（中广核核电运营有限公司 广东深圳 518124）
摘要:国内某核电厂发生MPD100型马达保护控制器故障误动作造成电机跳闸事故，导致下游ACO、CVI、GGR及GST等多个重要负荷电机运行可靠性下降。该马达保护控制器采用高数字信号处理芯片（DSP）技术和12位A/D过采样技术，通过深入分析过载保护及堵转保护运算方式，解析控制器误动作的机理，并根据分析结果提出应对措施，使得电气人员对马达保护控制器能有更深的了解，从而为核电系统中的重要负荷电机的正常运行提供保障。
关键词:控制器；A/D采样技术；误动跳闸；过载保护；堵转
0 引言
MPD100型马达保护控制器采用高数字信号处理芯片（DSP）技术和12位A/D过采样技术【1】，是一个高集成化模块，替代了传统的大量元器件及保护装置。近几年以来，多个核电厂重要负荷电机的电源开关采用该型号马达保护控制器。本文以国内某核电站常规岛低压配电盘系统2LKT101（2CVI301PO）开关马达保护控制器异常跳闸为背景，深入分析马达保护控制器动作原理，进行根本原因分析，对后续核电马达保护控制器的检修校验与故障分析能起到很好的借鉴作用。
1 MPD100马达保护控制器误动事件过程
2017年10月25日, 某核电厂对开关2LKT101（2CVI301PO）马达保护控制器进行堵转保护校验时,发现堵转保护无法动作。检查发现850XS的二级采样CT的B相绕线方向反向（MPD100-T型二级CT的三相线有绕线方向要求），在对B相绕线进行了调整后，并重新对马达保护控制器各项保护功能进行校验均合格。逐对2LKT101（2CVI301PO）开关进行送电验证，下游电机正常投运45分钟后电机跳闸。检查发现马达保护控制器850XS故障指示灯红灯亮，控制器显示马达保护控制器热过载故障动作。查询KIC当时运行电流230A显示正常，该电机额定电流In为375A，马达保护控制器热过载按定值手册设定为105%In，延时60分钟，马达保护控制器其他保护参数设定均正常。现场进一步检查为马达控制器一级CT接至二级CT的 A/C相采样电缆反接。
2 马达保护控制器工作原理
2.1 马达保护控制器的结构
MPD100型马达保护控制器适用于交流50Hz、额定电压至690V、额定电流至100A(100A以上需外部保护级电流互感器)的交流电动机，它通过操作交流电动机控制回路中的接触器，实现电机的启停操作，支持直接、双向、星三角、与软启动器配合开环等启动方式，并针对过流、过载、堵转、接地、不平衡等故障对电机予以保护。
该核电站使用的MPD100型马达保护控制器的电机额定电流均大于100A，其控制器需配置外部电流互感器作为一级CT ，直接套入一次电缆或者母排。同时马达保护控制器本体还要配置额定电流为5.0A的MPD100-T电流互感器作为二级CT，实现12位A/D过采样，如图1所示。该控制器通过高数字信号处理芯片（DSP）技术对电流采样的矢量值进行计算，实现对下游电机的保护。因此二级CT MPD100-T互感器对采样引线有相序的要求。
图 1 马达保护控制器一二次CT接线方式
2.2 马达保护控制器热过载原理
在电力系统中正常稳态运行的电机可认为是三相对称系统，电机在稳态运行状态的矢量图如图2所示。由图2可知在正序三相对称系统中，其正序分量为，负序分量为。
图2 电力系统电流矢量图
马达保护控制器的热过载保护综合考虑电动机正序电流以及负序电流所产生的热效应，为电动机各种过负荷提供保护【2】。电动机的热源主要是正负序电流在电动机内的铜耗，引入等效电流
作为热过载保护的输入电流：
（1）
式中，I1和I2分别为正序电流和负序电流；K1为正序电流发热系数；K2 为负序电流发热系数。
当电机起动运行后发生过载故障，马达保护控制器的热过载保护的动作时间与电流之间的特性曲线符合如下公式：
（2）
式中，t为动作时间；τ为电动机发热时间常数；
为电动机额定电流，K为系数，取值范围0.8~1.2，
表示电动机允许长时间工作的极限电流。
查询说明书及定值手册可得：正序电流发热系数在电动机起动过程中，取K1=0.5，起动结束取K1=1；负序电流发热系数，K2取值范围为3~10,核电站马达保护器取K2=6。由于在电机启动阶段运行时间仅为5s，其在电机内的产生的铜耗可忽略不计。因此可知在电机稳态运行时，采样正负序电流在电动机内的铜耗引入的等效电流
为
三相电机的额定电流指的是电机电源引入线的线电流，故式中I的数值即为电机运行的实际电流值。查询定值手册可知τ设定为60min；电动机允许长时间的极限电流
综上所述，可知热过载保护的动作时间与电流之间的特性曲线公式如下
（单位：min）
由公式可知，电机发生热过载故障动作时间与运行电流之间的特性曲线如图3所示：
图3 热过载动作时间与运行电流之间的特性曲线
以2CVI301PO电机的参数为例, 额定电流为375A，CT变比500/1，经过离线校验得到的数据如表1。将继电保护校验仪输出误差、马达保护控制器起动阶段的铜耗、CT的采样精度及马达保护控制器采样5%的误差考虑在内，其热过载理论计算值与实际动作校验时间相吻合。
2.3 马达保护控制器堵转保护原理
马达保护控制器堵转保护设置了高低两个定值，分别对应电机的起动堵转和运行堵转两个状态，控制器保护判据为根据三相电流互感器的矢量和叠加计算得到的正序电流超过定值，则经延时跳闸。
3 2LKT101（2CVI301PO）MPD100马达保护控制器误动故障原理分析
3.1 控制器采样信号异常对过载保护的影响
在对2LKT101（2CVI301PO）马达保护器850XS进行检查时，先后发现850XS的二级采样CT的B相绕线方向反向（MPD100-T型二级CT的三相线有绕线方向要求）且一级采样CT A/C相电缆反接。如图4 所示，在未调整接线前，一二级CT绕线同时存在反序。
图4 一二次CT接线示范图
根据上述信息得出未调整接线前，电机三相稳态电流矢量图如图5 所示；
图5 未调线前电流矢量图
由图5可知电机未调整接线前，运行电流为三相正序系统，其正序分量为
，负序分量为
，代入公式（1）可得
又由公式（2）可得电机热过载动作时间t与电机运行电流之间的特性曲线公式：
由公式可知，电机在未调整接线前发生热过载故障动作时间与运行电流之间的特性曲线如图6所示：
图6 热过载动作时间与运行电流之间的特性曲线
代入函数：
的定义域（0.99,1.2）；值域（70，
）
根据热过载动作时间与运行电流之间的特性曲线可知，在未调整接线前，当电机运行电流未超过额定电流其过载保护不动作，当电机运行电流大于额定电流时，马达保护控制器的过载保护仍然能够正常动作，只是过载保护动作值及动作时间上稍有偏差。
但根据马达保护控制器堵转保护原理，可知控制器的堵转保护只与三相系统中矢量和叠加计算得到的正序电流有关，因此CT采样异常将会影响控制器的堵转保护。
3.2 控制器采样异常对堵转保护的影响
由图2和图5可知，在三相对称系统中，其所对应的正序分量分别为和 。根据控制器堵转保护原理可知，只有当控制器模块采样到的三相电流矢量和叠加计算得到的正序电流超过定值，在控制器经设定延时跳闸。以2CVI301PO电机的参数为例,额定电流为375A，CT变比500/1，堵转保护
，换算到二级CT上加电流离线试验，相关试验数据如表2所示。由数据可知，由于接线调整前二级CT B相反向，造成堵转保护定值出现正偏差放大，所以导致控制器堵转保护失效。
3.3 电机再鉴定时热过载动作原因分析
在对2LKT101（2CVI301PO）开关马达控制器二级CT B相接线按正向调整接线后，但马达保护控制器850XS一级采样CT接至二级采样CT的A/C两相连线仍存在反接，即构成负序三相系统。其稳态运行电流矢量图如图7所示：
图7 A/C相反接后的电流采样异常矢量图
由图7可知在此负序三相对称系统中，其正序分量为，负序分量为。同理，由于在电机启动阶段运行时间为5s，其在电机内的铜耗可忽略不计。由公式（1）可知
式中
为负序三相对称系统中的负序分量，式中I的数值即为电机运行的实际电流。
查询电机参数额定电流In为375A，马达保护控制器热过载按定值手册设定为105%In，延时60min，综上所述，可知热过载保护的动作时间与电流之间的特性曲线公式如下
（单位：min） （3）
由公式可知，在控制器二级采样CT的A/C两相接线反接状态下，电机在发生热过载故障动作时间与运行电流之间的特性曲线如图8所示：
图8 热过载动作时间与电流之间的特性曲线
曲线函数
的定义域（0.42866,1.2），即y的值域（8.2，
）。
由函数特性曲线可知，当A、C相接线反接后，电机运行电流只要大于0.42866倍额定电流，热过载保护将会动作。查询KIC当时实际运行电流230A显示正常，现场核实马达保护控制器其他保护参数设定均正常。
将运行电流和电机额定电流代入公式（3）可知：
这与现场电机再鉴定起动电机后，经过45min后跳闸，将现场实际电流值与KIC显示的误差、及运行电流的波动考虑在内，可知其热过载理论计算值与实际热过载动作时间相吻合。
4 结束语
该MPD100型马达保护控制器电流信号采样的是负荷CT转化来的电流矢量，异常状态下的非对称电流矢量即触发控制器保护计算偏差。所以在MPD100型马达保护控制器校验时，需注意核对输入控制器的信号源是否为正序电流，同时在控制器故障诊断时，电源侧相序也要列入检查范畴。通过本文对MPD100型马达保护控制器故障机理的分析，对控制器保护计算原理作了深入的介绍，为故障检测起到很好的借鉴作用。
参考文献：
［1］ 胡静．船用空气断路器故障分析与处理对策[J]．轻工科技，2013，2(9):49-50．
［2］ 刘以军．基于DSP的数字式异步电机保护装置研制[J]．电工技术，2011,7(4):8-11．
论文作者:罗真福,吴水平,伍思弘
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/22
标签：控制器论文; 电流论文; 马达论文; 电机论文; 动作论文; 时间论文; 曲线论文; 《电力设备》2018年第13期论文;