發(fā)電廠低壓廠用電動機(jī)單相接地短路保護(hù)

李 辰，盧艷林

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

1 概述

在火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的供電負(fù)荷中，低壓廠用電動機(jī)的數(shù)量龐大，其重要性也各不相同。隨著發(fā)電廠安全管理水平提高，人們對低壓廠用電系統(tǒng)的單相接地保護(hù)保護(hù)日漸重視。我國發(fā)電廠低壓廠用電系統(tǒng)大部分為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，一般情況下，可以根據(jù)DL/T 5153-2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(下簡稱“廠技規(guī)”)的相關(guān)條例對電動機(jī)配置單相接地短路保護(hù)?！皬S技規(guī)”8.7.1第2條規(guī)定：100 kW及以上電動機(jī)宜裝設(shè)單相接地短路保護(hù)，對100 kW以下電動機(jī)，如相間短路保護(hù)能滿足單相接地短路的靈敏性時(shí)，可由相間短路保護(hù)兼做接地短路保護(hù)；當(dāng)不能滿足時(shí)，應(yīng)另裝設(shè)接地短路保護(hù)。保護(hù)瞬時(shí)動作于斷路器跳閘。但在電廠各個系統(tǒng)中，容量小于100 kW電動機(jī)數(shù)量眾多，設(shè)計(jì)工作量很大。考慮到火電廠中55 kW以上的電動機(jī)數(shù)量較少且一般較為重要、裝設(shè)接地保護(hù)投入費(fèi)用不高，對55 kW以上的電動機(jī)均裝設(shè)接地短路保護(hù)。但實(shí)際上，一些中小容量電動機(jī)往往由于工程需要，配電線路比較長，這種情況下單相接地短路電流比較小，采用斷路器短路保護(hù)同樣不能滿足靈敏度要求。因此僅僅容量作為電動機(jī)是否設(shè)置接地短路保護(hù)存在一定的缺陷。

本文結(jié)合華能輪臺(2×350 kW)熱電聯(lián)產(chǎn)工程輸煤系統(tǒng)低壓廠用電設(shè)計(jì)，基于ETAP軟件的計(jì)算結(jié)果，提出低壓廠用電動機(jī)的單相接地短路保護(hù)的較為理想的配置方式，從而提高廠用電系統(tǒng)短路保護(hù)的可靠性，經(jīng)濟(jì)性和合理性。

2 單相接地短路的危害及其保護(hù)

短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。所謂短路是指一切不正常的相與相之間或相與地(對于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng))發(fā)生通路的情況。在中性點(diǎn)直接接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，單相接地短路是短路中最常見的一種，約占全部短路故障的70%以上。當(dāng)單相接地短路發(fā)生后，需要及早切斷，不然可能發(fā)生線路絕緣燒損、設(shè)備過熱損壞，系統(tǒng)電壓下降等危險(xiǎn)后果，從而影響企業(yè)的供電量指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮線路在接地短路時(shí)的熱穩(wěn)定承受能力、躲開電動機(jī)啟動電流的影響、保護(hù)電器在小故障電流下的動作靈敏度以及線路的合理截面等因數(shù)，IEC標(biāo)準(zhǔn)將所有接地系統(tǒng)切斷故障設(shè)備和配電線路干線的允許最長時(shí)間規(guī)定為5 s。

根據(jù)“廠技規(guī)”要求，低壓廠用電動機(jī)回路應(yīng)裝設(shè)的短路保護(hù)有相間短路保護(hù)、單相接地短路保護(hù)等。這些短路保護(hù)，應(yīng)在短路電流對導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷電源。

3 單相接地短路保護(hù)實(shí)例

下面以輪臺輸煤系統(tǒng)低壓廠用電為例進(jìn)行分析，該工程低壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)為直接接地系統(tǒng)，主廠房及輔助車間低壓廠用電系統(tǒng)均采用動力中心(PC)和電動機(jī)控制中心(MCC)的供電方式。輸煤系統(tǒng)分別設(shè)置兩臺輸煤變(輸煤變A，輸煤變B)及兩段輸煤PC(PCA,PCB)母線,該系統(tǒng)中功率較大的電動機(jī)為輸煤膠帶輸送機(jī)，運(yùn)行方式為1運(yùn)1備，均由輸煤PC段直接供電，電源為三相電源。本文選取該工程PCB段中所接膠帶輸送機(jī)以及2號轉(zhuǎn)運(yùn)站MCC上含煤復(fù)用水泵的單相接地短路進(jìn)行分析。輸煤變壓器參數(shù)見表1，電氣接線見圖1，各膠帶輸送機(jī)與含煤廢水復(fù)用水泵的功率以及配電距離見表2。

表1 輸煤系統(tǒng)變壓器參數(shù)

圖1 輪臺輸煤廠用電PCB段電氣接線簡圖

表2 輸煤系統(tǒng)主要設(shè)備配電參數(shù)

本文計(jì)算過程由ETAP軟件完成，PCB段中所接膠帶輸送機(jī)以及2號轉(zhuǎn)運(yùn)站MCC上含煤復(fù)用水泵額定電流、啟動電流，脫扣器瞬時(shí)整定電流結(jié)果，兩相短路，單相接地短路電流計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 額定電流，啟動電流，脫扣器瞬時(shí)整定電流

4 接地短路分析

“廠技規(guī)”8.7.1規(guī)定，相間短路保護(hù)動作于跳閘的單相接地保護(hù)的靈敏系數(shù)不宜低于1.5。因此根據(jù)表3可得出上述電動機(jī)單相接地短路保護(hù)措施，滿足相間短路保護(hù)兼作單相接地短路保護(hù)靈敏度要求的最小短路電流值以及保護(hù)措施見表4。

表4 滿足要求的最小短路電流值以及保護(hù)措施

根據(jù)表4，當(dāng)?shù)蛪簭S用電系統(tǒng)中性點(diǎn)為直接接地時(shí)，由于相間短路電流值比較大，其保護(hù)靈敏系數(shù)遠(yuǎn)大于1.5。故可用斷路器本身的脫扣器作為相間短路保護(hù)。

對于100 kW以上的電動機(jī)單相接地短路保護(hù)，考慮到相間短路的動作值高，而單相短路電流要比相間短路電流小得多，相間短路保護(hù)一般滿足不了單相短路保護(hù)靈敏性的要求。此外，考慮到電動機(jī)本身的價(jià)值和單相短路的幾率，另加一套靈敏性高的單相接地短路保護(hù)也是值得的，因此規(guī)范8.7.1規(guī)定“宜裝設(shè)單相接地短路保護(hù)”。但如本工程中4B膠帶輸送機(jī)結(jié)論所示，對于容量稍大于100 kW的電動機(jī)，當(dāng)供電距離在200 m以內(nèi)以及配電壓降在5%左右時(shí)，其相間短路保護(hù)是可兼作接地短路保護(hù)的。

同理，由該表中2B、3A 膠帶輸送機(jī)(頭部)的結(jié)論可知，在滿足線路壓降情況下，容量稍小于100 kW的電動機(jī)，當(dāng)供電距離在200 m左右，相間短路保護(hù)同樣是可兼作接地短路保護(hù)的。因此對于此種情況的電動機(jī),需計(jì)算其單相接地短路電流值，當(dāng)單相接地短路電流足夠大并可以使其滿足相間短路保護(hù)的靈敏度時(shí)，可不另裝設(shè)單相接地短路保護(hù)裝置。

而由含煤廢水復(fù)用水泵的結(jié)論可知，對于容量在55kW左右的電動機(jī)，雖然瞬動的整定值相對較低，但由于其供電距離較長，其單相接地短路電流較小，仍有可能無法滿足其靈敏性要求，因此需另外裝設(shè)單相接地短路保護(hù)裝置。

5 接地短路保護(hù)的配置

當(dāng)電動機(jī)相間短路保護(hù)無法滿足兼作單相接地短路保護(hù)的靈敏度要求時(shí)，可采用以下方式對電動機(jī)單相接地短路故障進(jìn)行保護(hù)。

5.1 采用零序保護(hù)

本工程中對于1B膠帶輸送機(jī)和5B膠帶輸送機(jī)回路，由于其功率較大，滿足相應(yīng)的靈敏度要求較為困難，可用塑殼斷路器+接觸器+馬達(dá)保護(hù)器+零序TA的接地短路保護(hù)方法，由馬達(dá)保護(hù)器通過外接零序TA采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)單相接地短路保護(hù),保護(hù)出口接點(diǎn)動作于塑殼斷路器分勵線圈跳閘。

5.2 采用自帶漏電(剩余電流)保護(hù)模塊的塑殼斷路器

漏電(剩余電流)保護(hù)是檢測三相電流加中性線電流并得到其向量和。當(dāng)沒有發(fā)生單相接地故障時(shí)，無論三相負(fù)荷平衡與否，此向量和為零；當(dāng)發(fā)生某一相接地故障時(shí)，故障電流會通過保護(hù)線PE或大地返回電源側(cè)，此數(shù)值為故障電流。根據(jù)該原理，漏電保護(hù)一般用在TN-C-S系統(tǒng)，如電廠低壓照明、檢修回路。但對于采用三芯動力電纜的電動機(jī)回路，漏電保護(hù)模塊仍可使用。這是因?yàn)閷τ陔妱訖C(jī)來說，其外殼及接地端子通過扁鋼與廠內(nèi)接地網(wǎng)可靠相連，而在開關(guān)柜側(cè)，開關(guān)柜外殼與PE排同樣與該地網(wǎng)可靠連接。因此當(dāng)單相接地短路故障發(fā)生之后，短路電流可由該通路返回電源側(cè)，漏電保護(hù)模板仍可以進(jìn)行動作。只是對于電動機(jī)回路來說，剩余電流保護(hù)與零序保護(hù)的原理相同，檢測的是三相電流的矢量和。

對于本例中1B與5B膠帶輸送機(jī)回路，可以采用三極開關(guān)加漏電保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)電動機(jī)單相接地故障保護(hù)，選型時(shí)要注意漏電動作電流整定范圍應(yīng)可以躲過電動機(jī)啟動時(shí)的不平衡電流,否則將會造成漏電保護(hù)誤動作。相關(guān)參數(shù)的整定方法可參見文獻(xiàn)。而通過該方法實(shí)現(xiàn)單相接地短路，不僅安裝方便，投資小，同時(shí)可靠性高。

5.3 采用帶接地保護(hù)功能的電子脫扣器

如今很多斷路器廠家部分型號的電子脫扣單元帶有接地短路保護(hù)功能，因此可采用配有該型號脫扣單元的塑殼斷路器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的接地保護(hù)。但由于電子脫扣器實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)一般采用的是三相電流矢量和濾過方式，無零序電流互感器，因此其單相接地保護(hù)動作電流應(yīng)該躲過電機(jī)啟動時(shí)，由三相電流互感器誤差不一致而產(chǎn)生的不平衡電流。

對于本例中的5B膠帶輸送機(jī)回路，斷路器額定電流為400 A。電機(jī)啟動時(shí)不平衡電流：3I0.0P=1.0Ie=320 A。以施耐德公司Micrologic6.E-M電子脫扣器為例，當(dāng)斷路器額定電流In＞50 A，接地故障整定電流整定范圍為：(0.2～1)In=80～400 A。因此電子脫扣器整定范圍滿足大于不平衡電流的整定要求，故可以用該電子脫扣單元實(shí)現(xiàn)單相接地短路保護(hù)故障。

5.4 其他保護(hù)方式

在接地短路電流達(dá)不到相間短路保護(hù)兼作單相接地短路保護(hù)的靈敏度時(shí)，如果滿足下列幾種條件時(shí)仍可不用另外裝設(shè)單相接地短路保護(hù)裝置。

5.4.1 電機(jī)采用軟啟動或變頻啟動

電動機(jī)直接啟動時(shí)，其啟動電流一般為額定電流的6～8倍，為躲過電動機(jī)該啟動電流，斷路器瞬時(shí)脫扣整定電流比較大，從而導(dǎo)致該電動機(jī)回路的斷路器脫扣器靈敏度較低。與直接啟動相比，電動機(jī)可采用通過軟啟動或變頻啟動等方式來降低電動機(jī)的啟動電流。從而降低斷路器瞬時(shí)脫扣整定電流，提高斷路器脫扣器靈敏度。

本工程含煤廢水復(fù)用水泵由于工藝要求裝設(shè)有變頻器。根據(jù)變頻器廠家資料，變頻器本體配有電動機(jī)接地短路保護(hù)，故在開關(guān)柜內(nèi)不需重復(fù)配置該保護(hù)，同時(shí)斷路器脫扣器的整定電流值應(yīng)考慮變頻器對電動機(jī)啟動電流的影響。

同樣在一些工程中，膠帶機(jī)配有軟啟動裝置。對于這類膠帶機(jī)回路，由于軟啟動裝置可以將電動機(jī)啟動電流限制在其額定電流的4倍以下，因此其回路的斷路器脫扣器瞬動電流整定值可以相應(yīng)減小，從而使相間短路保護(hù)滿足兼作單相接地短路保護(hù)的靈敏度要求。

而隨著CST(可控傳輸啟動裝置)逐漸運(yùn)用于電廠大容量的膠帶機(jī)中，由于CST可以使膠帶機(jī)按照設(shè)定的速度曲線平穩(wěn)啟動，啟動電流也得以有效的降低。故對于這類電動機(jī)，也可相應(yīng)減小其回路斷路器脫扣器瞬動電流的整定值。如表4中的5B膠帶輸送機(jī)回路，在裝設(shè)有CST裝置時(shí)，其斷路器脫扣器瞬動電流整定值可由原來的4.536kA整定至小于其單相接地短路電流的4.443A。從而使相間短路保護(hù)可兼作單相接地短路保護(hù)而不用另外裝設(shè)單相接地短路保護(hù)裝置。

5.4.2 減少短路點(diǎn)的總阻抗增加短路電流

(1)加大電纜截面

如示例中，對于無法通過相間短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)單相接地短路保護(hù)的3A膠帶機(jī)(尾部)和含煤廢水復(fù)用水泵回路，將電纜截面分別改大后，通過ETAP短路電流計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 增大電纜截面后的短路電流

由表5知，當(dāng)增大電纜截面時(shí)，本例中3A膠帶輸送機(jī)(尾部)和含煤廢水復(fù)用水泵回路短路電流相應(yīng)增加并滿足用相間短路保護(hù)兼作單相接地短路保護(hù)的靈敏度要求，同時(shí)線路電壓損耗也會相應(yīng)減小，供電質(zhì)量相應(yīng)提升。但增加電纜截面意味著增加投資，因此當(dāng)電動機(jī)回路正常工作滿足線路壓降小于5%的要求時(shí)，不建議采用增加電纜截面的方法來提高接地保護(hù)的靈敏性。

(2)減少配電線路距離

如示例中，將含煤廢水復(fù)用水泵回路由輸煤PCB段改至1號轉(zhuǎn)運(yùn)站MCC進(jìn)行供電，由ETAP軟件計(jì)算的短路電流結(jié)果見表6。

由表6知,當(dāng)含煤廢水復(fù)用水泵回路與直接供電的MCC間配電距離減小時(shí)，即使其與PC間配電距離不變，在線路壓降減小的同時(shí)，其短路電流增大，滿足用相間短路保護(hù)兼作單相接地短路保護(hù)的靈敏度要求。因此在工程條件允許情況下，應(yīng)盡量減少電動機(jī)負(fù)荷與直接供電的MCC或PC間的配電距離，一方面提高供電質(zhì)量，另一方面增加短路保護(hù)的靈敏性。

表6 增大電纜截面后的短路電流

6 結(jié)語

綜上所述，在電廠眾多小于100 kW的低壓電動機(jī)中，建議對于供電距離較遠(yuǎn)(大于400 m)的中小容量(55 kW左右)電動機(jī)以及供電距離大于200 m的大容量(90 kW左右)電動機(jī)，宜通過計(jì)算相間短路保護(hù)是否滿足單相短路保護(hù)靈敏性的方式來決定是否另外配置單相接地保護(hù)裝置。配置單相接地保護(hù)裝置時(shí)，需根據(jù)該電動機(jī)所在回路的具體情況采用適當(dāng)?shù)膯蜗嘟拥囟搪返拇胧?，從而有效的增?qiáng)該電動機(jī)回路的安全性，可靠性，合理的減少設(shè)備投資。

對于供電距離小于400 m 的中小容量電動機(jī)或供電距離小于200 m的大容量電動機(jī)回路，一般來說相間短路保護(hù)可以滿足單相短路保護(hù)靈敏性，固不需要另外配置單相接地保護(hù)裝置。

對于裝設(shè)有軟啟動裝置的低壓電動機(jī)，可以適當(dāng)減小其斷路器瞬動電流整定值，從而使其相間短路保護(hù)滿足兼做單相短路保護(hù)的靈敏性要求。