纵差动保护、反应接地故障的零序电流保护、过负荷保护及低电压保护等；存在的不 同之处有：

(1)保护动作于跳闸时，除跳开电动机机端断路器外，还需跳开灭磁开关。

(2)当电网电压低于0．5‟时，同步电动机的稳定运行可能遭到破坏，因而同步电动 机的低电压保护按0．5‟进行整定。 (3)应装设失步保护。 当同步电动机失去同步而 转入异步运行状态时，其定子 回路将出现一个幅值按一定周 期变化的振荡电流，而且由于 定子旋转磁场与转子不再同 步，在转子回路也将感应出交 变电流，根据这些特征，可构 成同步电动机的失步保护，其 原理接线如图11—6所示，考 虑到同步电动机短时失步后有 可能恢复同步运行，同时也为

了躲过同步电动机的异步启动，保护带一定的延时动作。保护装置的中间继电器KM之所 以带延时返回，是因为无论是定子回路所出现的振荡电流，亦或是转子回路所感应的交 变电流，幅值都随时间作周期变化，当其下降到一定值时，电流继电器KA、中间继电器 KM将返回，KM的延时返回触点可保证时间继电器KT一直保持励磁状态，从而使保护可 靠动作。

其他元件保护

为了补偿电力系统中的电容、电感参数，或向电力系统提供容性或感性无功功率以改善 电能质量，提高系统运行的安全性、稳定性及经济性，在电力系统中采用了大量的补偿装 置。根据接人方式不同电力系统补偿装置分为两类：一类为串联补偿装置，另一类为并联补 偿装置。本章中，主要介绍作为并联补偿装置的电抗器、电容器及同步调相机的保护。 第一节并联电抗器保护 一、电抗器概述

电力系统中，根据接入方式的不同，电抗器有串联电抗器、并联电抗器及接地电抗器等 几种，本节中主要介绍有关并联电抗器保护的相关内容。常用的并联电抗器有两大类：一类 为330kV及以上的超高压并联电抗器，另一类为35kV及以下的低压并联电抗器。前者一般 安装在超高压配电装置的某些线路侧，主要功能是补偿超高压线路的电容和吸收其无功功 率，防止电网各种情况下因容性功率过多而引起的过电压，并有助于系统的同期操作及提高 单相重合闸的成功率；当超高压线路上没有装设并联电抗器或者设置的并联电抗器不能满足 无功功率平衡要求时，可在发电厂或变电所内装设一些电压等级较低的并联电抗器，它们与 并联电容器组配合使用，组成各种并联静态补偿装置，这些低压电抗器通常接在大型发电厂 及变电所主变的第三绕组，电压等级取35kV。 并联电抗器的结构形式有单相和三相两种，三相式并联电抗器比单相式的原材料少、成本

低，但由于磁路的相互关联，可能因电磁耦合引起谐振及过电压等不良影响，此外，在单相重

合闸过程中，另外两相的磁通也有一部分通过断开相铁芯，使断开相的线圈感应一个电压，使

故障点的潜供电流增大而不利于灭弧。因此，在220kV及以上电压等级电网中，当电抗器采用

三相式结构时，其铁芯应采用三相五柱式结构。目前，由于相间绝缘问题，我国500kV线路的

并联电抗器均为单相油浸式结构，单台容量为40。60MVA。而用于500kV变压器低压侧、可投

切的并联电抗器，才有铁芯带间隙的三相油浸式结构，单台容量为30～60MVA。 并联电抗器接入系统的方式也有多种，目前我国较为普遍采用的有两种。

(1)通过隔离开关或直接与线路相连。这种接线方式的优点是：节省设备，减少投资， 但运行方式欠灵活，当电抗器故障或其保护误动时，线路随之停电；此外，在线路输送容量 很大，电抗器需退出运行时，线路也需短时停电。为此，可考虑通过放电间隙与系统相莲r 在电压较高时放电间隙击穿，自动投入电抗器；而在电压较低时又能自动退出，采用建种连 l接方式不仅投资省，还能减少正常运行时的有功功率和无功功率损失，但也有技未要求高、 }可靠性低的缺点。 ／j

I (2)采用专用断路器。采用这种接线虽然投资较大，但运行灵活。 ／／

I 接在变压器低压侧的并联电抗器，一般采用第二种接线方式与低压侧母裁相连；500kV I并联电抗器则两种方式都可能采用，应当注意，当其采用第一种接线方式与输电线路相连

后，在电抗器发生故障保护动作时，除需跳开本侧线路的断路器外，还需通过远跳装置跳开 线路对侧的断路器，因为此时的电抗器故障，即相当于线路故障。 二、并联电抗器的故障和异常运行方式

并联电抗器的外形像变压器，但内部结构不同，变压器的磁路不带气隙，绕组有一次、 二次之分，而电抗器只是一个磁路带气隙的电感线圈，带气隙的目的在于避免磁路饱和，使 电抗器电抗在一定范围内保持恒定，即使其伏安特性成线性关系j

油浸式并联电抗器在运行中可能发生的故障及异常运行方式如下： (1)绕组的相间短路、单相接地和匝间短路。 (2)引出线的相间短路和单相接地短路。 (3)由于过电压引起的过负荷。 ， (4)油面降低。

(5)温度升高和冷却系统故障等。

此外，在并联电抗器投入和退出运行时，可能造成线路或变压器过电压，在设计中应给 予考虑。 毒

并联电抗器的保护配置基本上参照电力变压器。 三、超高压并联电抗器保护 (一)纵联差动保护

由于超高压并联电抗器价格昂贵，其主保护宜采用双重化，因此，为防御并联电抗器线 圈、套管及引出线的单相接地和相间短路，可装设两套采用三相式接线的纵差保护，并瞬时 动作于跳闸。但对于由三台单相电抗器组成的并联电抗器，其第一套差动保护可按相装设， 以增加保护动作的选择性，第二套保护为节省投资简化接线，则改用零序差动保护，这是因 为单相式电抗器组发生相间故障的可能性很小。此外，由于超高压并联电抗器一般也不配置 的电流互感器，保护用差动电流互感器只能利用电抗器两端的套管电流互感器实现，因 此在电抗器套管、引出线上发生短路故障时，是由线路保护动作于切除故障的，此时显然应 闭锁线路重合闸。

纵差动保护是一种既灵敏又可靠的保护方式，因而在电力系统中应用广泛，但当所保护 的设备不同时，保护所具有的特点也不同。对于并联电抗器，其纵差保护不存在像发电机或 变压器外部短路时那么大的穿越性电流，在确定保护动作值时，只需考虑电抗器穿越性励磁 电流的影响，一般取电抗器额定电流的5％一10％即可，但是，在并联电抗器投入运行时， 由于出现励磁涌流，致使差动电流互感器严重饱和，差动电流互感器励磁特性的差别加大， 由此所产生的不平衡电流可能使保护误动，为此应采用比率制动措施，即在保护制动回路中 引入尾端互感器的二次电流，以防止上述这种误动。 (二)非电量保护

油浸式电抗器的非电量保护装置包括气体保护、油温高保护、压力释放保护及油位降低 保护等，其原理、功能均与油浸式变压器的相同，这些非电量保护是反应电抗器油箱内部各 种短路故障及异常运行状态的最有效措施。 (三)后备保护

并联电抗器相间短路和接地短路的后备保护一般采用三相三继电器式接线的过电流保护

实现，为了与电抗器的发热特性相配合，保护宜采用反时限特性。

(四)匝间短路保护

匝间短路是电抗器比较常见的一种内部故障形式，虽然气体保护对其有很高的灵敏度， 但由于500kV并联电抗器宜采用双重化主保护，因此还应有另一套匝间短路保护。

并联电抗器的电抗与其匝数平方成正比，当电抗器绕组匝间短路时，该相的电抗值下 降，电流上升，即电抗器的三相不再对称，出现了零序及负序分量，根据此特点可构成电抗 器的匝间短路保护。目前用得比较多的有零序电流方向保护，保护的零序电压Uo取自电抗 器引出端母线，零序电流，。则取自中性点侧，并以中性点流人电抗器为正。当电抗器匝间 短路时，纯电感系统的 零序电压超前零序电流 90。，而当电抗器内部及 外部接地故障时，零序 电压则滞后零序电流 900，如图12—1所示， 其中x。．。为系统等值零 序总阻抗。根据以上特

点可构成反应匝问短路故障的零序功率方向保护，但由于方向继电器很灵敏，在运行中易产 生误动，故通常加装零序电流继电器作为闭锁元件，即构成零序电流方向保护。保护的动作 电流按躲过正常运行时出现的不平衡电流整定，但也可以近似地以中性点所接的接地电抗器 额定电流整定，引起保护不平衡电流的因素主要有：①输电线路三相不对称。由此产生的不 平衡电流一般取线路最大负荷电流的2％；②并联电抗器三相阻抗不对称。所产生的不平衡 电流通常取电抗器额定电流的5％。 还应注意的是，并联在超高压线路的电抗器一般接成星形，当电抗器每相有两个并联分 支，即采用双星形接线方式时，与双星形接线方式的发电机一样，其匝间短路保护应首先考 虑高灵敏度的单元件横差保护，因为该保护此时不仅能灵敏地反应电抗器的匝间短路，同时 还能有效地保护绕组内部的接地短路，但对引出端的相间短路和接地短路仍无效。而上述的 零序电流方向保护，若没采取补偿措施，则根本无法反应电抗器内部的接地故障。 (五)过负荷保护

如果并联电抗器所接系统电压升高时可能造成电抗器过负荷运行，即应装设单相式的过 负荷保护，延时动作于发信，且保护也宜采用反时限特性。

表12—1为根据技术规范得出的330—500kV并联电抗器在额定频率下运行的允许过电 压倍数和时间关系，即电抗器可以承受的过负荷能力。

表12—1。 330—500kV并联电抗器在额定频率下运行的允许过电压倍数和时间关系 。。。。。。。。。’’’。。。。。。。‘。。。。。___’r。____--____-__-_。’。_-_____-·_____·。，。__--·_________-_●__--____-____-__________---—————————————————————————一 过压倍数 J 1．05 I 1．15 l 1．20 I 1．25 I 1．30 1 1．40 l 1．50 垄兰竺望 l 兰堡 l 竺兰： I 竺竺!! J !!竺： I ：竺!! J 竺! I

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应当指出，在上述五种保护中，对于使断路器跳闸的电量保护，均可启动断路器失灵保 护，而非电量保护由于动作后不一定能可靠返回，因而不可以启动断路器失灵保护；当保护 动作于跳开线路断路器时，除需跳开线路两侧的断路器外，还应闭锁线路重合闸装置。

(六)接地电抗器保护

500kV三相并联电抗器的中性点都经一小电抗器接地。其目的主要为：在线路断路器单 相重合闸过程中，向故障点提供一个感性电流，以故障点的恢复电压，以及运行相和故 障相之间由于静电耦合、电磁耦合向故障点所提供的潜供电流，从而提高单相重合闸的成功 率。接地电抗器的绕组没有铁芯，其作用相当于一消弧线圈，在正常运行时，仅流过数值很 小的不平衡电流，但在系统单相接地故障或线路非全相运行期间，将流过数百安培的零序电 流，因此，在进行电抗器设计制造时，应保证其有足够的热稳定性。 装设差动保护是防御接地电抗器内部故障的最有效方法，但在实际中，由于线路的零序 过流保护、断路器的非全相保护，均对中性点接地电抗器有保护作用。因此在油浸式接地电 抗器中，一般仅装设非电量保护，同时监视中性点的零序电流，对于由三相不对称引起的接 地电抗器过负荷，也可装设具有反时限特性的过负荷保护。此外，动作于跳闸的接地电抗器 保护出口应并入并联电抗器保护的跳闸出口。 (七)500kV线路电抗器保护配置举例

目前，500kV线路并联电抗器保护类型很多，下面以ABB公司生产的保护为例说明。其 保护由两大部分组成：其一是非电量保护，包括高压电抗器、接地电抗器本体的气体保护、 温度保护、压力释放保护及高／低油位报警等；其二是电量保护，配置情况如图12—2所示。

四、低压并联电抗器的保护

35kV及以下电压等级的并联电抗器， 其结构有油浸自冷和于式两种，前者多为 三相式结构，后者则大部分为单相结构， 保护的配置大致如下。

(1)对于电抗器绕组、套管及引出线 短路故障，容量在10MVA及以上的并联电 抗器，宜装设两相式的纵差动保护；容量 在10MVA以下的并联电抗器，则装设电流 速断保护，保护的动作电流按躲过电抗器 外部三相短路时的反馈电流整定，但这种

电流速断的保护范围很小，故实际上一般不装设，而直接装设动作时间为1．5s的过电流保 护。

(2)装设差动保护的电抗器，应装设两相三继电器式接线的过流保护作为相间后备。 (3)油浸式并联电抗器，应装设非电量保护，以反应油箱内部的各种故障及异常运行状 态。

(4)在母线电压升高时，若可能引起电抗器过负荷，即应装设过负荷保护。 为与电抗器发热特性相配合，上述过负荷保护及作为相间后备的过电流保护，宜采用反

时限特性。

第二节并联电力电容器组保护

为了补充电力系统无功功率的不足、降低电能损耗、提高功率因数及改善供电质量等，

在各变电所及工厂内，广泛采用无功补偿并联电容器组。 一、并联电容器组的故障及异常运行方式

电力电容器虽是静止设备，但由于制造技术、质量、运输安装以及运行维护等方面的原 因，也常出现各种形式的故障及异常运行方式；此外，由于它是一种储能元件，在电力系统 中将受过渡过程的影响。因此，电网的运行参数、运行状态及开关设备的性能等对其安全可 靠运行也有一定的影响。在配置并联电容器组的保护装置时，应考虑以下情况： (1)电容器组与断路器之间连线的短路故障。 (2)单台电容器内部极间及其引出线的短路。 (3)电容器组中多台电容器故障。 (4)电容器组过负荷。 (5)工作母线电压升高。 (6)工作母线失压。

(7)电容器组的单相接地故障等等。

二、并联电容器组的保护配置情况 ，。

针对于上述运行过程中并联电容器组可能出现的故障及异常运行方式，并联电容器组的 保护配置情况如下。

(一)电容器组与断路器之间连线的短路保护

图12—3为并联电容器组的一次接线图，当并联电容器组与断路器之 间的连线、电流互感器、放电电压互感器、串联电抗器等设备发生相间 短路，或并联电容器组内部故障但其保护拒动而发展成相间短路时，由 短路电流所产生的热、力效应，将使故障回路的设备遭到严重破坏，为 此，可装设带短延时的过电流保护动作于跳闸，并兼作电容器组的过负 荷保护。

保护的动作电流按如下原则整定：

(1)躲过电容器电容允许+10％偏移而引起的电流增量。

(2)躲过电容器组长期运行允许的最大工作电流，即躲过1．3倍的电 容器组额定电流。

保护的动作时限按躲过电容器组的合闸涌流整定。由于电容器组合 闸涌流的持续时间很短，一般在几毫秒内就可降低到无害程度，故保护 的动作时限通常取0．3。0．5s。

在电容器组投入运行时，所产生的合闸涌流分两种情况，一种是单独一组电容器的合闸

涌流，另一种是已有一组以上的电容器在运行，再投入一组电容器时的合闸涌流。 单独一组的电容器在第一次投运瞬间，由于电容器两端电压不能跃变，即相当于短路 状态，因而将产生频率很高、幅值很大的冲击电流，称之为合闸涌流，合闸涌流的最大 值出现在合闸瞬间系统电压为峰值时。单独一组的电容器再次投运时，如果电容器组退 出运行后不曾放电，即再次合闸的瞬间仍处于带电状态，若此时系统的电压又与电容器 电压大小相等方向相反，则所产生的合闸涌流将是初次合闸的2倍，并伴随很高的过电 压。因此，电容器组应避免带电荷合闸，故电容器组每次退出运行后，必须做到充分放 电．

已有一组以上的电容器在运行时，再投入一组电容器的合闸瞬间，除系统电源向追加 电容器组提供一个很大的冲击电流外，运行中的电容器组也将向其大量充电，此时所产 生的合闸涌流频率更高、幅值更大，特别是在系统电压达峰值时合闸，将达到很危险的 程度。

由于合闸涌流的频率一般高达数千赫兹，其值又大，故在合闸过程中还将对断路器内部 产生很大的机械破坏力，为此，必须尽量减少电容器组的投退次数，并采取措施合闸涌 流，如采取断路器两端并联电阻、电容器组中串联小值电抗器等，此时电容器组的合闸涌流 一般为其额定电流的5—6倍。

电容器组一般不装设电流速断保护，就是因为保护需考虑躲过电容器组合闸涌流及对外 放电电流的影响，以致保护效果不理想。

(二)单台电容器内部极间及其引出线的短路保护

每一台电力电容器内部都由许多电容元件串并联组成，电容元件极板之间的绝缘介质如 有薄弱环节，则在高电压、过电流及周围高、低温度的作用下，很容易发生过热、游离直至 局部击穿与短路，此时，与之并联的电容元件均被短路，与之串联的剩余电容元件则电压升 高，通过每个元件的电流和容量也随之增大，导致发热量增加，元件老化速度加快，因而发 生新的击穿与短路，如此下去，将产生恶性连锁反应，直至整台电容器贯穿性短路。此外， 在电容器的箱壳内部充满了由矿物油、烷基苯或苯甲基硅油等液体介质组成的浸渍剂，在电 容元件击穿时，其浸渍剂将释放出大量气体，致使电容器内部气体压力增高，轻者使箱壳漏 油或膨胀，即出现“鼓肚”现象，重者则引起爆炸、酿成大患。因此，电力电容器保护应能 反应电容器内部的局部击穿与短路，并及时切除故障。

单台电容器内部极问及引出线短路的最简单及最有效的保护方式是设置专用的熔断器。 这种保护结构简单、安装方便，灵敏度高，能迅速切除故障电容器，既避免了断路器的频繁 跳闸，保持了电容器组运行的连续性，同时还具有明显的动作标志，有助于及时发现故障电 容器位置等优点。

熔断器熔丝的额定电流取电容器额定电流的1．5—2．0倍。

熔断器保护的缺点是：躲过电容器充电涌流、放电涌流的能力较差，不适应自动化要求 等。因此，对于多台串并联的电容器组，必须采用更加完善的继电保护方式。 (三)并联电容器组中多台电容器故障的保护

大容量并联电容器组一般有多台电容器串、并联组成，一台电容器故障时，即由其专用 的熔断器切除，对整个电容器组的影响不大，因为电容器具有一定的过载能力，在设计中进 行设备选择时，也总留有适当的裕度。但是，当多台电容器因为故障被切除后，即可能使剩

下来还在继续运行的电容器过载或过电压，为此应采取必要的保护 措施。

多台电容器故障的保护方式与电容器组的接线方式有关，常用 的有以下几种。

1．零序电压保护

这种保护方案一般用在采用单Y形接线的电容器组上。该保护 的原理接线如图12—4所示，电压互感器的一次绕组兼作电容器放 电线圈，以防止母线失压后再次送电时因剩余电荷而造成电容器过

电压。

正常运行时，电容器组三相容抗相等，外加电压三相对称，互感器开13三角形绕组 两端无输出电压；当电容器组中多台电容器发生故障时，电容器组的三相容抗发生较 大变化，引起电容器组端电压改变，因而在开口三角形两端出现零序电压，此电压大 于保护的动作电压时，保护装置动作，将整组电容器从母线上切除。 采用单Y形接线的电容器组零序电压保护一般带有0．2～ 0．5s的延时，其目的为躲过合闸时所产生的不平衡电压。 2．中性点不平衡保护

双Y形接线的电容器组可采用中性点不平衡保护作为其多台 电容器故障的保护，根据其构成方式的不同，分为中性点不平衡 电流保护即横差保护及中性点不平衡电压保护两种方式。下面以 中性点不平衡电流保护为例，该保护的原理接线如图12—5所 示，图中的TA用于测量中性点连线的不平衡电流。

正常运行时，两组Y形接线的电容器容量相等，每组Y形

接线的三相电容量对称，两个中性点之间的连线上没有电流通过；当同一相的两电容器组 cl或c2中发生多台电容器因故障而被切除时，由于Xcl≠丑c2，流过C1和c2的电流不再 相等，因而在中性线上有不平衡电流，。b流过，当此，。。b>，。。。时，保护动作。保护一般也带

有0．2s的小延时。

中性点不平衡电流保护具有灵敏度高以及在外部短路、母线电压波动、高次谐波侵入时 不会误动等优点。保护的缺点是：当同一相两支路中因故障而切除的电容器台数相等或接近 相等时，故障相端电压可能超过允许的最高电压，但由于此时流过中性线的不平衡电流为零 或很小，保护拒绝动作。

把串接在中性线回路的7rA换成7rv，即构成双Y形接线电容器组的中性点不平衡电压 保护。保护根据当电容器组中发生多台电容器故障时，故障电容器组所在星形的中性点电位 将发生偏移，从而产生不平衡电压U。b的特点构成。 3．零序电流保护

这种保护方式一般用在采用单三角形接线的小容量电容器组中，保护的原理接线如图 12—6所示。

正常运行时，电容器组的三相容量相等，三相电流对称，故流过保护的零序电流为零； 当电容器组中多台电容器发生故障时，故障相电流随之增大，三相电流不再对称，三相电流

的相量和也不再为零，因而有零序电流流过保护，此电流 保护的动作电流时，保护以不超过0．5s的延时动作于将 电容器组切除。保护带上小延时的目的是为了躲过合闸涌 影响。

4．电桥式差流保护

电容器组为单Y形接线，且每相接成四个平衡臂的 时，可以采用电桥式差流保护方式，其原理接线如图12一 示。以A相为例，正常运行时，四个桥臂的容抗平衡，j 石c2，Xc3=Xc4(或c1／C3=C2／C4)，电桥平衡，电桥中

和N之间无电流流过。当四个桥臂中有一个电容器组存在多台电容器损坏时，桥臂之间不 再平衡，因而在桥差接线MN中流过不平衡电流，不平衡电流超过定值时，保护动作。

)．电压左叨休护

对于采用单Y形接线，且每相为两组电容器组串联组成的电容器组，可用电压差动的 保护方式，保护的原理接线如图12—8所示，图中只表示出一相Tv接线，其他两相相似。 ’Ⅳ的一次绕组同样可兼作电容器组的放电回路，二次绕组则接成压差式即反极性相串联。 正常运行时，Cl=C：，压差为零；当电容器组c，或C2中有多台电容器损坏时，由于c。和 c2容抗不等，两台Tv一次绕组的分压不再相等，压差接线的二次绕组中出现差电压。当此 压差超过定值时，保护动作。 6．三元件式横差保护 ．、

这种保护方式无论电容器组是采用Y形接线，还是采用△形接线，只要其每相分成相 同的两个支路，就可以采用。但由于双Y形接线的电容器组可采用结构更简单灵敏度却更 高的单元件式横差保护，因而此保护方式主要应用在双△形接线的电容器组中。 (四)电容器组的过负荷保护

电容器长期运行允许的电流为1．3倍电容器额定电流，对于电容量具有正最大偏差的电

容器，甚至可达1．43倍电容器额定电流，因此，在电容器组工作时，本身并不存在过负荷 的可能，引起电容器组过负荷的原因主要是系统过电压及存在有高次谐波，且《规程》中已 规定，在电容器组中应装设有反应母线电压升高的过电压保护及抑制高次谐波的串联电抗 器，故在电容器组中一般可不再装设过负荷保护。当系统中高次谐波的含量较高，或通过实 测电容器组回路的电流可能超过允许值时，才考虑装设动作于发信的过负荷保护，并且为了 更好地与电容器的过载能力配合，保护宜采用反时限特性。 (五)电容器组的母线电压升高保护

电容器组长期运行允许的最高电压为1．1倍的额定电压。当电容器组工作电压过高时， 电容器内部的有功损耗及发热量随之增大，轻者影响到电容器的使用寿命，重者则引起电容 器击穿，测试结果表明，电容器的使用寿命与其电压成7～8次方关系。因此，为保证电容 器组在母线电压升高时不致于损坏，应装设有动作于发信或跳闸的过电压保护，且保护也宜 采用反时限特性。表2—2为电容器组允许过电压倍数与时间的关系。

表12—2 电容器组允许过电压倍数与时间的关系 1 15 1 20 3024h min) 30 5 1 过电压倍数 I ． 1 ． J 】． ———————。—————————————————————————————————————————————{————————————————————————————————————L——————————．————————————————————————』——————————————一一一一．一 每 内允许时间( I I l

在电容器组装设有以电压为判据的自动投切装置时，由于自动控制装置所取的电压参数 是以用电设备允许的最高电压为依据的，而过电压保护则是以电容器额定电压为基础，两者 所取的电压参数不一定一致；此外，自动控制装置因故退出运行时电容器组一般并不停止使 用，仍存在有过电压的危险，故一般仍要求装设过电压保护。

此外，在电容器组的断路器侧，还并联有一组避雷器用于吸收系统过电压时的冲击波， 防止由于系统过电压而引起的电容器损坏。 ． (六)电容器组的母线失压保护

如果电容器组所接母线因故突然失压而电容器组仍连接在系统中，则在母线电压重新恢 复时，例如对于单电源供电的变电所，当系统故障线路断开使电容器组母线突然失压，而线 路重合闸又使母线电压重新恢复时，可能出现以下情况：

(1)由于电源变压器与补偿电容器组同时被投入，在由变压器与电容器组成的LC串联 电路中，过渡过程所产生的过电压可能使电容器组损坏；

(2)若电容器组上积聚的电荷在尚未完全释放时母线电压就恢复，电容器组也可能因承 受高于1．1倍额定电压的合闸过电压而损坏。 i

因此，为保证电容器组的安全运行，在电容器组母线失压时，应装设有低电压保护延时 动作于将其从电网中切除。保护的动作电压按躲过正常运行时母线的最低电压整定，一般取 0．5—0．6倍额定电压。保护的动作时限考虑下述两种情况：①为躲过因母线上出线故障造成

电压降低而产生的误动作，保护的动作时间应大于母线上所连馈线短路保护的最大动作时 限；②为保护电容器组安全，保护的动作时间又不应大于变电所电源侧线路保护与重合闸装 置的动作时间之和。

(七)电容器组回路的单相接地保护

’电容器组是否要装设单相接地保护与所在电网中性点运行方式及电容器组本身的安装方

式等有关，一般情况下都不考虑装设。

在中性点非直接接地的系统中，当电容器组采用Y形接线时，由于中性点非直接接地 系统发生一相金属性接地时，其余两相的对地电压将上升为原来的√3倍，并允许运行1— 2h，因此，为防止电容器组过电压，应使电容器组的外壳与地绝缘，故电容器组一般都单独 或分组地安装在与之绝缘的支架上。此时，由于电容器组回路不再是网络自然电容电流的组 成部分，因而可不装设单相接地保护。 (八)串联电抗器保护

在大容量并联电容器组回路中，都接有串联电抗器。其目的如下：

(1)抑制电容器组对高次谐波特别是5次谐波的放大作用，并基本上消除谐振现象。 通过电容器组的电流数值不仅与电容量、电源电压等有关，也与频率大小有关，当系统 电压中存在有高次谐波时，由于容抗减小，将使电容器组产生过负荷，引起系统电流、电压 波形畸变，使电能质量变坏；此外，在某次谐波下，由电容器组与输电线路、变压器等感性 设备所组成的RLC串联电路可能出现谐振；若电容器组出现成倍的过负荷，可能造成电容 器严重损坏或者因保护屡屡动作而无法投入运行。

(2)电容器合闸涌流的倍数和频率，减小其对电容器组、开关设备等造成的损害。 (3)在电容器内部短路时，减少系统提供的短路电流；在电容器组外部短路时，电 容器组对故障点提供的助增电流。

(4)操作过电压。在开断电容器组时，可能引起LC组成的回路谐振，产生操作过 电压。尤其是如果断路器在开断过程中出现电弧重燃，将产生特别强烈的电磁振荡，出现很 高的过电压。此外，在电容器组经变压器投入时，也可能因变压器电感与电容器电容形成谐 振回路而产生过电压。

目前，国内串联电抗器一般为油浸式结构，因其容量比较小，故一般仅装设非电量保 护，其中轻气体保护动作于发信，重气体保护动作于跳闸。 ．

当电容器组串接电抗器后，电容器上的电压将高于电源电压u，且其高于电源电压的 百分数等于电抗器感抗占电容器容抗的百分数，即 X． Y，

Uc= U+uI．= u+彳≠×100％Uc=弋F—专U “C “C—AL

若电容器两端电压在电源电压最高时不超过其额定电压的110％，则仍可使用；否则， 需选用额定电压较高的电容器产品。此外，串入电抗器的电容器组保护动作电压，也应相应 y一

提高为不接入电抗器时的i专倍。 AC—AL 。 4

三、LFP一963系列电容器保护装置

LFP一963系列电容器保护有963A、963B、963C三种，它们的主要区别在于电容器组中

多台电容器故障的保护配置不同，因而其应用场合也不同。在963A型中，采用的是不平衡 电压、电流保护；在963B型中，则为桥差电流保护；而在963C型中，为电压差动保护。三 种保护均包括有启动元件、两段式过电流保护、过电压保护和欠电压保护等功能。