海洋石油平臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

在海洋石油平臺(tái)的正常生產(chǎn)和生活中，低壓電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域。例如，工藝生產(chǎn)流程中的原油輸送泵、污水循環(huán)泵、注水泵、天然氣壓縮機(jī)、化學(xué)藥劑注入泵等，公用系統(tǒng)中的海水泵、淡水泵、熱介質(zhì)循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)等，大部分泵設(shè)備都是由低壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。由于常年受日曬雨淋、鹽霧侵蝕等惡劣自然環(huán)境的影響，低壓電動(dòng)機(jī)在日常運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些故障，有些是機(jī)械故障，有些是電氣故障。常見(jiàn)的電氣故障有：電動(dòng)機(jī)內(nèi)部及引出線上相間短路故障，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部及引出線上的單相接地故障，定子繞組斷相運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)過(guò)載等。低壓電動(dòng)機(jī)本身不具有自我保護(hù)功能，或者自我保護(hù)能力較弱，造成動(dòng)力設(shè)備的嚴(yán)重破壞，平臺(tái)停產(chǎn)甚至威脅操作人員的人身安全。電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的作用是把故障電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中切除，使電動(dòng)機(jī)的故障停止發(fā)展，將電動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力設(shè)備的損壞減小到最低的程度，同時(shí)也減小電動(dòng)機(jī)故障對(duì)電網(wǎng)的危害。因此，正確選擇保護(hù)配置方案，運(yùn)用合適的保護(hù)原理和科學(xué)合理的整定計(jì)算方法，對(duì)海洋平臺(tái)的正常生產(chǎn)和生活起著極為重要的作用。

1 海洋石油平臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障及危害

1)相間短路。相間短路是低壓電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組或外部引出電纜上出現(xiàn)的相與相之間的短路故障。相間短路電流可以燒毀電動(dòng)機(jī)、縮短電動(dòng)機(jī)保護(hù)電器和控制電器的壽命；對(duì)于大容量的低壓電動(dòng)機(jī)，短路故障還會(huì)引起電網(wǎng)系統(tǒng)電壓降低，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

2)斷相。電動(dòng)機(jī)的損壞大多數(shù)是斷相運(yùn)行造成的。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明斷相瞬間在斷相繞組兩端產(chǎn)生高于額定電壓數(shù)倍的反電勢(shì)給電機(jī)造成的危害遠(yuǎn)大于過(guò)熱給電機(jī)造成的危害，況且斷相故障又不能自動(dòng)排除，因此，電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù)，且該保護(hù)應(yīng)能瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘。

3)單相接地。單相接地故障保護(hù)用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部及引出線上的單相接地故障。海洋石油平臺(tái)低壓配電系統(tǒng)接地型式通常采用中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相線電壓基本保持不變，故障電流很小，對(duì)電動(dòng)機(jī)及電網(wǎng)的危害不大，因此也可以不切斷供電電源，只保護(hù)作用于報(bào)警。

4)低電壓。當(dāng)線路電壓低于電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要降低，如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變，由于三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的二次平方成正比，則會(huì)因電磁轉(zhuǎn)矩的降低而帶不動(dòng)負(fù)載，造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)停車(chē)，電動(dòng)機(jī)電流增大使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)燒壞電動(dòng)機(jī)。因此，在電源電壓降低到一定值時(shí)，由于交流接觸器線圈磁通減弱，電磁吸力克服不了反作用彈簧的壓力，動(dòng)鐵心因而釋放，從而使主觸頭斷開(kāi)，自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)主回路，達(dá)到低電壓保護(hù)的作用。

5)過(guò)載。過(guò)載是在電動(dòng)機(jī)繞組出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)能切斷電動(dòng)機(jī)電源，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的一種保護(hù)方式。電動(dòng)機(jī)不正確的啟動(dòng)、運(yùn)行中負(fù)載轉(zhuǎn)矩劇烈增加、長(zhǎng)期負(fù)載過(guò)大或啟動(dòng)操作頻繁等原因都會(huì)引起過(guò)電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組溫度過(guò)高、絕緣損壞，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)繞組。

2 海洋石油平臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的選擇

2.1 低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的使用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置大體上分為兩類。

一類是斷路器、接觸器、熱過(guò)載繼電器組合的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)方式。這類保護(hù)裝置功能比較簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，價(jià)格有較大優(yōu)勢(shì)[1]。

另一類是采用低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器取代熱過(guò)載繼電器，形成斷路器、接觸器、低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器組合的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方式。低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器是電子式多功能電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置，集保護(hù)功能和測(cè)控功能于一體，體積也較小，功能比較強(qiáng)大，價(jià)格比較高。

2.2 海洋石油平臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的現(xiàn)狀

目前，海洋石油平臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)多采用傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)方式，保護(hù)線路由斷路器QF、交流接觸器KM和熱繼電器KH組成，見(jiàn)圖1a)。交流接觸器用來(lái)啟動(dòng)、停止電動(dòng)機(jī)；斷路器用來(lái)作電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)；熱繼電器用來(lái)作電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)和斷相保護(hù)。對(duì)于額定功率較大的電動(dòng)機(jī)，一般通過(guò)電流互感器，用較小的二次電流來(lái)控制較大的一次電流，即采用非直接式的小電流熱繼電器，見(jiàn)圖1b)。

圖1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)方式

2.2.1 低壓電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)裝置

海洋石油平臺(tái)對(duì)一般低壓電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)器件是只帶瞬動(dòng)電磁式脫扣器的塑殼斷路器(MCCB)，在電動(dòng)機(jī)回路發(fā)生短路故障時(shí)，斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器動(dòng)作，切斷故障回路。斷路器的額定值應(yīng)接近但不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流。

《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50055-2011第2.3.5條規(guī)定：當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行、正常啟動(dòng)或自啟動(dòng)時(shí)，短路保護(hù)器件不應(yīng)誤動(dòng)作。短路保護(hù)器件的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定。

瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器或過(guò)電流繼電器瞬動(dòng)元件的整定電流，應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量最大有效值的2.0～2.5倍[2]。

根據(jù)上述的規(guī)范規(guī)定，斷路器的瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器的整定值應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的2.0～2.5倍，即Iset=(2.0～2.5)Ist。

2.2.2 低壓電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置

海洋石油平臺(tái)使用帶斷相保護(hù)功能的熱繼電器作為過(guò)載保護(hù)裝置和斷相保護(hù)裝置，在電動(dòng)機(jī)回路中電流值超過(guò)熱繼電器的整定值時(shí)，熱繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)控制回路中的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，交流接觸器線圈失電，則電動(dòng)機(jī)主回路中的交流接觸器斷開(kāi)，切斷故障回路。帶斷相保護(hù)的熱繼電器，是通過(guò)過(guò)電流反時(shí)限特性來(lái)保護(hù)低壓電動(dòng)機(jī)的，發(fā)生斷相故障時(shí)，熱繼電器斷開(kāi)故障回路仍需要一定的時(shí)間，這仍然對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行存在著安全隱患。

《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50055-2011)中第2.3.9條規(guī)定：當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行、正常啟動(dòng)或自啟動(dòng)時(shí)，過(guò)載保護(hù)器件不應(yīng)誤動(dòng)作。過(guò)載保護(hù)器件的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定。

熱過(guò)載繼電器或過(guò)載脫扣器整定電流應(yīng)接近但不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流。

根據(jù)上述規(guī)范規(guī)定，熱過(guò)載繼電器的整定值應(yīng)大于等于電動(dòng)機(jī)額定電流，即Iset≥Ir。

對(duì)于有溫度補(bǔ)償?shù)臒崂^電器，整定電流應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流；對(duì)于電磁式和無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)臒崂^電器，整定電流應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.05倍[3]。

為了方便，海洋平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)中熱繼電器通常按電動(dòng)機(jī)額定電流的1.05～1.10倍進(jìn)行選擇。

2.2.3 過(guò)載保護(hù)裝置與短路保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)配合

一般過(guò)載保護(hù)裝置不具有分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰?，一旦低壓電?dòng)機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生短路，需要由串聯(lián)在主電路中的塑殼斷路器來(lái)切斷電路。若故障電流較小，屬于過(guò)載范圍，則應(yīng)由熱繼電器切斷故障電路。

2.2.4 低壓電動(dòng)機(jī)的低電壓保護(hù)與整定

海洋石油平臺(tái)一般采用交流接觸器作為低壓電動(dòng)機(jī)控制電器，交流接觸器吸持線圈在低電壓時(shí)能自動(dòng)釋放(一般降低到70%額定電壓以下)，故不需另設(shè)低電壓保護(hù)。

2.2.5 低壓電動(dòng)機(jī)的單相接地保護(hù)裝置

在海洋石油平臺(tái)的電氣設(shè)計(jì)中，通常采用在380 V低壓母線處設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)裝置動(dòng)作并驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警設(shè)備，運(yùn)行人員接到報(bào)警后到現(xiàn)場(chǎng)排查故障，以避免異相接地短路故障的發(fā)生，以此來(lái)保證IT系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

2.3 工程應(yīng)用實(shí)例

SZ36-1中心平臺(tái)的污水循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)的額定功率為75 kW，額定電壓為0.38 kV，額定功率因數(shù)為0.88，額定運(yùn)行時(shí)效率為0.92,對(duì)此電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)配置的選擇及整定。

電動(dòng)機(jī)的額定電流為

1)斷路器的選擇與整定。斷路器的額定電流為Ir≥141 A，取Ir=160 A。取電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)為7。斷路器短路保護(hù)的整定值為

Iset= (2～2.5)Ist=(2～2.5)×141×7=

(1 974～2 468) A，

取Iset=14×160=2 240 A。

2)熱繼電器的選擇。

Ir=(1.05～1.1)×141=(148～155)A。

3 海洋石油平臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展

3.1 電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的原理

電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器通過(guò)對(duì)三相交流電流、電壓及零序電流等信號(hào)的采集，通過(guò)信號(hào)處理電路抗干擾、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由CUP進(jìn)行運(yùn)算和處理，按照各種保護(hù)特性、測(cè)量數(shù)據(jù)、控制邏輯和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫螅ㄟ^(guò)指示燈、保護(hù)輸出接口、4～20 mA模擬量輸出等多種方式，實(shí)現(xiàn)低壓電動(dòng)機(jī)所需要的保護(hù)測(cè)控功能[4]。電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器具有精度高、節(jié)電、動(dòng)作靈敏、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)電機(jī)斷路器、熱繼電器的理想替代產(chǎn)品。

3.2 電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的功能

1)電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)，其具體功能有接地保護(hù)、斷相保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、不平衡保護(hù)、杜撰保護(hù)、低電壓和過(guò)電壓保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，保護(hù)器通過(guò)面板上的液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的工作電流和電壓。但故障發(fā)生時(shí)，綜合保護(hù)器能自動(dòng)、迅速地反應(yīng)并發(fā)出跳閘信號(hào)。

2)故障判斷與記憶功能。電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需正確判斷電動(dòng)機(jī)正常、過(guò)載、短路、斷相、過(guò)壓、欠壓及過(guò)熱等工況并作出相應(yīng)處理。當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)某種故障時(shí)，保護(hù)器切斷電動(dòng)機(jī)的電源而處于保護(hù)狀態(tài)，并且保存故障類型、時(shí)間以及電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器通過(guò)識(shí)別與記憶電路對(duì)故障予以識(shí)別、記憶和指示，以便于維修。只有故障排除后，復(fù)位保護(hù)器，故障指示才消失，電動(dòng)機(jī)才能再次啟動(dòng)[5]。

3)在線監(jiān)測(cè)功能。具有通信功能的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器能將采集的電動(dòng)機(jī)信息通過(guò)總線傳輸至后臺(tái)微機(jī)，使控制室的操作人員可在后臺(tái)微機(jī)上完成所有綜合保護(hù)器的整定數(shù)據(jù)的調(diào)閱、修改和整定。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載和供電電源質(zhì)量為及早發(fā)現(xiàn)過(guò)載和接地故障等創(chuàng)造了條件。此外，通過(guò)后臺(tái)微機(jī)的強(qiáng)大信息管理功能，可有效記錄各臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、歷史故障記錄、歷史維護(hù)記錄，為保證工藝系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、減少生產(chǎn)關(guān)斷提供了可靠依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，斷路器的短路保護(hù)、帶斷相保護(hù)的熱繼電器的過(guò)載保護(hù)和斷相保護(hù)、絕緣監(jiān)測(cè)裝置的單相接地保護(hù)基本能夠滿足海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)需求，這種保護(hù)配置方式也是目前海洋石油平臺(tái)應(yīng)用最為廣泛的保護(hù)形式。從技術(shù)方面考慮，這種保護(hù)裝置技術(shù)成熟、可靠，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，這種保護(hù)裝置成本低廉，從操作維護(hù)方面考慮，這種保護(hù)裝置簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。但是這種保護(hù)裝置和低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器相比也有很多缺陷。因此，隨著海洋石油平臺(tái)規(guī)模的擴(kuò)大，工藝流程更加復(fù)雜，越來(lái)越多的低壓電動(dòng)機(jī)參與到工藝流程的運(yùn)行中，廣泛地使用電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器，可以極大地提高海洋石油平臺(tái)的自動(dòng)化水平，并且可以提高工藝流程控制的準(zhǔn)確性，降低事故率，對(duì)海洋石油平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行起到積極的作用。

[1] 魏惠濱,李希泌,徐 莉.淺談電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù),2001(5):46-47.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2012.

[3] 任元會(huì),卞鎧生,姚家袆,等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2005.

[4] 劉順田.淺談電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器[J].純堿工業(yè),2008(3):30-33.

[5] 張風(fēng)平,劉 輝.淺談低壓電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2011(3):117-119.