交流高压电动机的保护配置方案与整定计算方法探讨

1、文章编号:1001-9227(200302-0050-04交流高压电动机的保护配置方案与整定计算方法探讨张强童安民3陈建玉33(中石化管道储运分公司潍坊输油处,261000(3国电自动化研究院南京,210003(33滁州凯泰汇龙自动化系统公司安徽滁州,239000摘要:论述了交流高压电动机的电气故障和异常运行方式,分析了电流纵差、复合电压闭锁过电流、反时限过负荷等几种主要的电动机保护继电器的原理特点、使用条件和整定计算方法,介绍了实际工程中的处理方法,推荐了更为实用的交流高压电动机保护配置方案。关键词:继电保护电动机整定计算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 中图分类号:T M77文献标识码:B0引言交流高压电动机是现代社会生产中最主要的动力设备,特别是电力、矿冶、石油、化工、水利等国民经济支柱行业,电动机的正常运行是极其重要的,用来判断电动机的各种故障和识别电动机的异常运行状态的继电保护装置也就很重要。有三

4、个方面对电动机的继电保护产生了很大的影响:第一是电动机制造技术的发展,提高了电动机的性能,如电动机容量的增大和功率因数的提高;第二是电力系统和电力电子技术的发展,改变了电动机的运行环境,如系统短路容量的增大和变频器的使用;第三是继电保护技术本身的发展,特别是数字式(微机型保护装置的普遍使用。因此,探讨高压电动机的保护配置方案,选择合适的保护原理和科学合理的整定计算方法,对提高电动机保护的技术和运行水平是很有必要的。1交流高压电动机的电气故障和异常运行交流高压电动机常见的电气故障和异常运行有1:定子绕组相间短路、定子绕组单相接地、定子绕组过负荷、定子绕组低电压、同步电动机失步、同步电动机失磁、同

5、步电动机出现非同步冲击电流。其中以定子绕组相间短路和同步电动机出现非同步冲击对电动机的危害最大。2相间短路的保护对电动机绕组的相间短路一般采用纵联电流差动或电流速断作主保护。比率制动原理的纵联电流差动保护的常见动作判据为:| I ps + I pn |-K r max (|I ps ,I pn |I op ,0(1式中:I ps 电动机机端侧电流I pn 电动机中性点侧电流K r 制动系数I op ,0最小动作电流推荐2的最小动作电流为0.10.2(In ,制动系数为0.30.5,因而电流差动保护具有灵敏度高的优点。在实际工程中使用时,机端侧电流互感器(T A 一般在断路器柜中,中性点侧T A

6、 在电动机本体上,二次侧电缆的长度后者要比前者大几十甚至上百倍,过重的二次负担导致中性点侧的T A 在通过电动机启动电流时传变误差过大,引起差动保护误动作。图1中的电动机空载起动试验时,起动电流约为6.5(In ,而差5自动化与仪器仪表ZI DONGHUA YU YIQI YIBIAO 2003年第2期(总第106期动电流达到4.3(In ,纵联电流差动保护误动作。 解决这一问题的办法有:(1采用磁平衡式差电流保护2。采用该方法时必须在电源开关处配置电流速断作为引线短路的主保护,如图2所示。 (2采用二次额定电流为1A 的T A中性点侧的T A 只有差动保护使用,容易改用1A的T A ,微机型

7、保护装置一般允许两侧T A 的变比和额定电流不同。T A 的二次额定电流从5A 降为1A 能显著提高带载能力4。必须指出,增大二次电缆截面提高T A 的计算电流饱和倍数是有条件的,因为T A 的10%误差带载能力是在负载功率因数为0.8时测定的,电缆截面加大后,T A 的负担将以电抗为主。(3降低电流差动保护的动作灵敏度和动作速度在H NN J 电厂,将比率差动的制动系数提高到0.7,将差电流速断的动作电流提高到6(In ,在JNY H 电厂,将差动保护增加了100mS 的短延时,都保证了差动保护在电动机起动时不误动,且仍能满足灵敏度和上下级保护动作速度配合的要求。采用过电流作为电动机内部短路

8、的后备保护1,但动作值低于起动电流,因此延时时间必须大于起动时间,由于电动机的启动时间长达660多秒5,过电流保护对电动机本身的实际意义不大。采用复合电压闭锁的过电流作为电动机的后备保护,如图3所示。过电流元件按躲过最大可能的负荷电流整定,负序电压元件按躲过正常运行和自起动时的最大不平衡电压整定,低电压元件按电动机群自起动时的母线最低电压整定,对不需要自起动的电动机,按本电动机起动时的母线最低电压整定。采用复合电压元件作闭锁,过电流保护的延时只需本机的主保护和相邻元件(同步电动机供区外短路电流时的主保护配合,可整定到1S 以内,极大地提高了动作速度。必须考虑到母线或相邻元件发生短路时,电动机会

9、倒送短路电流,整定计算时要考虑配合问题。3定子绕组过负荷的保护电动机定子绕组过负荷的主要原因有:(1对周期性工作的电动机,设计一在定深度的过负荷状态工作;(2电动机的起动或自起动、正常的冲击性负载;(3缺相运行、同步电动机的失磁运行;(4堵转。定子绕组过负荷时,发热增加,温度增高,导致绝缘材料的性能下降,寿命缩短,严重时产生热击穿。只要温度不长时间超过该电动机绝缘等级规定的最高温度,是允许在一定的过负荷深度下运行相应时间的。无疑,热过载保护应是最合理的过负荷保护。定义的热过载保护的动作特性方程一般为6:t =ln I 2-I 2PI 2-(k I 2B(2式中,t 动作时间,S ;时间常数,反

10、映电动机的过负荷能力,S ;I 继电器电流,宜采用正序和负序电流组成的复合电流,A ;I P 过负荷前的电流,考虑过负荷前的稳态电流的预热效应,A ;k 常数,取值范围为1.01.2,该常数乘以基本电流表示与最小动作电流准确值有关的电流值;I S 基本电流,即保护不动作所要求的规定的电流极限值,A 。有三个现实问题影响了该保护判据在实际工程中的使用:第一,时间常数与电动机的结构形式、设计工作参数和实际工作环境都有关,准确取值不容易;第二,负荷电流变动时的动作特性不明确,实际使用中过负荷电流并不都是稳定的,对断续性的过负荷,未明确15发热和散热各自的影响过程;第三,未明确正序电流和负序电流的复合

11、比例。推荐采用(3式作为电动机的过负荷保护:t0IIn2-1dt>A1且I>I ol(3式中,I电动机电流,可取最大相的电流,A;In额定负荷电流,A;I ol过负荷最小动作电流,A;t动作时间,S;A1按电动机过负荷能力整定的反时限动作时间常数。对连续工作的电动机,按(4式计算:A1=K kK2qdt qd(4式中,K k可靠系数,取1.11.2;K qd电动机的起动电流倍数,按电机厂家给出的数值,一般在67;t qd起动时间,S;对断续工作的电动机,还需按(5式计算,取二者中数值大者:A1=K kK2wkt wk(5式中,K k可靠系数,取1.11.2;K wk电动机的设计过负

12、荷工作电流倍数;t wk一个工作周期中电动机的运行时间,S。由于在选择电动机时,已按冷态起动2次或热态起动1次以及电动机的对应最大工作方式进行了校验,用该过负荷判据,对电动机来说是安全的,工程现场也容易整定计算。在采用反时限的过负荷保护后,起动时间过长、堵转、数分钟闭锁等特殊保护的意义已不大,并且判别和整定困难,现场试验不方便,可不采用。4负序过电流保护负序过电流的动作值一般按躲过电动机起动时的最大不平衡电流整定,因而它的动作灵敏度要比过电流保护大得多。当定子绕组有负序电流流过时,对于一些同步电动机和线绕式异步电动机,转子的耐受能力比定子的耐受能力低,当系统电源电压有比较大的不对称、特别对于采

13、用高压熔断器-接触器(F-C作为电源开关的电动机,容易发生断相故障,宜采用负序电流保护。但负序电流保护在T A断线时易误动,使用有局限,应优先选用复合电压闭锁过电流作后备保护。若供电系统是不接地系统,且电动机的T A是三相式的,可采用(6式作为T A断线闭锁判据。K k( I a+ I b+ I c>( I a+ I be-j120+ I ce j120(6式中,K k可靠系数,一般取1.11.2;I a, I b, I c三相电流值。5同步电动机的失磁、失步和非同步冲击保护同步电动机失磁后将转入异步运行,由于同步电动机是隐极机,在完全失磁的状态下异步运行对电动机本身的危害并不大,单一电

14、动机的失磁也不可能导致母线电压降低到允许值以下,因此反时限的过负荷保护一般能兼作电动机的失步保护,特别是微机型保护装置的动作误差小、返回系数高,适用条件中对电动机的短路比的要求有所降低,过负荷保护又简单可靠,应优先采用。对负荷力矩变动较大或负荷机械不允许在异步转速下运行的电动机,推荐采用反映定子电流和电压相位关系的区域阻抗继电器作为电动机的失磁、失步保护。动作判据为:Z180°-(7式中,Z机端测量到的电动机的阻抗角;区域阻抗动作角。表1动作阻抗角与对应的功率因数动作阻抗角°51015202530354045对应功率因数0.9960.9850.9660.9400.9060.

15、8660.8190.7660.707同步电动机失磁后的阻抗角与电动机的型式、当时的负荷、母线电压等都有关系,工程现场要进行精确整定计算比较困难,按典型的电动机参数估算,要进相25°运行,对应到励磁电压要下降20%左右。因此,建议动作阻抗角固定为25°,能同时兼顾灵敏性和稳定性的要求。系统电源断开后,同步电动机从母线上吸收的有功功率或向母线倒送的有功功率既取决于电动机自身的型式和负荷性质,还取决于母线上的其他电动机。因此采用低功率和逆功率作为非同步冲击保护也涉及整定困难的问题,建议采用低频率保护作为同步电动机的非同步冲击保护。在动态模拟试验中,采用系统电源中断1S作为同步电动

16、机的非同步冲击试验方法6是值得商榷的。在发电厂的厂用电系统中,备用电源的快速投入在0.3S 左右,慢速投入在2S以后,非同步冲击保护的动作时间用1S考核是合适的,而对一般性的泵站的供电不会用快速备用自投,要考虑与电源线上的快速三相一次25自动重合闸相配合,取0.3S较合适。6结论综上所述,本文推荐表2所列作交流高压电动机的保护配置,具有保护完整、构成简单、整定计算容易的特点。表2推荐的交流高压电动机保护配置大容量电动机中小容量电动机内部相间短路的主保护差电流(磁平衡式+电流速断电流速断后备保护复合电压闭锁过流过电流异常运行保护单相接地零序过电流低电压低电压过负荷反时限过负荷负序反时限过负荷过负

17、荷(定时限或反时限同步电动机专用保护失磁、失步区域阻抗过负荷非同步冲击低频率参考文献1电力装置的继电保护和自动装置设计规范(G B50062-92.北京:中国标准出版社,19922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,19963王维俭.电动机电流纵差保护的几个问题.电力系统自动化,2001,25(64陈建玉,孟宪民,张振旗等.电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策.电力系统自动化,2000,24(6:54565西北电力设计院等.电机工程设计手册(第二版.北京:水利电力出版社,19896李力,艾德胜,孟宪民等.微机型电动机保护装置通用技术条件:行业标准.北京:中国电力出版

18、社,2001第五届中国国际旋转设备、流体及空气处理系统、流体动力、化工科技、控制系统及仪器仪表、水科技及环境管理科技展(PSC2003荣获国际厂商踊跃支持第五届中国国际旋转设备、流体及空气处理系统、流体动力、化工科技、控制系统及仪器仪表、水科技及环境管理科技展(简称PSC2003将于2003年7月1日至4日在上海国际展览(娄山关路88号中心再次隆重登场。本展将聚集来自国际及国内泵、阀、管道、压缩机、流体动力、化工科技、控制系统及仪器仪表、水科技及环境管理行业里的顶尖制造商及供应商。PSC2003有着成功的展出记录,加上强大的中国市场需求,主办机构有信心,今年展览会的规模将更大,更具国际展的专业水准