高壓電動機(jī)綜合保護(hù)整定計(jì)算方法的探討

1、高壓電動機(jī)綜合保護(hù)整定計(jì)算方法的探討    摘要通過對電動機(jī)負(fù)序電流產(chǎn)生原因和對保護(hù)的影響進(jìn)行分析，對高壓電動機(jī)綜合保護(hù)的定值整定方法進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞電動機(jī)繼電保護(hù)定值計(jì)算 1概 述目前，在火電廠和其它工礦企業(yè)，開始采用綜合保護(hù)裝置作為高壓電動機(jī)的保護(hù)。這種綜合保護(hù)裝置一般為微機(jī)型，其主要功能如下：a短路保護(hù)（即電流速斷保護(hù)）：由正序電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)；b斷相及反相保護(hù)：由負(fù)序電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)，為反時限特性；c接地保護(hù)：采用零序電流互感器獲取零序電流實(shí)現(xiàn)；d過熱保護(hù)：綜合計(jì)及電動機(jī)的正序電流和負(fù)序電流的熱效應(yīng)，對電動機(jī)過載、啟動時間過長和堵轉(zhuǎn)提供保護(hù)。并有熱記憶功能，即過

2、熱保護(hù)跳閘后，不會立即啟動，需等到電動機(jī)散熱到允許啟動時，才能再次啟動；e電動機(jī)保護(hù)的定值，采用啟動過程中的定值與正常運(yùn)行時的定值獨(dú)立設(shè)置的方式，既可以保證啟動時不誤動，又能保證正常運(yùn)行時的保護(hù)靈敏度。 2綜合保護(hù)整定計(jì)算中必須考慮的特殊問題由于綜合保護(hù)采用了負(fù)序電流來實(shí)現(xiàn)斷相等保護(hù)功能，同時，速斷保護(hù)是由正序電流實(shí)現(xiàn)的。因此，在保護(hù)的整定計(jì)算中必須考慮以下因素：外部不對稱故障產(chǎn)生的負(fù)序電流對保護(hù)的影響；母線電壓不平衡產(chǎn)生的負(fù)序電流對保護(hù)的影響；CT斷線的影響；不對稱短路故障對速斷保護(hù)靈敏度的影響。21電動機(jī)負(fù)序電流產(chǎn)生的原因211電網(wǎng)參數(shù)不對稱    電網(wǎng)參數(shù)不

3、對稱包括正常運(yùn)行時的電源電壓不平衡和外部不對稱短路產(chǎn)生的不對稱電壓。這2種情況下都會產(chǎn)生負(fù)序電流。    a正常運(yùn)行時不平衡電壓產(chǎn)生的負(fù)序電流設(shè)正常運(yùn)行時不平衡電壓所產(chǎn)生的負(fù)序電壓為U2，此時電動機(jī)回路的負(fù)序電流為：式中：Ist為電動機(jī)額定電壓下的啟動電流；Z為負(fù)序阻抗；ZSC為啟動阻抗；UN為電動機(jī)的額定電壓。由式（1）可知，由于電動機(jī)的啟動電流Ist可達(dá)額定電流的58倍，因此，只要有很小的負(fù)序電壓存在，也會產(chǎn)生較大的負(fù)序電流。例如，設(shè)U2005 UN，由于Ist58IN，代入式（1）可得：    I2（58）IN（005UNUN）

4、（02504）IN即只要存在額定電壓5的負(fù)序電壓，將會在電動機(jī)中產(chǎn)生達(dá)2540額定電流的負(fù)序電流。    b外部不對稱短路產(chǎn)生的負(fù)序電流如果在電動機(jī)所屬高壓母線上或靠母線很近的其它設(shè)備上發(fā)生兩相短路，將在非故障的電動機(jī)回路上產(chǎn)生很大的負(fù)序電流。設(shè)在電動機(jī)所在高壓母線上發(fā)生BC相短路。忽略系統(tǒng)阻抗的影響，這時式中E1為系統(tǒng)電勢，可認(rèn)為E1UN，且由于ZZSC，因此非故障電動機(jī)回路產(chǎn)生的負(fù)序電流為：    由此可見，在電動機(jī)所在高壓母線上或附近發(fā)生兩相短路時，非故障的電動機(jī)回路將產(chǎn)生達(dá)電動機(jī)啟動電流一半的負(fù)序電流，這在定值整定時是不容忽視

5、的。212內(nèi)部參數(shù)不對稱造成電動機(jī)內(nèi)部參數(shù)不對稱的原因主要有：定子線圈相間短路、定子線圈匝間短路、定子線圈斷線、轉(zhuǎn)子斷條等。以實(shí)際運(yùn)行中故障率較高的定子線圈一相斷線為例進(jìn)行分析。根據(jù)故障分析法，當(dāng)電動機(jī)定子線圈發(fā)生一相斷線時，復(fù)合序阻抗圖如圖1所示。   由圖1可得電動機(jī)定子線圈一相斷線時的負(fù)序電流為：    即負(fù)序電流為電動機(jī)啟動電流的一半。    b正常運(yùn)行時一相斷線正常運(yùn)行時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率S一般約003005，正序等值阻抗即為電動機(jī)的負(fù)荷等值阻抗，而負(fù)序等值阻抗Z仍可認(rèn)為與電動機(jī)的啟動阻抗相等。在正常運(yùn)行的情況下電動

6、機(jī)定子回路發(fā)生一相斷線的瞬間，由于慣性，這時電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率基本保持不變，因此，仍可按正常運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。根據(jù)有關(guān)資料，正常運(yùn)行時，電動機(jī)的功率因數(shù)約為09（相當(dāng)于阻抗角為25°）左右，而電動機(jī)啟動時，功率因數(shù)只有0203（相當(dāng)于阻抗角72°78°）左右，即：由此可知，在正常運(yùn)行時發(fā)生斷相，在不考慮轉(zhuǎn)差率變化的情況下，所產(chǎn)生的負(fù)序電流約為電動機(jī)額定電流的90左右，由于負(fù)序電流的存在，將產(chǎn)生負(fù)序轉(zhuǎn)矩，從而使合成轉(zhuǎn)矩減少，如果維持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，將使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大，從而使負(fù)序電流進(jìn)一步增加，一般可達(dá)額定電流的110。22負(fù)序電流對保護(hù)的影響221CT二次回路一

7、相斷線如果正常運(yùn)行時發(fā)生CT二次回路一相斷線，這時，通入繼電器僅有一相電流，使得負(fù)序電流濾序器產(chǎn)生輸出量。例如，發(fā)生A相CT二次回路斷線，這時IA0，由此可見，正常運(yùn)行時發(fā)生CT二次回路一相斷線，產(chǎn)生了相當(dāng)于電動機(jī)工作電流0577倍的負(fù)序電流，可能造成保護(hù)的誤動作。因此，在定值整定計(jì)算中必須考慮CT斷線的影響。222正常運(yùn)行時不平衡電壓產(chǎn)生的負(fù)序電流從211的分析可知，只要出現(xiàn)很小的負(fù)序電壓，將在電動機(jī)中產(chǎn)生較大的負(fù)序電流。這時，只要電源的不平衡電壓在允許范圍內(nèi)，同時所產(chǎn)生的負(fù)序電流與正序電流的迭加值不超過電動機(jī)的額定電流，即電動機(jī)的工作電流不超過額定值是允許的，不會給電動機(jī)造成不利影響。因此

8、，沒有必要由負(fù)序保護(hù)來切除。但是，如果負(fù)序保護(hù)的定值整定過低，將造成保護(hù)的誤動作。223外部不對稱短路故障產(chǎn)生的負(fù)序電流在電動機(jī)所在高壓母線上或靠母線很近的其它回路上（例如電動機(jī)和廠用分支）發(fā)生兩相短路，將在非故障的電動機(jī)回路上產(chǎn)生達(dá)啟動電流一半的負(fù)序電流，在這種情況下，如果故障設(shè)備的瞬動保護(hù)（如差動、電流速斷）正確動作，則一般不會造成負(fù)序保護(hù)的誤動。但是，如果瞬動保護(hù)拒動，特別是當(dāng)故障發(fā)生在廠分支上，這時必須依靠后備保護(hù)來切除，如果定值整定不當(dāng)，負(fù)序電流保護(hù)將誤動出口，這是不允許的。因?yàn)楫?dāng)故障支路切除后或備用電源自投后，要求非故障的電動機(jī)自啟動運(yùn)行。同樣，單純依靠提高負(fù)序電流保護(hù)的啟動值，也

9、是不允許的，因?yàn)閺?12的分析可知，在正常運(yùn)行時電動機(jī)發(fā)生斷相時所產(chǎn)生的負(fù)序電流只有額定電流的90至110左右，遠(yuǎn)小于外部兩相短路時在非故障電動機(jī)中所產(chǎn)生的負(fù)序電流，因此，如果定值整定過高，在發(fā)生斷相時，負(fù)序電流保護(hù)根本無法動作，失去了綜合保護(hù)裝置中負(fù)序電流保護(hù)單元應(yīng)有的功能。解決這一矛盾，只有通過時限來配合。 3主要保護(hù)單元的整定方法31電流速斷保護(hù)電流速斷保護(hù)仍按躲過電動機(jī)啟動電流的原則整定。但是，由于綜合保護(hù)的電流速斷是通過測量電動機(jī)的正序電流實(shí)現(xiàn)的，故定值計(jì)算及靈敏系數(shù)的校驗(yàn)方法與常規(guī)保護(hù)不同。其方法如下：a啟動值I1DZ式中I1DZ為正序電流保護(hù)整定值；KK為可靠系數(shù)，取13；Ist

10、為電動機(jī)啟動電流。    b動作時間t1對于采用斷路器控制的電動機(jī)，選擇瞬時動作，即t10；對于FC控制的電動機(jī)，由于短路故障由熔斷器切除，而非接觸器切除，應(yīng)整定帶一定的延時，一般取t103 S。    c靈敏度校驗(yàn)根據(jù)規(guī)程規(guī)定，電動機(jī)的電流速斷保護(hù)應(yīng)保證在最小運(yùn)行方式下，保護(hù)安裝處兩相短路時的靈敏系數(shù)大于2。由于本保護(hù)單元是通過測量正序電流實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)發(fā)生兩相短路時，所測得的正序電流為：已知同一地點(diǎn)兩相短路電流與三相短路電流的關(guān)系為：    因此，將式（7）代入式（6）得出兩相短路時流入繼電器的正序電流與

11、三相短路電流的關(guān)系為：式中為最小運(yùn)行方式下，保護(hù)安裝處兩相短路時的正序電流；為最小運(yùn)行方式下，保護(hù)安裝處兩相短路電流；為最小運(yùn)行方式下，保護(hù)安裝處三相短路電流。因此，為保證電動機(jī)啟動過程中，發(fā)生兩相短路時有足夠的靈敏度，靈敏度應(yīng)按下式進(jìn)行校驗(yàn)：32負(fù)序電流保護(hù)321啟動值I2ZD整定根據(jù)以上分析，負(fù)序電流保護(hù)的啟動值整定原則是：    a躲過CT二次回路斷線已知CT二次回路斷線時，相當(dāng)于在繼電器中產(chǎn)生了一個0577倍電動機(jī)負(fù)荷電流的負(fù)序電流，故啟動值應(yīng)為：    I2ZDKK×0577IN（10）b在正常運(yùn)行時電動機(jī)發(fā)生斷相

12、有足夠的靈敏度已知電動機(jī)正常運(yùn)行時發(fā)生斷相，將產(chǎn)生電動機(jī)負(fù)荷電流約90的負(fù)序電流，因此，為保證斷相時負(fù)序保護(hù)可靠動作，負(fù)序電流保護(hù)啟動值應(yīng)為：    I2ZD09INKLM（11）綜合式（10）和（11），負(fù)序電流啟動值的整定范圍為：0577KKINI2ZD09INKLM（12）式中：I2ZD為負(fù)序電流保護(hù)整定值；IN為電動機(jī)額定電流；KK為可靠系數(shù)，取115；KLM為靈敏系數(shù)，取11。    通常負(fù)序電流保護(hù)整定為08 IN即可。    c動作時間2負(fù)序電流保護(hù)的反時限特性如下：式中：I2eq為流入繼電

13、器的負(fù)序電流與負(fù)序電流啟動值之比，即：I2eqI2I2ZD；2為流入繼電器的負(fù)序電流I2為整定值I2ZD時的動作時間。由于負(fù)序電流保護(hù)的動作時間t必須躲過外部兩相短路時后備保護(hù)的動作時間，設(shè)所在母線后備保護(hù)的動作時間為t，由式（2）和式（13），2可整定為：2Ist（tt）（2I2ZD）（14）式中t為時間級差，取05 S。應(yīng)注意的是，有一些型號的綜合保護(hù)裝置的負(fù)序電流保護(hù)單元的反時限特性已由廠家固定，不能隨意整定。對于此類保護(hù)裝置應(yīng)根據(jù)廠家提供的反時限特性曲線進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)不能滿足選擇性要求時，按以下原則進(jìn)行處理：對于不要求自啟動的電動機(jī)（如磨煤電動機(jī)），由于在后備保護(hù)動作出口前已由母線低電壓保護(hù)動作（動作時間為05 S）跳閘，因此可按t05 S重新進(jìn)行校