高壓電動機綜合保護整定計算方法的探討

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

2、熱保護跳閘后，不會立即啟動，需等到電動機散熱到允許啟動時，才能再次啟動；e電動機保護的定值，采用啟動過程中的定值與正常運行時的定值獨立設(shè)置的方式，既可以保證啟動時不誤動，又能保證正常運行時的保護靈敏度。 2綜合保護整定計算中必須考慮的特殊問題由于綜合保護采用了負序電流來實現(xiàn)斷相等保護功能，同時，速斷保護是由正序電流實現(xiàn)的。因此，在保護的整定計算中必須考慮以下因素：外部不對稱故障產(chǎn)生的負序電流對保護的影響；母線電壓不平衡產(chǎn)生的負序電流對保護的影響；CT斷線的影響；不對稱短路故障對速斷保護靈敏度的影響。21電動機負序電流產(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)生負序電流。    a正常運行時不平衡電壓產(chǎn)生的負序電流設(shè)正常運行時不平衡電壓所產(chǎn)生的負序電壓為U2，此時電動機回路的負序電流為：式中：Ist為電動機額定電壓下的啟動電流；Z為負序阻抗；ZSC為啟動阻抗；UN為電動機的額定電壓。由式（1）可知，由于電動機的啟動電流Ist可達額定電流的58倍，因此，只要有很小的負序電壓存在，也會產(chǎn)生較大的負序電流。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的負序電壓，將會在電動機中產(chǎn)生達2540額定電流的負序電流。    b外部不對稱短路產(chǎn)生的負序電流如果在電動機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回路上產(chǎn)生很大的負序電流。設(shè)在電動機所在高壓母線上發(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，可認為E1UN，且由于ZZSC，因此非故障電動機回路產(chǎn)生的負序電流為：    由此可見，在電動機所在高壓母線上或附近發(fā)生兩相短路時，非故障的電動機回路將產(chǎn)生達電動機啟動電流一半的負序電流，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。以實際運行中故障率較高的定子線圈一相斷線為例進行分析。根據(jù)故障分析法，當(dāng)電動機定子線圈發(fā)生一相斷線時，復(fù)合序阻抗圖如圖1所示。   由圖1可得電動機定子線圈一相斷線時的負序電流為：    即負序電流為電動機啟動電流的一半。    b正常運行時一相斷線正常運行時，電動機的轉(zhuǎn)差率S一般約003005，正序等值阻抗即為電動機的負荷等值阻抗，而負序等值阻抗Z仍可認為與電動機的啟動阻抗相等。在正常運行的情況下電動

6、機定子回路發(fā)生一相斷線的瞬間，由于慣性，這時電動機的轉(zhuǎn)差率基本保持不變，因此，仍可按正常運行的有關(guān)參數(shù)進行分析。根據(jù)有關(guān)資料，正常運行時，電動機的功率因數(shù)約為09（相當(dāng)于阻抗角為25°）左右，而電動機啟動時，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)生的負序電流約為電動機額定電流的90左右，由于負序電流的存在，將產(chǎn)生負序轉(zhuǎn)矩，從而使合成轉(zhuǎn)矩減少，如果維持負載轉(zhuǎn)矩不變，將使電動機的轉(zhuǎn)差率增大，從而使負序電流進一步增加，一般可達額定電流的110。22負序電流對保護的影響221CT二次回路一

7、相斷線如果正常運行時發(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)于電動機工作電流0577倍的負序電流，可能造成保護的誤動作。因此，在定值整定計算中必須考慮CT斷線的影響。222正常運行時不平衡電壓產(chǎn)生的負序電流從211的分析可知，只要出現(xiàn)很小的負序電壓，將在電動機中產(chǎn)生較大的負序電流。這時，只要電源的不平衡電壓在允許范圍內(nèi)，同時所產(chǎn)生的負序電流與正序電流的迭加值不超過電動機的額定電流，即電動機的工作電流不超過額定值是允許的，不會給電動機造成不利影響。因此

8、，沒有必要由負序保護來切除。但是，如果負序保護的定值整定過低，將造成保護的誤動作。223外部不對稱短路故障產(chǎn)生的負序電流在電動機所在高壓母線上或靠母線很近的其它回路上（例如電動機和廠用分支）發(fā)生兩相短路，將在非故障的電動機回路上產(chǎn)生達啟動電流一半的負序電流，在這種情況下，如果故障設(shè)備的瞬動保護（如差動、電流速斷）正確動作，則一般不會造成負序保護的誤動。但是，如果瞬動保護拒動，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來切除，如果定值整定不當(dāng)，負序電流保護將誤動出口，這是不允許的。因為當(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自啟動運行。同樣，單純依靠提高負序電流保護的啟動值，也

9、是不允許的，因為從212的分析可知，在正常運行時電動機發(fā)生斷相時所產(chǎn)生的負序電流只有額定電流的90至110左右，遠小于外部兩相短路時在非故障電動機中所產(chǎn)生的負序電流，因此，如果定值整定過高，在發(fā)生斷相時，負序電流保護根本無法動作，失去了綜合保護裝置中負序電流保護單元應(yīng)有的功能。解決這一矛盾，只有通過時限來配合。 3主要保護單元的整定方法31電流速斷保護電流速斷保護仍按躲過電動機啟動電流的原則整定。但是，由于綜合保護的電流速斷是通過測量電動機的正序電流實現(xiàn)的，故定值計算及靈敏系數(shù)的校驗方法與常規(guī)保護不同。其方法如下：a啟動值I1DZ式中I1DZ為正序電流保護整定值；KK為可靠系數(shù)，取13；Ist

10、為電動機啟動電流。    b動作時間t1對于采用斷路器控制的電動機，選擇瞬時動作，即t10；對于FC控制的電動機，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靈敏度校驗根據(jù)規(guī)程規(guī)定，電動機的電流速斷保護應(yīng)保證在最小運行方式下，保護安裝處兩相短路時的靈敏系數(shù)大于2。由于本保護單元是通過測量正序電流實現(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：式中為最小運行方式下，保護安裝處兩相短路時的正序電流；為最小運行方式下，保護安裝處兩相短路電流；為最小運行方式下，保護安裝處三相短路電流。因此，為保證電動機啟動過程中，發(fā)生兩相短路時有足夠的靈敏度，靈敏度應(yīng)按下式進行校驗：32負序電流保護321啟動值I2ZD整定根據(jù)以上分析，負序電流保護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倍電動機負荷電流的負序電流，故啟動值應(yīng)為：    I2ZDKK×0577IN（10）b在正常運行時電動機發(fā)生斷相

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

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