交流高壓電動機(jī)的保護(hù)配置方案與整定計(jì)算方法探討

1、文章編號:1001-9227(200302-0050-04交流高壓電動機(jī)的保護(hù)配置方案與整定計(jì)算方法探討張強(qiáng)童安民3陳建玉33(中石化管道儲運(yùn)分公司濰坊輸油處,261000(3國電自動化研究院南京,210003(33滁州凱泰匯龍自動化系統(tǒng)公司安徽滁州,239000摘要:論述了交流高壓電動機(jī)的電氣故障和異常運(yùn)行方式,分析了電流縱差、復(fù)合電壓閉鎖過電流、反時(shí)限過負(fù)荷等幾種主要的電動機(jī)保護(hù)繼電器的原理特點(diǎn)、使用條件和整定計(jì)算方法,介紹了實(shí)際工程中的處理方法,推薦了更為實(shí)用的交流高壓電動機(jī)保護(hù)配置方案。關(guān)鍵詞:繼電保護(hù)電動機(jī)整定計(jì)算ABSTRACT :We presented in this pape

2、r methods of H V AC m otors ,electrical faults and abnormal operational conditions for H V AC m otors.The principle feature ,applied conditions and setting calculation methods of the current differential relay ,over current relay with com pound -v oltage blocking and I DMT overload protection are an

3、alised.In addition we introduced the s olvement in pratice.The ideal protective arrangement scheme is als o suggested.KEY WORDS :Relay protection M otor Setting calculation 中圖分類號:T M77文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B0引言交流高壓電動機(jī)是現(xiàn)代社會生產(chǎn)中最主要的動力設(shè)備,特別是電力、礦冶、石油、化工、水利等國民經(jīng)濟(jì)支柱行業(yè),電動機(jī)的正常運(yùn)行是極其重要的,用來判斷電動機(jī)的各種故障和識別電動機(jī)的異常運(yùn)行狀態(tài)的繼電保護(hù)裝置也就很重要。有三

4、個(gè)方面對電動機(jī)的繼電保護(hù)產(chǎn)生了很大的影響:第一是電動機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展,提高了電動機(jī)的性能,如電動機(jī)容量的增大和功率因數(shù)的提高;第二是電力系統(tǒng)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,改變了電動機(jī)的運(yùn)行環(huán)境,如系統(tǒng)短路容量的增大和變頻器的使用;第三是繼電保護(hù)技術(shù)本身的發(fā)展,特別是數(shù)字式(微機(jī)型保護(hù)裝置的普遍使用。因此,探討高壓電動機(jī)的保護(hù)配置方案,選擇合適的保護(hù)原理和科學(xué)合理的整定計(jì)算方法,對提高電動機(jī)保護(hù)的技術(shù)和運(yùn)行水平是很有必要的。1交流高壓電動機(jī)的電氣故障和異常運(yùn)行交流高壓電動機(jī)常見的電氣故障和異常運(yùn)行有1:定子繞組相間短路、定子繞組單相接地、定子繞組過負(fù)荷、定子繞組低電壓、同步電動機(jī)失步、同步電動機(jī)失磁、同

5、步電動機(jī)出現(xiàn)非同步?jīng)_擊電流。其中以定子繞組相間短路和同步電動機(jī)出現(xiàn)非同步?jīng)_擊對電動機(jī)的危害最大。2相間短路的保護(hù)對電動機(jī)繞組的相間短路一般采用縱聯(lián)電流差動或電流速斷作主保護(hù)。比率制動原理的縱聯(lián)電流差動保護(hù)的常見動作判據(jù)為:| I ps + I pn |-K r max (|I ps ,I pn |I op ,0(1式中:I ps 電動機(jī)機(jī)端側(cè)電流I pn 電動機(jī)中性點(diǎn)側(cè)電流K r 制動系數(shù)I op ,0最小動作電流推薦2的最小動作電流為0.10.2(In ,制動系數(shù)為0.30.5,因而電流差動保護(hù)具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程中使用時(shí),機(jī)端側(cè)電流互感器(T A 一般在斷路器柜中,中性點(diǎn)側(cè)T A

6、 在電動機(jī)本體上,二次側(cè)電纜的長度后者要比前者大幾十甚至上百倍,過重的二次負(fù)擔(dān)導(dǎo)致中性點(diǎn)側(cè)的T A 在通過電動機(jī)啟動電流時(shí)傳變誤差過大,引起差動保護(hù)誤動作。圖1中的電動機(jī)空載起動試驗(yàn)時(shí),起動電流約為6.5(In ,而差5自動化與儀器儀表ZI DONGHUA YU YIQI YIBIAO 2003年第2期(總第106期動電流達(dá)到4.3(In ,縱聯(lián)電流差動保護(hù)誤動作。 解決這一問題的辦法有:(1采用磁平衡式差電流保護(hù)2。采用該方法時(shí)必須在電源開關(guān)處配置電流速斷作為引線短路的主保護(hù),如圖2所示。 (2采用二次額定電流為1A 的T A中性點(diǎn)側(cè)的T A 只有差動保護(hù)使用,容易改用1A的T A ,微機(jī)型

7、保護(hù)裝置一般允許兩側(cè)T A 的變比和額定電流不同。T A 的二次額定電流從5A 降為1A 能顯著提高帶載能力4。必須指出,增大二次電纜截面提高T A 的計(jì)算電流飽和倍數(shù)是有條件的,因?yàn)門 A 的10%誤差帶載能力是在負(fù)載功率因數(shù)為0.8時(shí)測定的,電纜截面加大后,T A 的負(fù)擔(dān)將以電抗為主。(3降低電流差動保護(hù)的動作靈敏度和動作速度在H NN J 電廠,將比率差動的制動系數(shù)提高到0.7,將差電流速斷的動作電流提高到6(In ,在JNY H 電廠,將差動保護(hù)增加了100mS 的短延時(shí),都保證了差動保護(hù)在電動機(jī)起動時(shí)不誤動,且仍能滿足靈敏度和上下級保護(hù)動作速度配合的要求。采用過電流作為電動機(jī)內(nèi)部短路

8、的后備保護(hù)1,但動作值低于起動電流,因此延時(shí)時(shí)間必須大于起動時(shí)間,由于電動機(jī)的啟動時(shí)間長達(dá)660多秒5,過電流保護(hù)對電動機(jī)本身的實(shí)際意義不大。采用復(fù)合電壓閉鎖的過電流作為電動機(jī)的后備保護(hù),如圖3所示。過電流元件按躲過最大可能的負(fù)荷電流整定,負(fù)序電壓元件按躲過正常運(yùn)行和自起動時(shí)的最大不平衡電壓整定,低電壓元件按電動機(jī)群自起動時(shí)的母線最低電壓整定,對不需要自起動的電動機(jī),按本電動機(jī)起動時(shí)的母線最低電壓整定。采用復(fù)合電壓元件作閉鎖,過電流保護(hù)的延時(shí)只需本機(jī)的主保護(hù)和相鄰元件(同步電動機(jī)供區(qū)外短路電流時(shí)的主保護(hù)配合,可整定到1S 以內(nèi),極大地提高了動作速度。必須考慮到母線或相鄰元件發(fā)生短路時(shí),電動機(jī)會

9、倒送短路電流,整定計(jì)算時(shí)要考慮配合問題。3定子繞組過負(fù)荷的保護(hù)電動機(jī)定子繞組過負(fù)荷的主要原因有:(1對周期性工作的電動機(jī),設(shè)計(jì)一在定深度的過負(fù)荷狀態(tài)工作;(2電動機(jī)的起動或自起動、正常的沖擊性負(fù)載;(3缺相運(yùn)行、同步電動機(jī)的失磁運(yùn)行;(4堵轉(zhuǎn)。定子繞組過負(fù)荷時(shí),發(fā)熱增加,溫度增高,導(dǎo)致絕緣材料的性能下降,壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生熱擊穿。只要溫度不長時(shí)間超過該電動機(jī)絕緣等級規(guī)定的最高溫度,是允許在一定的過負(fù)荷深度下運(yùn)行相應(yīng)時(shí)間的。無疑,熱過載保護(hù)應(yīng)是最合理的過負(fù)荷保護(hù)。定義的熱過載保護(hù)的動作特性方程一般為6:t =ln I 2-I 2PI 2-(k I 2B(2式中,t 動作時(shí)間,S ;時(shí)間常數(shù),反

10、映電動機(jī)的過負(fù)荷能力,S ;I 繼電器電流,宜采用正序和負(fù)序電流組成的復(fù)合電流,A ;I P 過負(fù)荷前的電流,考慮過負(fù)荷前的穩(wěn)態(tài)電流的預(yù)熱效應(yīng),A ;k 常數(shù),取值范圍為1.01.2,該常數(shù)乘以基本電流表示與最小動作電流準(zhǔn)確值有關(guān)的電流值;I S 基本電流,即保護(hù)不動作所要求的規(guī)定的電流極限值,A 。有三個(gè)現(xiàn)實(shí)問題影響了該保護(hù)判據(jù)在實(shí)際工程中的使用:第一,時(shí)間常數(shù)與電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)工作參數(shù)和實(shí)際工作環(huán)境都有關(guān),準(zhǔn)確取值不容易;第二,負(fù)荷電流變動時(shí)的動作特性不明確,實(shí)際使用中過負(fù)荷電流并不都是穩(wěn)定的,對斷續(xù)性的過負(fù)荷,未明確15發(fā)熱和散熱各自的影響過程;第三,未明確正序電流和負(fù)序電流的復(fù)合

11、比例。推薦采用(3式作為電動機(jī)的過負(fù)荷保護(hù):t0IIn2-1dt>A1且I>I ol(3式中,I電動機(jī)電流,可取最大相的電流,A;In額定負(fù)荷電流,A;I ol過負(fù)荷最小動作電流,A;t動作時(shí)間,S;A1按電動機(jī)過負(fù)荷能力整定的反時(shí)限動作時(shí)間常數(shù)。對連續(xù)工作的電動機(jī),按(4式計(jì)算:A1=K kK2qdt qd(4式中,K k可靠系數(shù),取1.11.2;K qd電動機(jī)的起動電流倍數(shù),按電機(jī)廠家給出的數(shù)值,一般在67;t qd起動時(shí)間,S;對斷續(xù)工作的電動機(jī),還需按(5式計(jì)算,取二者中數(shù)值大者:A1=K kK2wkt wk(5式中,K k可靠系數(shù),取1.11.2;K wk電動機(jī)的設(shè)計(jì)過負(fù)

12、荷工作電流倍數(shù);t wk一個(gè)工作周期中電動機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,S。由于在選擇電動機(jī)時(shí),已按冷態(tài)起動2次或熱態(tài)起動1次以及電動機(jī)的對應(yīng)最大工作方式進(jìn)行了校驗(yàn),用該過負(fù)荷判據(jù),對電動機(jī)來說是安全的,工程現(xiàn)場也容易整定計(jì)算。在采用反時(shí)限的過負(fù)荷保護(hù)后,起動時(shí)間過長、堵轉(zhuǎn)、數(shù)分鐘閉鎖等特殊保護(hù)的意義已不大,并且判別和整定困難,現(xiàn)場試驗(yàn)不方便,可不采用。4負(fù)序過電流保護(hù)負(fù)序過電流的動作值一般按躲過電動機(jī)起動時(shí)的最大不平衡電流整定,因而它的動作靈敏度要比過電流保護(hù)大得多。當(dāng)定子繞組有負(fù)序電流流過時(shí),對于一些同步電動機(jī)和線繞式異步電動機(jī),轉(zhuǎn)子的耐受能力比定子的耐受能力低,當(dāng)系統(tǒng)電源電壓有比較大的不對稱、特別對于采

13、用高壓熔斷器-接觸器(F-C作為電源開關(guān)的電動機(jī),容易發(fā)生斷相故障,宜采用負(fù)序電流保護(hù)。但負(fù)序電流保護(hù)在T A斷線時(shí)易誤動,使用有局限,應(yīng)優(yōu)先選用復(fù)合電壓閉鎖過電流作后備保護(hù)。若供電系統(tǒng)是不接地系統(tǒng),且電動機(jī)的T A是三相式的,可采用(6式作為T A斷線閉鎖判據(jù)。K k( I a+ I b+ I c>( I a+ I be-j120+ I ce j120(6式中,K k可靠系數(shù),一般取1.11.2;I a, I b, I c三相電流值。5同步電動機(jī)的失磁、失步和非同步?jīng)_擊保護(hù)同步電動機(jī)失磁后將轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行,由于同步電動機(jī)是隱極機(jī),在完全失磁的狀態(tài)下異步運(yùn)行對電動機(jī)本身的危害并不大,單一電

14、動機(jī)的失磁也不可能導(dǎo)致母線電壓降低到允許值以下,因此反時(shí)限的過負(fù)荷保護(hù)一般能兼作電動機(jī)的失步保護(hù),特別是微機(jī)型保護(hù)裝置的動作誤差小、返回系數(shù)高,適用條件中對電動機(jī)的短路比的要求有所降低,過負(fù)荷保護(hù)又簡單可靠,應(yīng)優(yōu)先采用。對負(fù)荷力矩變動較大或負(fù)荷機(jī)械不允許在異步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的電動機(jī),推薦采用反映定子電流和電壓相位關(guān)系的區(qū)域阻抗繼電器作為電動機(jī)的失磁、失步保護(hù)。動作判據(jù)為:Z180°-(7式中,Z機(jī)端測量到的電動機(jī)的阻抗角;區(qū)域阻抗動作角。表1動作阻抗角與對應(yīng)的功率因數(shù)動作阻抗角°51015202530354045對應(yīng)功率因數(shù)0.9960.9850.9660.9400.9060.

15、8660.8190.7660.707同步電動機(jī)失磁后的阻抗角與電動機(jī)的型式、當(dāng)時(shí)的負(fù)荷、母線電壓等都有關(guān)系,工程現(xiàn)場要進(jìn)行精確整定計(jì)算比較困難,按典型的電動機(jī)參數(shù)估算,要進(jìn)相25°運(yùn)行,對應(yīng)到勵(lì)磁電壓要下降20%左右。因此,建議動作阻抗角固定為25°,能同時(shí)兼顧靈敏性和穩(wěn)定性的要求。系統(tǒng)電源斷開后,同步電動機(jī)從母線上吸收的有功功率或向母線倒送的有功功率既取決于電動機(jī)自身的型式和負(fù)荷性質(zhì),還取決于母線上的其他電動機(jī)。因此采用低功率和逆功率作為非同步?jīng)_擊保護(hù)也涉及整定困難的問題,建議采用低頻率保護(hù)作為同步電動機(jī)的非同步?jīng)_擊保護(hù)。在動態(tài)模擬試驗(yàn)中,采用系統(tǒng)電源中斷1S作為同步電動

16、機(jī)的非同步?jīng)_擊試驗(yàn)方法6是值得商榷的。在發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)中,備用電源的快速投入在0.3S 左右,慢速投入在2S以后,非同步?jīng)_擊保護(hù)的動作時(shí)間用1S考核是合適的,而對一般性的泵站的供電不會用快速備用自投,要考慮與電源線上的快速三相一次25自動重合閘相配合,取0.3S較合適。6結(jié)論綜上所述,本文推薦表2所列作交流高壓電動機(jī)的保護(hù)配置,具有保護(hù)完整、構(gòu)成簡單、整定計(jì)算容易的特點(diǎn)。表2推薦的交流高壓電動機(jī)保護(hù)配置大容量電動機(jī)中小容量電動機(jī)內(nèi)部相間短路的主保護(hù)差電流(磁平衡式+電流速斷電流速斷后備保護(hù)復(fù)合電壓閉鎖過流過電流異常運(yùn)行保護(hù)單相接地零序過電流低電壓低電壓過負(fù)荷反時(shí)限過負(fù)荷負(fù)序反時(shí)限過負(fù)荷過負(fù)

17、荷(定時(shí)限或反時(shí)限同步電動機(jī)專用保護(hù)失磁、失步區(qū)域阻抗過負(fù)荷非同步?jīng)_擊低頻率參考文獻(xiàn)1電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范(G B50062-92.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,19922王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用.北京:中國電力出版社,19963王維儉.電動機(jī)電流縱差保護(hù)的幾個(gè)問題.電力系統(tǒng)自動化,2001,25(64陳建玉,孟憲民,張振旗等.電流互感器飽和對繼電保護(hù)影響的分析及對策.電力系統(tǒng)自動化,2000,24(6:54565西北電力設(shè)計(jì)院等.電機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊(第二版.北京:水利電力出版社,19896李力,艾德勝,孟憲民等.微機(jī)型電動機(jī)保護(hù)裝置通用技術(shù)條件:行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).北京:中國電力出版

18、社,2001第五屆中國國際旋轉(zhuǎn)設(shè)備、流體及空氣處理系統(tǒng)、流體動力、化工科技、控制系統(tǒng)及儀器儀表、水科技及環(huán)境管理科技展(PSC2003榮獲國際廠商踴躍支持第五屆中國國際旋轉(zhuǎn)設(shè)備、流體及空氣處理系統(tǒng)、流體動力、化工科技、控制系統(tǒng)及儀器儀表、水科技及環(huán)境管理科技展(簡稱PSC2003將于2003年7月1日至4日在上海國際展覽(婁山關(guān)路88號中心再次隆重登場。本展將聚集來自國際及國內(nèi)泵、閥、管道、壓縮機(jī)、流體動力、化工科技、控制系統(tǒng)及儀器儀表、水科技及環(huán)境管理行業(yè)里的頂尖制造商及供應(yīng)商。PSC2003有著成功的展出記錄,加上強(qiáng)大的中國市場需求,主辦機(jī)構(gòu)有信心,今年展覽會的規(guī)模將更大,更具國際展的專業(yè)水準(zhǔn)