高壓電動(dòng)機(jī)的微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)際應(yīng)用與整定

李勇

【摘要】電動(dòng)機(jī)作為石化行業(yè)重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其保護(hù)配置尤為重要，通過電動(dòng)機(jī)故障分析，結(jié)合我廠實(shí)際對(duì)保護(hù)分析和配置說明。

【關(guān)鍵詞】高壓電動(dòng)機(jī);繼電保護(hù);過流保護(hù);熱過負(fù)荷保護(hù)

The Practical Application and Setting of the Microcomputer Relay Protection of High-voltage Motor

CNOOC Dongfang Petrochemical LTD ?Li Yong

Abstrac：Motor as an important power equipment of petrochemical industry，the protection configuration is particularly important，through the motor fault analysis，combined with the actual of my company analysis the description and protection configuration.

Key words：high-voltage motor;relay protection;over current protection;thermal overload protection

引言

電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備在石化行業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，它的故障不僅影響企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)，還可引起重大安全事故。由于電動(dòng)機(jī)常工作于高溫、高濕、多灰塵等惡劣環(huán)境，容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、短路、斷相、長(zhǎng)期過載使絕緣受損等故障。因此，為確保電動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行以維持石化行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)，電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)的配置尤為重要。

西門子公司Siprotec4系列保護(hù)裝置采用統(tǒng)一的軟硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模擬量、開關(guān)量等信號(hào)進(jìn)行采集、處理、傳輸實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)、控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、信號(hào)傳輸?shù)裙δ?，較常規(guī)保護(hù)具有快速、準(zhǔn)確、可靠、故障率低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。本文結(jié)合我廠所使用的西門子7SJ62系列保護(hù)裝置對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置、原理和整定方法簡(jiǎn)要說明。

1.電動(dòng)機(jī)故障分析

電動(dòng)機(jī)的保護(hù)結(jié)合電動(dòng)機(jī)故障特征而設(shè)置，而電動(dòng)機(jī)故障通過電氣量來反應(yīng)。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，其故障類型主要為機(jī)械故障和電氣故障，其表現(xiàn)形式則為繞組損壞和軸承損壞。

根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行情況分析，可知造成電機(jī)繞組損壞情況有：

1）起動(dòng)時(shí)，電源電壓太低而不能順利啟動(dòng)或者短時(shí)間內(nèi)重復(fù)起動(dòng)，電氣量反應(yīng)為電壓值以及起動(dòng)電流與時(shí)間;

2）運(yùn)行時(shí)，繞組絕緣老化和損壞形成相間短路或?qū)Φ囟搪罚磻?yīng)電氣量為電流分量;機(jī)械故障造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，反應(yīng)為電機(jī)運(yùn)行電流;供電系統(tǒng)不平衡，反應(yīng)為電流分量值。

造成電機(jī)軸承損壞的主要原因是長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)載運(yùn)行、潤(rùn)滑造成磨損以及惡劣的工作環(huán)境。

根據(jù)繞組損壞原因可知其故障分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障主要有三相短路、堵轉(zhuǎn)和對(duì)稱過載等;不對(duì)稱故障主要有斷相、三相不平衡和單相接地或相間短路。

2.西門子電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要通過采集電機(jī)模擬量以及開關(guān)狀態(tài)來檢測(cè)電機(jī)的啟動(dòng)與運(yùn)行狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)繞組和軸承保護(hù)。

西門子7SJ62系列綜合保護(hù)裝置根據(jù)不同故障類型提供相應(yīng)的保護(hù)功能。如表1所示：

表1

故障類型 保護(hù)功能 ANSI

定子熱過負(fù)荷（運(yùn)行期間） 熱過負(fù)荷保護(hù)（有或無記憶特性） 49

轉(zhuǎn)子熱過負(fù)荷（起動(dòng)過程）

1起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)或堵轉(zhuǎn) 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間監(jiān)視 ? 48

2過于頻繁 禁止再起動(dòng) ? 66，49R

斷相：電壓不平衡 負(fù)序保護(hù) ? 46

軸承過負(fù)荷 溫度傳感器 ? 38

接地故障 接地故障保護(hù) ? 50G，64G，67G

短路（2相或3相） 短路保護(hù)（I>） ? 51，87

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足M≈U2，或起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng) 低電壓保護(hù) 27

此外，西門子提供的DIGSI與SIGRA軟件是電動(dòng)機(jī)保護(hù)管理和故障分析的重要工具。

圖1

3.電動(dòng)機(jī)繼電保護(hù)配置

正常時(shí)，三相電壓、電流平衡，其矢量和為零。當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流可分解為正序、負(fù)序和零序三分量。在檢測(cè)電壓電流值同時(shí)結(jié)合負(fù)序零序值可更好的檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和判斷故障，快速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)。主要原則是以過流信息反映短路、堵轉(zhuǎn)以及過負(fù)荷故障，以負(fù)序和零序電流反映各類不對(duì)稱短路和接地短路等故障，結(jié)合電壓信息實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)保護(hù)等。保護(hù)配置以及原理、整定如下：

3.1 相過電流保護(hù)

相過電流保護(hù)主要分為定時(shí)限和反時(shí)限。定時(shí)限電流保護(hù)采用I段電流保護(hù)作為電流速斷保護(hù)，為電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)，用于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子繞組以及進(jìn)線所發(fā)生的相間短路故障;II段電流保護(hù)用于電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)及起動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)。反時(shí)限電流保護(hù)用于電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部短路的后備保護(hù)。

整定原則為：

電動(dòng)機(jī)投運(yùn)后50ms之內(nèi)出現(xiàn)的極端啟動(dòng)電流，通常是啟動(dòng)電流的1.2陪左右，I段電流保護(hù)按躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的沖擊電流整流，可靠系數(shù)取1.5。

II段限時(shí)速斷，整定值按躲過電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流整定，可靠系數(shù)取1.2～1.5。延時(shí)設(shè)置0.06-0.10s。

反時(shí)限過電流標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上主要有IEC和IEEE兩種標(biāo)準(zhǔn)，多采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)反時(shí)限方程：

其中t為動(dòng)作時(shí)間（秒），Tp為時(shí)間系數(shù)，I為運(yùn)行電流實(shí)測(cè)值，Ip為起動(dòng)整定值。

對(duì)于α、β的不同取值，決定了不同的反時(shí)限曲線特性。常用的四種IEC標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限特性曲線中α、β取值如表2所示：

表2

IEC標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限特性曲線常數(shù)

α β

Normal Inverse 0.02 0.14

Very Inverse 1.0 13.5

Extremely Inverse 2.0 80

Long Inverse 1.0 120

電動(dòng)機(jī)反時(shí)限保護(hù)通常采用“標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限”或“長(zhǎng)反時(shí)限”特性。長(zhǎng)反時(shí)限曲線時(shí)其方程可簡(jiǎn)化為：

Ip電流起動(dòng)值按照1.2倍的額定電流，延遲時(shí)間以躲過最長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間整定。

3.2 熱過負(fù)荷保護(hù)

熱模型的過負(fù)荷保護(hù)，作為電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行的異常保護(hù)，防止電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行造成定子部分過熱而損壞，常設(shè)置報(bào)警和跳閘兩種形式。

西門子7SJ62系列熱過負(fù)荷保護(hù)基于單體設(shè)備發(fā)熱模型設(shè)定。其基本原理是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行電流對(duì)比40℃環(huán)境溫度下最大允許持續(xù)工作電流，以及實(shí)際運(yùn)行溫度與最大允許溫度之比，組合成微分方程。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在考慮設(shè)備散熱的影響同時(shí)也考慮事故前的負(fù)荷電流。

其電流啟動(dòng)門檻以電動(dòng)機(jī)允許最大的負(fù)荷電流整定，一般取1.1倍的額定電流。

3.3 堵轉(zhuǎn)保護(hù)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，將使得轉(zhuǎn)速變慢，定子電流增大。西門子7JS62系列保護(hù)裝置的堵轉(zhuǎn)保護(hù)基于正序電流分量的計(jì)算，連續(xù)監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。當(dāng)正序電流突然超過設(shè)定值時(shí)，則延時(shí)報(bào)警或跳閘。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間，堵轉(zhuǎn)保護(hù)是處于閉鎖狀態(tài)。

整定原則：報(bào)警值按1.5倍電動(dòng)機(jī)額定電流整定，延時(shí)2.0s報(bào)警;跳閘值按2.0倍額定電流整定，延時(shí)1.0s跳閘。

3.4 負(fù)序電流保護(hù)

負(fù)序電流保護(hù)用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)的逆相序或缺相，反應(yīng)電動(dòng)機(jī)各類非接地性不對(duì)稱故障，如斷相、三相不平衡和相間短路等?？煞謨啥伪Ｗo(hù)應(yīng)用：

1）作為短路故障的后備保護(hù)，動(dòng)作門檻取值為40%～60%的額定電流，延時(shí)躲過10kV故障時(shí)提供的短路電流的時(shí)間。

2）作為電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行時(shí)的保護(hù)，負(fù)序電流啟動(dòng)門檻一般取值為15%的額定電流，延時(shí)躲過電網(wǎng)非對(duì)稱短路時(shí)的最長(zhǎng)延時(shí)。

此外由于1%的電壓不平衡會(huì)引起6%的電流不平衡。即使在正常運(yùn)行時(shí)，由于實(shí)際供電電源總存在一定的不對(duì)稱，整定時(shí)應(yīng)考慮躲過此不平衡因素。

3.5 零序電流保護(hù)

針對(duì)接地性短路故障而設(shè)置。我廠10kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)非線性電阻接地系統(tǒng)方式。接地保護(hù)由微機(jī)保護(hù)裝置7SJ62的IE接入零序CT電流，以單相過電流保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程，只要大于5A的接地電流情況，高壓電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)設(shè)備均應(yīng)動(dòng)作于跳閘。

整定時(shí)既應(yīng)系統(tǒng)接地方式同時(shí)，也需考慮石化企業(yè)“一開一備”運(yùn)行特點(diǎn)。

3.6 啟動(dòng)監(jiān)視保護(hù)

為防止電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)或發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，大電流使得電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度升高造成損壞，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將對(duì)軸承造成損壞。

整定原則為：按2.5倍額定電流整定監(jiān)視門檻值，最長(zhǎng)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間按如下公式整定：

式中，I為實(shí)際電流值，Ist，Tst為啟動(dòng)門檻值。

3.7 低電壓保護(hù)

作為避免電網(wǎng)異常低電壓時(shí)造成電動(dòng)機(jī)損傷，同時(shí)還作為電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)，切除不重要負(fù)荷的手段。整定原則為：

普通電動(dòng)機(jī)：取額定電壓的65%，時(shí)間0.5s。

重要電動(dòng)機(jī)：額定電壓的40～50%，時(shí)間5.0s。

極重要電動(dòng)機(jī)：額定電壓的30～40%，時(shí)間9.0s。

整定值如表3所示：

表3

保護(hù)功能 整定值 時(shí)間值（s）

瞬時(shí)過電流I>>> 1.5*1.2*7*In 0

短時(shí)過電流I>> （1.2～1.5）*7*In 0.06～0.1

反時(shí)限Ip 1.2In -

熱過負(fù)荷保護(hù)θ> 1.1In -

堵轉(zhuǎn)保護(hù)I1> 報(bào)警 1.5In 2.0

跳閘 2.0In 1.0

負(fù)序電流保護(hù)I2> 短路故障 40%～60%In 1.0

缺相異常 15%In 4.0

零序電流I0> 報(bào)警 5.0A（一次值） 0.3

跳閘 50.0A（一次值） 0

啟動(dòng)監(jiān)視 2.5In -

低電壓保護(hù)U< 普通電動(dòng)機(jī) 65%Un 0.5

重要電動(dòng)機(jī) 40～50%Un 5.0

極重要電動(dòng)機(jī) 30～40%Un 9.0

4.實(shí)際應(yīng)用

結(jié)合上述電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理、配置以及整定原則，對(duì)我廠某一高壓電機(jī)進(jìn)行相關(guān)配置。

某原油泵為Y型聯(lián)接的高壓電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YBXn4007-2WTHF1，主要參數(shù)為：

額定電壓10kV;額定功率355kW;額定電流24.3A;堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)7.0;起動(dòng)時(shí)間7s;CT變比75/1。

過流保護(hù)：

采用多段過流保護(hù)，在滿足保護(hù)速動(dòng)要求下，區(qū)別各種故障類型。保護(hù)配置原理如圖2所示：

圖2 保護(hù)配置原理圖

（1）速斷電流保護(hù)I>>>段

定值按躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的沖擊電流整定。

靈敏度校驗(yàn)：以電動(dòng)機(jī)端兩相短路電流效驗(yàn)：

動(dòng)作時(shí)限

（2）定時(shí)限過流保護(hù)I>>段

定值按躲過電機(jī)啟動(dòng)電流整定。

動(dòng)作時(shí)限

（3）反時(shí)限過流保護(hù)IP段

定值按躲過最長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間的要求整定。

取T=0.37s

其他電機(jī)保護(hù)按照上述方法進(jìn)行計(jì)算配置。

5.結(jié)論

高壓電機(jī)作為石化廠重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其保護(hù)配置和定值整定是否合理直接關(guān)系到設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行以及工廠生產(chǎn)連續(xù)性以及工廠效益。根據(jù)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)故障類型進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)配置，微機(jī)保護(hù)裝置較傳統(tǒng)保護(hù)提供了較為完善的保護(hù)方案。實(shí)際表明，微機(jī)保護(hù)裝置在保護(hù)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，可提供更為方便和廣泛的應(yīng)用。而合理配置保護(hù)方案已經(jīng)準(zhǔn)確計(jì)算保護(hù)定值，對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)乃至全廠生產(chǎn)均有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]彭年仔，李國(guó)利，陳希煒.西門子高壓異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理與應(yīng)用[J].技術(shù)與應(yīng)用，2011.

[2]李璇華，黃益莊，唐曉泉，張楠.電動(dòng)機(jī)故障分析和綜合保護(hù)配置[J].繼電器，2001.

[3]吳輝斌.高壓電動(dòng)機(jī)的微機(jī)繼電保護(hù)[J].電氣應(yīng)用，2005.