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摘 要：主泵电机作为核电站的主要设备， VVER反应堆采用的主泵电机，是三相三分支绕组的大型电机，由于中性点的安装控件受限，采用不完全差动保护。某核电站在主泵电机首次启动时，电机差动保护装置出口跳闸。分析后确认属于继电保护装置误动。经过对电机采用的保护装置原理及主泵电机的结构进行分析，确定保护特性与电机特性不匹配，经过分析，修改定值后电机启动正常。本文通过分析VVER反应堆安装的主泵电机的原理，分析了不完全差动保护误动作的原因，总结出保护装置的整定原则，为同型号电机不完全差动保护的整定提供借鉴。
关键词： 分支绕组；电机；不完全差动保护；应用分析
引言
随着经济发展，能源消耗和环境保护的矛盾日益加剧，核电作为清洁能源得到大力发展，但是核电设备的可靠性也必须更加重视。核岛主冷却剂泵的可靠性对反应堆的安全稳定运行尤为重要。VVER机型是我国引进的俄罗斯技术，其主泵电机额定功率较大，达到7100kW，绕组为3相3分支电机，为了可靠启动，利用改变电机定子绕组的接法改变其极对数，电机为6/8极双速电机，从而在一套绕组中获得两种电机转速。由于受安装空间的影响，由于受到电机中性点电流互感器安装空间的制约，由断路器电流互感器与中性点一个分支电流互感器组成不完全差动保护作为电机的组保护。采用ABB生产的SPAD35D3差动继电器组成的不完全差动保护保护。保护按照设计定值静态调试合格后，在2016年11月19日，首次启动主泵电机时，在主泵电机启动9.3秒差动保护出口跳闸，现场查阅技术文件，对电机的构造及原理、差动保护的原理进行分析，确定保护动作的原因，并根据电机时机运行工况和保护的特性，提出解决办法。
一、电机电气原理
VVER反应堆使用的主泵电机是通过改变定子绕组极对数，从而改变电机的转速，主泵电机该电机通过改变绕组端部联结，分别构成不同的极对数，该方案优点体积小，绕组热胀冷缩一致，造价低，缺点是磁动势谐波分量高，性能低。
主泵电机基本数据如表1：主泵电机电气参数
电机设计的叠绕组展开图显示，在不同极对数时电机的分支绕组占有的槽数并不完全相同，初步判断每个分支的等效电抗也有差异，根据并联支路中感应电动势和相位相同的要求，分析认为，由于电机制造的各分支绕组占据的槽数不一致，槽距变化，因此在每个分支绕组中的电流幅值及相角存在差异。而不完全差动保护的进线电流互感器为3个分支的电流和，分支电流与进线电流通过平衡系数进行修正，但是在电机滑差减小，电流回落以后，相角差造成差动保护动作值相量落入动作区后保护动作出口跳闸。在同相绕组的不同分支中的电流的幅值和相位均有一定差异。
二、SPAD 3D53差动保护的动作原理
差动继电器模块SPCD 3D53可为三相回路提供差动电流保护，各相的整定值是相同的。差动继电器模块可以测量被保护电机定子中性点侧和断路器侧的相电流。制动式差动段和瞬动式差动段的动作是基于相电流的基波分量I1 和I2。差动电流的基波分量Id1f （即 Id），制动电流的基波分量Ib1f （即Ib）。
由于主泵电机断路器电流互感器变比为750/1，中性点的电流互感器使用的是2只500/1互感器二次并联，CT二次（额定）电流偏离被保护电机额定负载下的额定电流，通过调整继电器模块面板上I1/In 和 I2/In比率的定值来对被保护设备两侧进行CT变比校正，其范围是（0.40...1.50）×In。
带制动特性段由基本整定值P/In，制动比整定值S和动作特性第二拐点I2tp/In的整定值来确定。当差动电流超过工作特性的整定值时，若无外部闭锁，出口继电器动作出口。
I1和I2指的是保护项目输入和输出端的二次电流基波向量电流互感器，设被保护设备输入和输出侧上CT二次电流的基波电流是矢量I1和I2。则差动电流Id的幅值可由下式获得：
第二拐点I2tp/In可以在1，0...3，0的范围内设定，第一拐点总是固定的，等于Ib/In = 0.5。差动继电器模块动作特性的斜率随不同的部位而定。在区域1（0 ≤ Ib/In < 0.5）中，跳闸所需的差动电流是常数。差动电流值与继电器模块选择的基本整定值P/In相同。基本整定值主要为设定如图1动作曲线区段1的动作值。作为电动机的差动保护时，在采用完全差动时，差动保护的电流取自电机电源和中性点的电流互感器，电流为穿越性电流，除了互感器造成的误差和保护以外，电流的幅值和相角一般一致性较好，该定值可以取得更灵敏。但是，当用于不完全差动保护时，由于接入继电器的两个电流的幅值相角有变化，相角差明显，该定值的大小就需要分析和试验验证。基本定值设定时应考虑这一点。
区段2，也就是区段0，5 ≤ Ib/In < I2tp/In，。在这个区段改变制动比可以影响特性的斜率，即与负载电流的变化相比，跳闸所需差动电流的变化也要同样大。制动比应考虑CT误差的影响，应该避免将制动比值定得太高，因为差动继电器检测变压器匝间故障的灵敏度主要取决于起动比率。
高制动电流区域Ib/In≥I2tp/In内，特性的斜率是常数（区段3），斜率为100%。这意味着差动电流与相应制动电流的上升斜率是相同的。
正常情况下差动继电器保护的区域没有故障，此时电流I1和I2相等，则差动电流Id = 0。，不过，一般情况下实际的差动电流往往不等于零，在主泵电机保护系统中，由于采用的是不完全差动保护，电机的分支绕组中的电流随着电枢反应的不同工况，因为相位及幅值的变化等问题，差动继电器中很容易产生差流。由于接线的原因，差动电流在接近额定工况时落入动作区，引起差动保护误动出口。
三、差动保护误动原因分析
鼠笼式异步电机要求稳态运行时内部磁场对称，根据图4等效电路图分析，在启动过程中，由于滑差从1逐渐减小，定子电流分支電流主要为漏抗及电机直流电阻构成的串联电路电流，由于每相3个分支的漏抗都较小，分支绕组中的启动电流幅值及相位也接近相等，组成差动保护的分支电流近似等于断路器相电流的三分之一，通过电流互感器的变比校正，差动继电器的差流较小，电机启动电流很大，制动电流较高，此时继电器处于图2所示的区段3的制动区内，保护不会误动。 随着电机转速上升，滑差逐步减小，同时电机电流回落。当接近额定工况时，由于图3所示的负载支路电流下降，在电机的分支绕组电流主要为负荷电流和绕组励磁电流之和，因为电机的同相分支绕组的槽距等参数有差异，在接近额定运行工况附近，主泵电机的同相3个分支绕组的电流幅值和相位出现差别。断路器侧的电流互感器与中性点的电流互感器出现差流，差流落入图1 所示的区段1 的动作区，差动保护动作出口。
分析主泵启动时的录波文件发现，电机从启动到跳闸经历9秒，而跳闸时电机的电流已经回落到接近额定电流。见图5：
由于主泵 I 速起动时， 电动机断路器侧和中性点侧首尾电流存在相位角的位移，使得进线和出线电流相量和不能平衡， 这将给产生保护动作量的差流。是电机固有特性没法改变， 为避免这一实际情况对差动保护的影响，根据该差动继电器的工作原理，利用提高保护动作值的办法来适应。建议对I 速泵电动机差动保护定值调 整 为 ：
1 ）基本设 定值 P/In=0.5（ 继 电器 整 定 上限 ） ；
2 ）始 动 比 值 S=0.5 ；
3 ） 特性 曲 线的 第二转折 点 I2tp/In=1.5 ；
4 ）瞬 时差动的设定值 I/In≥6 。
同时对继电器的修正值也做了调 整 ， 保护误动时的修正 值为 0.55 ，考虑到防 差动 误 动作提高动作 门槛 值及因设定范围限而不满足要求 ，将正系数设定为1， 即差动保护实际动作二次电流为 0.5A （0.91In） ，差动速动为 6A（10.9In）（ In 电动机额定二次电流 ） 。
四、调整后试转测试
经过分析和确定方案以后，现场修改定值并重新校验保护，并对启动过程中的点击一相差动保护的断路器电流和电机中性点电流进行录波分析。电机正常启动并切换到Ⅱ速，电机成功启动。启动后对启动过程录波文件进行细致分析。发现在电机启动的前8秒，差动保护的两组CT电流相位和幅值基本接近。见图6：
对记录的波形进行逐步分析，当二次电流回落至额定电流附近以后，组成差动保护的两个电流角度在不断加大，至37度左右稳定，
具體数值见表2：主泵电机中性点CT与断路器CT启动过程电流峰值及相角变化统计表：
此时根据公式（1）计算Id=1.16，而Ib=1.72，如果采用数值为0.55的修正值，继电器落在区段2和区段3之间的动作区。经计算采用数值为1的修正值，把差动保护初始段的门槛值抬高，使得当电机滑差降低后，因为中性点电流和断路器侧电流出现相角差仍旧能落在制动区。通过定值改进提高了保护动作的曲线，解决了保护误动的问题。
= 五、结论
通过录波分析，造成差流过大的原因主要因为电机分支绕组电流与电源电流相角差异造成的，修改了主泵电机差动保护的修正值，解决了VVER反应堆的主泵电机多分支绕组的不完全差动保护的误动问题，使设备能够正常运行。但是，为了防止差动误动作而提高动作门槛值，差动保护实际动作二次电流为 0.5A（0.91In），差动速动值为 6A（10.9In）（ In 电动机额定二次电流），降低了保护灵敏度，当这与继电保护相关规程和计算导则推荐值（0.3～0.5In）不一致。该定值的修改造成在图1保护动作区段1的保护灵敏度降低，为了提高保护灵敏度，这在今后的设备管理过程中加以研究和解决。
参考文献：
[1]王维俭，电气主设备继电保护原理与应用，北京：中国电力出版社，2002：1.
[2] 傅丰礼 唐孝镐，异步电动机设计手册，机械工业出版社，2001：1.
[3] 叶水音，电机学，北京：中国电力出版社，2009：1.
作者简介：刘强，江苏核电有限公司。
关键词： 分支绕组；电机；不完全差动保护；应用分析
引言
随着经济发展，能源消耗和环境保护的矛盾日益加剧，核电作为清洁能源得到大力发展，但是核电设备的可靠性也必须更加重视。核岛主冷却剂泵的可靠性对反应堆的安全稳定运行尤为重要。VVER机型是我国引进的俄罗斯技术，其主泵电机额定功率较大，达到7100kW，绕组为3相3分支电机，为了可靠启动，利用改变电机定子绕组的接法改变其极对数，电机为6/8极双速电机，从而在一套绕组中获得两种电机转速。由于受安装空间的影响，由于受到电机中性点电流互感器安装空间的制约，由断路器电流互感器与中性点一个分支电流互感器组成不完全差动保护作为电机的组保护。采用ABB生产的SPAD35D3差动继电器组成的不完全差动保护保护。保护按照设计定值静态调试合格后，在2016年11月19日，首次启动主泵电机时，在主泵电机启动9.3秒差动保护出口跳闸，现场查阅技术文件，对电机的构造及原理、差动保护的原理进行分析，确定保护动作的原因，并根据电机时机运行工况和保护的特性，提出解决办法。
一、电机电气原理
VVER反应堆使用的主泵电机是通过改变定子绕组极对数，从而改变电机的转速，主泵电机该电机通过改变绕组端部联结，分别构成不同的极对数，该方案优点体积小，绕组热胀冷缩一致，造价低，缺点是磁动势谐波分量高，性能低。
主泵电机基本数据如表1：主泵电机电气参数
电机设计的叠绕组展开图显示，在不同极对数时电机的分支绕组占有的槽数并不完全相同，初步判断每个分支的等效电抗也有差异，根据并联支路中感应电动势和相位相同的要求，分析认为，由于电机制造的各分支绕组占据的槽数不一致，槽距变化，因此在每个分支绕组中的电流幅值及相角存在差异。而不完全差动保护的进线电流互感器为3个分支的电流和，分支电流与进线电流通过平衡系数进行修正，但是在电机滑差减小，电流回落以后，相角差造成差动保护动作值相量落入动作区后保护动作出口跳闸。在同相绕组的不同分支中的电流的幅值和相位均有一定差异。
二、SPAD 3D53差动保护的动作原理
差动继电器模块SPCD 3D53可为三相回路提供差动电流保护，各相的整定值是相同的。差动继电器模块可以测量被保护电机定子中性点侧和断路器侧的相电流。制动式差动段和瞬动式差动段的动作是基于相电流的基波分量I1 和I2。差动电流的基波分量Id1f （即 Id），制动电流的基波分量Ib1f （即Ib）。
由于主泵电机断路器电流互感器变比为750/1，中性点的电流互感器使用的是2只500/1互感器二次并联，CT二次（额定）电流偏离被保护电机额定负载下的额定电流，通过调整继电器模块面板上I1/In 和 I2/In比率的定值来对被保护设备两侧进行CT变比校正，其范围是（0.40...1.50）×In。
带制动特性段由基本整定值P/In，制动比整定值S和动作特性第二拐点I2tp/In的整定值来确定。当差动电流超过工作特性的整定值时，若无外部闭锁，出口继电器动作出口。
I1和I2指的是保护项目输入和输出端的二次电流基波向量电流互感器，设被保护设备输入和输出侧上CT二次电流的基波电流是矢量I1和I2。则差动电流Id的幅值可由下式获得：
第二拐点I2tp/In可以在1，0...3，0的范围内设定，第一拐点总是固定的，等于Ib/In = 0.5。差动继电器模块动作特性的斜率随不同的部位而定。在区域1（0 ≤ Ib/In < 0.5）中，跳闸所需的差动电流是常数。差动电流值与继电器模块选择的基本整定值P/In相同。基本整定值主要为设定如图1动作曲线区段1的动作值。作为电动机的差动保护时，在采用完全差动时，差动保护的电流取自电机电源和中性点的电流互感器，电流为穿越性电流，除了互感器造成的误差和保护以外，电流的幅值和相角一般一致性较好，该定值可以取得更灵敏。但是，当用于不完全差动保护时，由于接入继电器的两个电流的幅值相角有变化，相角差明显，该定值的大小就需要分析和试验验证。基本定值设定时应考虑这一点。
区段2，也就是区段0，5 ≤ Ib/In < I2tp/In，。在这个区段改变制动比可以影响特性的斜率，即与负载电流的变化相比，跳闸所需差动电流的变化也要同样大。制动比应考虑CT误差的影响，应该避免将制动比值定得太高，因为差动继电器检测变压器匝间故障的灵敏度主要取决于起动比率。
高制动电流区域Ib/In≥I2tp/In内，特性的斜率是常数（区段3），斜率为100%。这意味着差动电流与相应制动电流的上升斜率是相同的。
正常情况下差动继电器保护的区域没有故障，此时电流I1和I2相等，则差动电流Id = 0。，不过，一般情况下实际的差动电流往往不等于零，在主泵电机保护系统中，由于采用的是不完全差动保护，电机的分支绕组中的电流随着电枢反应的不同工况，因为相位及幅值的变化等问题，差动继电器中很容易产生差流。由于接线的原因，差动电流在接近额定工况时落入动作区，引起差动保护误动出口。
三、差动保护误动原因分析
鼠笼式异步电机要求稳态运行时内部磁场对称，根据图4等效电路图分析，在启动过程中，由于滑差从1逐渐减小，定子电流分支電流主要为漏抗及电机直流电阻构成的串联电路电流，由于每相3个分支的漏抗都较小，分支绕组中的启动电流幅值及相位也接近相等，组成差动保护的分支电流近似等于断路器相电流的三分之一，通过电流互感器的变比校正，差动继电器的差流较小，电机启动电流很大，制动电流较高，此时继电器处于图2所示的区段3的制动区内，保护不会误动。 随着电机转速上升，滑差逐步减小，同时电机电流回落。当接近额定工况时，由于图3所示的负载支路电流下降，在电机的分支绕组电流主要为负荷电流和绕组励磁电流之和，因为电机的同相分支绕组的槽距等参数有差异，在接近额定运行工况附近，主泵电机的同相3个分支绕组的电流幅值和相位出现差别。断路器侧的电流互感器与中性点的电流互感器出现差流，差流落入图1 所示的区段1 的动作区，差动保护动作出口。
分析主泵启动时的录波文件发现，电机从启动到跳闸经历9秒，而跳闸时电机的电流已经回落到接近额定电流。见图5：
由于主泵 I 速起动时， 电动机断路器侧和中性点侧首尾电流存在相位角的位移，使得进线和出线电流相量和不能平衡， 这将给产生保护动作量的差流。是电机固有特性没法改变， 为避免这一实际情况对差动保护的影响，根据该差动继电器的工作原理，利用提高保护动作值的办法来适应。建议对I 速泵电动机差动保护定值调 整 为 ：
1 ）基本设 定值 P/In=0.5（ 继 电器 整 定 上限 ） ；
2 ）始 动 比 值 S=0.5 ；
3 ） 特性 曲 线的 第二转折 点 I2tp/In=1.5 ；
4 ）瞬 时差动的设定值 I/In≥6 。
同时对继电器的修正值也做了调 整 ， 保护误动时的修正 值为 0.55 ，考虑到防 差动 误 动作提高动作 门槛 值及因设定范围限而不满足要求 ，将正系数设定为1， 即差动保护实际动作二次电流为 0.5A （0.91In） ，差动速动为 6A（10.9In）（ In 电动机额定二次电流 ） 。
四、调整后试转测试
经过分析和确定方案以后，现场修改定值并重新校验保护，并对启动过程中的点击一相差动保护的断路器电流和电机中性点电流进行录波分析。电机正常启动并切换到Ⅱ速，电机成功启动。启动后对启动过程录波文件进行细致分析。发现在电机启动的前8秒，差动保护的两组CT电流相位和幅值基本接近。见图6：
对记录的波形进行逐步分析，当二次电流回落至额定电流附近以后，组成差动保护的两个电流角度在不断加大，至37度左右稳定，
具體数值见表2：主泵电机中性点CT与断路器CT启动过程电流峰值及相角变化统计表：
此时根据公式（1）计算Id=1.16，而Ib=1.72，如果采用数值为0.55的修正值，继电器落在区段2和区段3之间的动作区。经计算采用数值为1的修正值，把差动保护初始段的门槛值抬高，使得当电机滑差降低后，因为中性点电流和断路器侧电流出现相角差仍旧能落在制动区。通过定值改进提高了保护动作的曲线，解决了保护误动的问题。
= 五、结论
通过录波分析，造成差流过大的原因主要因为电机分支绕组电流与电源电流相角差异造成的，修改了主泵电机差动保护的修正值，解决了VVER反应堆的主泵电机多分支绕组的不完全差动保护的误动问题，使设备能够正常运行。但是，为了防止差动误动作而提高动作门槛值，差动保护实际动作二次电流为 0.5A（0.91In），差动速动值为 6A（10.9In）（ In 电动机额定二次电流），降低了保护灵敏度，当这与继电保护相关规程和计算导则推荐值（0.3～0.5In）不一致。该定值的修改造成在图1保护动作区段1的保护灵敏度降低，为了提高保护灵敏度，这在今后的设备管理过程中加以研究和解决。
参考文献：
[1]王维俭，电气主设备继电保护原理与应用，北京：中国电力出版社，2002：1.
[2] 傅丰礼 唐孝镐，异步电动机设计手册，机械工业出版社，2001：1.
[3] 叶水音，电机学，北京：中国电力出版社，2009：1.
作者简介：刘强，江苏核电有限公司。