煙氣能量回收機組中的同步電動機斷電失步保護裝置的改進

馬 強 劉 楊

（中國石化股份有限公司天津分公司，天津 300271）

1 引言

同步電動機是廣泛采用的重要電氣設(shè)備之一，它的運行安全性和連續(xù)性對生產(chǎn)往往具有重大影響，但同步電動機運行過程中不可避免地會由于種種擾動而引起失步，而在工礦企業(yè)中由于斷電而造成電動機失步的故障非常普遍，失步事故輕則造成生產(chǎn)的中斷或工藝流程的混亂，重則還會造成設(shè)備損壞和其他嚴(yán)重事故。同步電動機的斷電失步保護就是為了在遇到各種失步事故時，既保障電動機設(shè)備的安全，又保持連續(xù)運行而采取的綜合性技術(shù)措施。

2 同步電動機斷電失步保護在煙氣能量回收機組中應(yīng)用中存在的問題

煙氣能量回收機組是催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它是由煙機、軸流壓縮機（風(fēng)機）、汽輪機和同步電動機及其輔助系統(tǒng)組成，高壓同步電動機（6kV 3200kW）是機組中重要的電氣設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)工藝的調(diào)整可以在電動和發(fā)電的工況下運行，它的運行安全性和連續(xù)性對煙氣能量回收機組正常運行具有重大影響。

圖1 煙氣能量回收機組

同步電動機的保護設(shè)置有許多，如電流速斷保護、差動保護、接地保護、斷電失步保護等，由于斷電而造成電動機失步的故障非常普遍，因此斷電失步保護及帶載再整步技術(shù)是非常必要的，但該技術(shù)在我廠煙氣能量回收機組的實際應(yīng)用中存在保護死區(qū)。

圖2 同步電動機斷電失步保護設(shè)計原理圖

當(dāng)兩段母線中任意一段供電電源中斷時（一般大于0.2s），失壓段母線電壓頻率的下降與電動機的轉(zhuǎn)速下降成正比，且比電壓的幅值下降要顯著得多，低周繼電器（DZJ）啟動，該母線的電壓在電源中斷期間，將由接在該母線上的同步電動機來維持，隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降，兩段母線同相電壓向量之間（2YMC C630和1YMC C640）的相角逐漸增大。當(dāng)這一相角差大于某個角度時，達到相位差繼電器（CYJ）的動作整定電壓值時（實際整定為70V），相位差繼電器啟動，利用低周繼電器和相位差繼電器組成與門，就能相當(dāng)準(zhǔn)確而迅速地判斷出電動機失步，啟動斷電保護出口繼電器DCJ，由DCJ繼電器的一個輔助觸點去跳該段母線的進線開關(guān)，DCJ的另一個輔助觸點同時去滅磁，當(dāng)失壓段母線殘壓下降到40%額定電壓時，低電壓繼電器BYJ線圈失電，則中間繼電器YZJ的常閉輔助觸點接通母聯(lián)開關(guān)的APD回路，母聯(lián)開關(guān)合閘，同步電動機再加速，拉入亞同步，勵磁系統(tǒng)通過滑差和計時投勵環(huán)節(jié)，將電動機拉入同步正常運行，即同步電動機的帶載自動再整步。

我廠斷電失步保護技術(shù)在實際應(yīng)用中暴露以下弊端：當(dāng)同步電動機在正常運行時，其所在的6kV II段母線發(fā)生波動（大于0.2s），斷電失步保護不啟動，造成該段進線開關(guān)不跳閘，更為嚴(yán)重的是，有時由于同步電動機的電壓反饋作用，該站上級110kV變電站母線電壓降落很小，影響APD裝置的正確動作。

3 同步電動機斷電失步保護煙氣能量回收機組中的問題分析

經(jīng)過仔細研究，我們認為，當(dāng)其所在的6kV II段母線發(fā)生波動（大于0.2s）時，由于母線電壓頻率的下降與電動機的轉(zhuǎn)速下降成正比，煙機和汽輪機做為原動力，拖著同步電動機運行在發(fā)電狀態(tài)，同步電動機的轉(zhuǎn)速未發(fā)生大的改變，因此兩段母線同相電壓向量之間的相角變化較小，故低周繼電器(DZJ )和相位差繼電器（CYJ）未啟動，因此斷電保護出口繼電器DCJ也就不能啟動，因此該母線的進線開關(guān)不跳閘，不僅影響APD裝置的正確動作，長時間同步電動機會發(fā)生失步失勵運行，不利于設(shè)備運行的安全性和連續(xù)性。

4 同步電動機失步的危害及改善斷電失步保護的合理途徑

同步電動機在正常運行過程中，不可避免地會受到各種各樣的擾動，當(dāng)這些“擾動”的幅度或最大值大到一定程度，超出電動機的穩(wěn)定極限，就會引起電動機失步，造成生產(chǎn)中斷和設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。同步電動機受到各種擾動而失步的過程，既是一個機電暫態(tài)過程，又同時伴隨著電磁暫態(tài)過程。在接有旋轉(zhuǎn)電動機的高壓配電站母線上，當(dāng)發(fā)生瞬間斷電時，由于旋轉(zhuǎn)電動機的慣性旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)子磁場的存在，在斷電段母線上將由此而呈現(xiàn)感應(yīng)電勢。當(dāng)母線上接有同步電動機時，該感應(yīng)電勢在斷電后的一段時間內(nèi)，其值會高出供電電壓，如此時由備用電源自投（APD）使供電恢復(fù)時，電動機會受到不同程度的非同期沖擊，使電動機受到不同程度的損傷，電動機所受非同期沖擊轉(zhuǎn)矩的最大值，一般可高達電動機出口三相短路沖擊轉(zhuǎn)矩的三倍以上，即高達電動機額定轉(zhuǎn)矩的二十多倍甚至三十倍左右，這是電動機所不能承受的，它將引起電動機定子和轉(zhuǎn)子繞組崩裂，絕緣損壞，大軸、軸銷和聯(lián)軸器扭壞，并可能進一步引起電動機內(nèi)部短路、起火等一系列嚴(yán)重事故。在工礦企業(yè)中由于斷電而造成電動機失步的故障非常普遍，電源短暫中斷期間，同步電動機的電壓反饋作用影響APD裝置的正確動作，不僅影響機組的連續(xù)運行，甚至影響電力系統(tǒng)繼電保護的正確性。

同步電動機的失步事故，絕大多數(shù)都是由“非電動機本身故障”所引起，且造成失步危害的根本原因是定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互沖突，因此同步電動機的失步保護一般地說都沒有必要跳閘停機，與勵磁裝置相配合，采用“快速滅磁”的方法，首先熄滅轉(zhuǎn)子磁場，避免定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互沖突，消除失步危害，暫時把同步電動機轉(zhuǎn)入無勵異步行程，待“造成失步的擾動”已過去，帶載再整步條件已滿足時，重新投勵，實現(xiàn)自動再整步，這種帶載再整步的方式，既保障設(shè)備安全性，又保持運行連續(xù)性，也就是說，進一步把同步電動機的帶載自動再整步，作為處理同步電動機各種失步事故的，普遍適用的保護和自動化措施或途徑。

同步電動機的帶載再整步機電暫態(tài)過程一般可以劃分為三個發(fā)展階段，即：失步制動階段、異步驅(qū)動階段和再整步階段。

5 同步電動機斷電失步保護在煙氣能量回收機組中應(yīng)用的改進

針對斷電失步保護存在的問題和斷電保護的改善途徑，首先我們制定了一個整定原則，即當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動在0.4s以內(nèi)時，斷電失步保護不啟動，對設(shè)備的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性幾乎無影響。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動在0.4～3s內(nèi)時，啟動斷電失步保護，通過滅磁環(huán)節(jié)，降低同步電動機所在的6kV II段母線電壓，待上級110kV變電站APD動作，使同步電動機重新得電繼續(xù)運行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動在3s以上時，上級110kV變電站APD發(fā)生故障未動作，則斷電失步保護動作使同步電動機所在的6kV II段進線開關(guān)跳閘，本站的APD動作，使同步電動機重新得電繼續(xù)運行。我們將斷電失步保護進行了如下改進：新增一個帶返回的低電壓繼電器kV，三相電源來自勵磁柜380V電源側(cè)，低電壓整定為70%額定電壓，其輸出觸點延時0.4s動作。當(dāng)同步電動機所在的6kV II段母線發(fā)生波動在0.4s以內(nèi)時，低電壓繼電器kV的輸出常開觸點不動作，斷電保護出口繼電器DCJ線圈不得電，斷電保護不啟動。當(dāng)電網(wǎng)波動超過0.4s時，低電壓繼電器kV的延時常開觸點閉合，斷電保護出口繼電器DCJ線圈得電，斷電保護啟動，DCJ的一個常開觸點閉合啟動滅磁回路，滅磁后母線電壓會在約1s內(nèi)下降到40%額定電壓，由于該站上級110kV變電站的APD時間為2s，因此同步電動機所在的6kV II段母線重新得電，電動機受電后繼續(xù)運行，勵磁裝置在滅磁后計時8s再投勵使同步電動機拉入同步。如果低電壓時間超過3s以上，時間繼電器SJ常開觸點閉合，此時斷電失步保護動作跳本段進線開關(guān)，同時本站的APD回路啟動，使母聯(lián)開關(guān)合閘（此時母線電壓因為滅磁動作下降很快，降到額定電壓的40%以內(nèi)），將另一段的電源送來，起動電動機再投勵，使同步電動機拉入同步，既保證了同步電動機的連續(xù)性運行，同時不影響電力系統(tǒng)的APD正確動作。

二次回路改造完成后，我們做了以下傳動試驗：

（1）對同步電動機所在的6kV II段母線的上級饋線開關(guān)進行如下操作：由合閘狀態(tài)切至分閘狀態(tài)，再立即由分閘狀態(tài)切至合閘狀態(tài)，以上的操作在2s內(nèi)完成，模擬電網(wǎng)波動時間在0.4～3s期間。試驗結(jié)果表明，低電壓繼電器kV動作，滅磁啟動，延時約8s，勵磁系統(tǒng)投勵成功，同步電動機運行正常，同步電動機所在的6kV II段母線的進線、母聯(lián)開關(guān)未動作。

（2）對同步電動機所在的6kV II段母線的上級饋線開關(guān)進行如下操作：由合閘狀態(tài)切至分閘狀態(tài)，模擬電網(wǎng)波動時間大于3s。試驗結(jié)果是，低電壓繼電器kV動作，滅磁啟動，延時約8s，勵磁系統(tǒng)投勵成功，同步電動機所在的6kV II段母線的進線開關(guān)跳閘，母聯(lián)開關(guān)合閘成功，同步電動機運行正常。

6 結(jié)論

經(jīng)過試驗證明，改進后的斷電保護在各種低電壓的情況下動作正確，與勵磁裝置相配合，對同步電動機進行滅磁再整步，提高了生產(chǎn)的安全性、連續(xù)性和供電的可靠性。

綜上所述，同步電動機斷電失步保護設(shè)計應(yīng)根據(jù)各單位同步電動機具體工藝、主接線等情況確定，在設(shè)計斷電失步保護時，要考慮APD裝置和自動重合閘裝置的電源的配合，采取對生產(chǎn)、對電力系統(tǒng)安全運行有利的保護方式。