高压电动机综合保护整定计算方法的探讨.doc

高压电动机综合保护整定计算方法的探讨
    摘　要　通过对电动机负序电流产生原因和对保护的影响进行分析，对高压电动机综合保护的定值整定方法进行了探讨。
　　关键词　电动机　继电保护　定值计算

1　概 述
　　目前，在火电厂和其它工矿企业，开始采用综合保护装置作为高压电动机的保护。这种综合保护装置一般为微机型，其主要功能如下：
　　a．短路保护（即电流速断保护）：由正序电流保护实现；
　　b．断相及反相保护：由负序电流保护实现，为反时限特性；
　　c．接地保护：采用零序电流互感器获取零序电流实现；
　　d．过热保护：综合计及电动机的正序电流和负序电流的热效应，对电动机过载启动时间过长和堵转提供保护。并有热记忆功能，即过热保护跳闸后，不会立即启动，需等到电动机散热到允许启动时，才能再次启动；
　　e．电动机保护的定值，采用启动过程中的定值与正常运行时的定值独立设置的方式，既可以保证启动时不误动，又能保证正常运行时的保护灵敏度。
2　综合保护整定计算中必须考虑的特殊问题
　　由于综合保护采用了负序电流来实现断相等保护功能，同时，速断保护是由正序电流实现的。因此，在保护的整定计算中必须考虑以下因素：外部不对称故障产生的负序电流对保护的影响；母线电压不平衡产生的负序电流对保护的影响；CT断线的影响；不对称短路故障对速断保护灵敏度的影响。
2．1　电动机负序电流产生的原因
2．1．1　电网参数不对称
    电网参数不对称包括正常运行时的电源电压不平衡和外部不对称短路产生的不对称电压。这2种情况下都会产生负序电流。
    a．正常运行时不平衡电压产生的负序电流
　　设正常运行时不平衡电压所产生的负序电压为U2，此时电动机回路的负序电流为：

式中：Ist为电动机额定电压下的启动电流；Z－为负序阻抗；ZSC为启动阻抗；UN为电动机的额定电压。
　　由式（1）可知，由于电动机的启动电流Ist可达额定电流的5～8倍，因此，只要有很小的负序电压存在，也会产生较大的负序电流。
　　例如，设U2＝0．05 UN，由于Ist＝5～8IN，代入式（1）可得：
    I2＝（5～8）IN（0．05UN／UN）＝（0．25～0．4）IN
　　即只要存在额定电压5％的负序电压，将会在电动机中产生达25％～40％额定电流的负序电流。
    b．外部不对称短路产生的负序电流
　　如果在电动机所属高压母线上或靠母线很近的其它设备上发生两相短路，将在非故障的电动机回路上产生很大的负序电流。
　　设在电动机所在高压母线上发生BC相短路。忽略系统阻抗的影响，这时

式中E1为系统电势，可认为E1＝UN，且由于Z－＝ZSC，因此非故障电动机回路产生的负序电流为：

    由此可见，在电动机所在高压母线上或附近发生两相短路时，非故障的电动机回路将产生达电动机启动电流一半的负序电流，这在定值整定时是不容忽视的。
2．1．2　内部参数不对称
　　造成电动机内部参数不对称的原因主要有：定子线圈相间短路、定子线圈匝间短路、定子线圈断线、转子断条等。以实际运行中故障率较高的定子线圈一相断线为例进行分析。
　　根据故障分析法，当电动机定子线圈发生一相断线时，复合序阻抗图如图1所示。  

　　由图1可得电动机定子线圈一相断线时的负序电流为：

    即负序电流为电动机启动电流的一半。
    b．正常运行时一相断线
　　正常运行时，电动机的转差率S一般约0．03～0．05，正序等值阻抗即为电动机的负荷等值阻抗而负序等值阻抗Z－仍可认为与电动机的启动阻抗相等。
　　在正常运行的情况下电动机定子回路发生一相断线的瞬间，由于惯性，这时电动机的转差率基本保持不变，因此，仍可按正常运行的有关参数进行分析。
　　根据有关资料，正常运行时，电动机的功率因数约为0．9（相当于阻抗角为25°）左右，而电动机启动时，功率因数只有0．2～0．3（相当于阻抗角72°～78°）左右，即：

　　由此可知，在正常运行时发生断相，在不考虑转差率变化的情况下，所产生的负序电流约为电动机额定电流的90％左右，由于负序电流的存在，将产生负序转矩，从而使合成转矩减少，如果维持负载转矩不变，将使电动机的转差率增大，从而使负序电流进一步增加，一般可达额定电流的110％。
2．2　负序电流对保护的影响
2．2．1　CT二次回路一相断线
　　如果正常运行时发生CT二次回路一相断线，这时，通入继电器仅有一相电流，使得负序电流滤序器产生输出量。例如，发生A相CT二次回路断线，这时IA＝0，

　　由此可见，正常运行时发生CT二次回路一相断线，产生了相当于电动机工作电流0．577倍的负序电流，可能造成保护的误动作。因此，在定值整定计算中必须考虑CT断线的影响。
2．2．2　正常运行时不平衡电压产生的负序电流
　　从2．1．1的分析可知，只要出现很小的负序电压，将在电动机中产生较大的负序电流。这时，只要电源的不平衡电压在允许范围内，同时所产生的负序电流与正序电流的迭加值不超过电动机的额定电流，即电动机的工作电流不超过额定值是允许的，不会给电动机造成不利影响。因此，没有必要由负序保护来切除。但是，如果负序保护的定值整定过低，将造成保护的误动作。
2．2．3　外部不对称短路故障产生的负序电流
　　在电动机所在高压母线上或靠母线很近的其它回路上（例如电动机和厂用分支）发生两相短路，将在非故障的电动机回路上产生达启动电流一半的负序电流，在这种情况下，如果故障设备的瞬动保护（如差动、电流速断）正确动作，则一般不会造成负序保护的误动。但是，如果瞬动保护拒动，特别是当故障发生在厂分支上，这时必须依靠后备保护来切除如果定值整定不当，负序电流保护将误动出口，这是不允许的。因为当故障支路切除后或备用电源自投后，要求非故障的电动机自启动运行。同样，单纯依靠提高负序电流保护的启动值，也是不允许的，因为从2．1．2的分析可知，在正常运行时电动机发生断相时所产生的负序电流只有额定电流的90％至110％左右，远小于外部两相短路时在非故障电动机中所产生的负序电流，因此，如果定值整定过高，在发生断相时，负序电流保护根本无法动作，失去了综合保护装置中负序电流保护单元应有的功能。解决这一矛盾，只有通过时限来配合。
3　主要保护单元的整定方法
3．1　电流速断保护
　　电流速断保护仍按躲过电动机启动电流的原则整定。但是，由于综合保护的电流速断是通过测量电动机的正序电流实现的，故定值计算及灵敏系数的校验方法与常规保护不同。其方法如下：
　　a．启动值I1．DZ

式中I1．DZ为正序电流保护整定值；KK为可靠系数，取1．3；Ist为电动机启动电流。
    b．动作时间t1
　　对于采用断路器控制的电动机，选择瞬时动作，即t1＝0；
　　对于F－C控制的电动机，由于短路故障由熔断器切除，而非接触器切除，应整定带一定的延时，一般取t1＝0．3 S。
    c．灵敏度校验
　　根据规程规定，电动机的电流速断保护应保证在最小运行方式下，保护安装处两相短路时的灵敏系数大于2。由于本保护单元是通过测量正序电流实现的，当发生两相短路时，所测得的正序电流为：

　　已知同一地点两相短路电流与三相短路电流的关系为：

    因此，将式（7）代入式（6）得出两相短路时流入继电器的正序电流与三相短路电流的关系为：

式中为最小运行方式下，保护安装处两相短路时的正序电流；为最小运行方式下，保护安装处两相短路电流；为最小运行方式下，保护安装处三相短路电流。
　　因此，为保证电动机启动过程中，发生两相短路时有足够的灵敏度，灵敏度应按下式进行校验：

3．2　负序电流保护
3．2．1　启动值I2．ZD整定
　　根据以上分析，负序电流保护的启动值整定原则是：
    a．躲过CT二次回路断线
　　已知CT二次回路断线时，相当于在继电器中产生了一个0．577倍电动机负荷电流的负序电流，故启动值应为：
    I2．ZD≥KK×0．577IN（10）　
　　b．在正常运行时电动机发生断相有足够的灵敏度
　　已知电动机正常运行时发生断相，将产生电动机负荷电流约90％的负序电流，因此，为保证断相时负序保护可靠动作，负序电流保护启动值应为：
    I2．ZD≤0．9IN／KLM（11）　
　　综合式（10）和（11），负序电流启动值的整定范围为：
　　0．577KKIN≤I2．ZD≤0．9IN／KLM（12）
式中：I2．ZD为负序电流保护整定值；IN为电动机额定电流；KK为可靠系数，取1．15；KLM为灵敏系数，取1．1。
    通常负序电流保护整定为0．8 IN即可。
    c．动作时间τ2
　　负序电流保护的反时限特性如下：

式中：I2．eq为流入继电器的负序电流与负序电流启动值之比，即：I2．eq＝I2／I2．ZD；τ2为流入继电器的负序电流I2为整定值I2．ZD时的动作时间。
　　由于负序电流保护的动作时间t必须躲过外部两相短路时后备保护的动作时间，设所在母线后备保护的动作时间为t′，由式（2）和式（13），τ2可整定为：
　　τ2＝Ist（t′＋Δt）／（2I2．ZD）（14）
式中Δt为时间级差，取0．5 S。
　　应注意的是，有一些型号的综合保护装置的负序电流保护单元的反时限特性已由厂家固定，不能随意整定。对于此类保护装置应根据厂家提供的反时限特性曲线进行校验，当不能满足选择性要求时，按以下原则进行处理：对于不要求自启动的电动机（如磨煤电动机），由于在后备保护动作出口前已由母线低电压保护动作（动作时间为0．5 S）跳闸，因此可按t′＝0．5 S重新进行校验；对于要求自启动的 电动机及按t′＝0．5 S重新校验仍不满足选择性要求的电动机，则宜将负序保护单元退出。
4　结　语
　　微机型电动机综合保护装置已越来越得到普遍应用，其定值整定是否合理，直接影响到装置的应用效果和被保护对象的安全运行，需要用户在使用时认真仔细考虑，尤其是负序电流保护，运行启动过程中误跳情况较多，作者不赞同采取启动时将负序电流保护退出的简单办法，若能如文中所述，合理整定保护动作值，是能够处理好这些问题的。
湖南电