西门子高压异步电动机保护原理与应用

彭年仔 李国利 陈希炜

（1.上海石油天然气有限公司天然气处理厂，上海 201304；

2.中国石油天然气股份公司广西石化公司，广西 钦州 535008；

3.上海威能电力科技有限公司，上海 200030）

1 引言

电动机是当今工业生产的主要驱动设备。其中，高压异步电机因具有结构简单、性能稳定及维护简单等优点而得到广泛应用，但高压异步电动机在起动、运行过程中常会发生一些异常情况，如内部线圈绕组短路、开路、接地电压、过负荷等，除造成设备严重损坏，带来重大经济损失外，还经常波及供电系统，影响供电可靠性。因此，对高压电动机配备完善的保护设备就显得尤为重要。

传统电磁型的电动机保护一般采用的是速断+反时限过电流模式[1]，但随着设备日趋大型化和复杂化，已不能满足其保护要求。微机保护技术的发展和普及，使得各种厂家的保护装置层出不穷，但保护原理以及保护效果却参差不齐[2]。

西门子公司的 Siprotec 4系列保护装置采用统一的软硬件技术标准，是当前较好的数字化保护应用平台。针对高压异步电动机的主要保护型号为7SJ6和7UM6。针对电动机的各种运行工况，其所配置的保护原理均能够正确反应、可靠动作。

本文在全面分析电动机运行状态的基础上，详细介绍了西门子高压电动机保护的主要保护原理以及动作特性，最后结合实例阐述了这些保护的整定原则和配置要求，提出了一套完整的高压电动机保护方案。

2 电动机的运行状态

2.1 正常运行

正常运行状态包括：

（1）起动运行：起动过程中将产生数倍于额定电流的起动电流，持续时间数秒或数十秒，并在电机允许起动时间内。

（2）带载运行：轴负载为额定或以下，电动机在额定转差率附近运行，定子电流在额定电流以下。

2.2 故障与不正常运行

故障情况有：

（1）相间短路。

（2）单相接地。

（3）匝间短路。

不正常运行状态有：

（1）因轴负载增大引起的过负荷电流。

（2）起动和自起动时间过长，通常情况下由机械原因卡死造成的。

（3）缺相或非对称电压情况时的长时间两相运行。

（4）供电电压和频率降低使得转速下降、电流升高。

（5）电动机频繁起动使得定转子绕组反复加热而温升超过允许值。

（6）正常运行时，因机械、轴承等机构突然损坏造成电动机转矩增大，转速降低甚至堵转停顿。

3 西门子电动机保护原理

3.1 过电流保护

保护包含了独立的2个定时限段和1个反时限段。4.7以上版本的保护装置为3个定时限段。

反时限过电流标准，国际上主要有IEC和IEEE两种标准，7SJ6x保护同时兼容这两种标准，以供用户选择。国内应用较多的是IEC标准。

下面简要说明IEC 255-3标准的反时限特性及其特点。

反时限方程为

其中，t为动作时间(秒)；pT为时间系数；I为运行电流的实际测量值；pI为起动电流整定值。

对于不同的α、β的取值，决定了不同的反时限曲线特性，其中常用的四种IEC标准反时限特性曲线中α、β的取值如表1。

这些反时限特性的延时“陡度”不同，具有不同的延时动作特性，针对不同的应用场合，应选取不同的反时限。通常来说，“Very Inverse”和“Extremely Inverse”用于首、末端短路故障电流变化很大的情况。“Normal Inverse”和“Long Inverse”用于反映过热状况的保护应用。

表1 IEC标准反时限特性曲线常数

7SJ6x过电流保护的各段电流元件的评价数值可以选择为“RMS（有效值）”或“基波”。此外，各段保护还可引入电压元件对保护进行“控制”或“制动”，以实现更好的保护性能。

3.2 热过负荷保护

过负荷保护基于单体设备发热模型，热能微分方程为：

式中，I为实际运行电流与在40°C环境温度下最大允许持续工作的电流Imax(Imax=kIN)之比；τ为被保护设备的热时间常数；θ为实际运行温度与最大允许温度之比；θk为测量得到的环境温度和 40°C参考温度的差值与最大允许温度之比。

设定边界条件，可解方程得

式中，I为工作电流值；kθ′为实际测量到的环境温度；preI为过负荷前的电流值。可以看出，保护动作时间考虑了设备散热的影响，同时也考虑了事故前的负荷电流。

不同历史预负荷条件下的过负荷延时特性曲线如图1所示。其中，a为额定负载（preN1.0II= ）、b为欠负载（preN0.8II= ）、和c为空载（pre0I= ）情况下的特性曲线。

图1 在不同负荷初值下的延时特性

从仿真曲线中可以看出，对于完全相同的过负荷故障情况。当故障前负荷电流越小时，因为先前的热积累程度越低，故动作时间越长，这是比较符合实际情况的。

在没有测温的情况下，即忽略kθ的影响。式（3）可以简化为：

3.3 起动电流保护

起动电流保护是专门针对电动机过长时间起动的运行状况，跳闸动作时间表达式为

其中，I为实际流过的电流；t为流过电流I时的动作时间（秒）；QI为电动机的额定起动电流；Qt为在额定起动电流QI的跳闸时间（秒）；而qI为识别电动机起动状态的门槛值。

电动机在冷态和热态条件下，Qt具有不同的时间，因此保护功能通过保护装置储存的模拟温度参数形成一个逻辑开关，自动执行不同的跳闸时间计算。

动作特性如图2所示。

图2 电动机起动电流的反时限跳闸曲线

3.4 电机堵转保护

图3所示为异步电动机的电流转矩特性。在正常运行时，电动机工作在额定工况。当负载转矩增加时，将使得转速变慢，定子电流增大。然而，超过一定负载时，电动机就不能通过增加转矩的方式调节转速，电动机将“失速”直至停顿。长时间堵转运行，除造成机械卡死部位损伤加剧，也易使电动机烧毁。

堵转保护持续监视电动机运行期间电流变化，并以正序分量作为保护门槛，以降低堵转时直流分量的影响。在电动机起动期间，保护逻辑自动闭锁，使得保护可采用较低的动作延时。

图3 鼠笼电动机的转矩电流特性

4 应用实例

结合实际案例阐述保护配置原则和整定计算方案。

某原料油泵机组为Y型联结的单笼高压异步电动机，型号为YB450M1-2WTH。主要数据为

（1）铭牌数据：额定电压 6000V；额定功率450kW；额定电流53.67A；功率因数为0.89；额定转速2987r/min。堵转电流倍数6.5，起动时间7s。CT变比为75/1A，三相星形接线方式。

厂家数据：1s内最大耐受水平为45倍额定电流。

（2）负载：额定轴功率 336kW，对应电动机电流为40.1A；最大连续运行功率357kW。

（3）电网数据：最小方式下两相短路电流为15.17kA。

4.1 过电流保护

采用多段过电流保护，在满足保护的速动性要求的基础上，区别电动机的故障类型。

图5为电动机过电流保护各段的配置原理图，其中，定时限的I＞＞＞和I＞＞段保证了在相间短路时的快速动作；由各反时限段，依次作为电动机故障的选择性保护。各段保护所形成的边界就是允许电动机运行的区域。

图4 电动机过电流保护的配置原理图

（1）速断电流保护I＞＞＞段

定值按躲过电动机起动的冲击峰值电流整定。

式中，Kk为可靠系数，取 1.3～1.5，Kq为电动机起动电流倍数，取值4～7，一般应按电动机特性取值；Kch为电动机起动峰值与稳态值的比值，通常为1.2～1.5。

（2）限时速断电流保护I＞＞段

定值按躲过电动机起动电流整定，延时3～5个周波。公式如下

（3）反时限过电流保护Ip＞段

延时特性采用“长反时限”，由（1）式代入表1数据为：

1）起动值以电动机额定电流整定，计算公式为

式中，kK为可靠系数，取1.1～1.2。

2）时间常数以躲过电动机起动时间整定。可采用反推法，公式为

取值p0.34s

T=

（4）起动电流保护Iq＞段

在本保护中，式（4）的QI和Qt定值均为设备数据，只需确定保护起动的门槛值qI，以保护在电动机起动过程中准确起动整定，即

（5）过负荷保护Iθ＞段

整定原则：以泵机组的额定工况为预负荷配置过负荷保护。这是因为在工厂配置中，电动机通常比被拖动设备的功率要大，当电动机达到额定电流时，被拖动设备已经过载。

1）k系数确定，按泵机组最大连续运行功率的倍数整定，可靠系数可取1.05～1.1；计算按CT二次电流进行折算。

2）τ常数确定，应按电动机厂家给定数据设定，若无此数据，则可设备按耐受电流水平进行折算。公式为

4.2 堵转保护

前节中各反时限段是可以反应于电动机堵转故障，但动作时间较长。因此，采用本保护的原则是在区别电动机起动状态情况下，尽可能缩短堵转时的动作时间。

保护分为报警段和跳闸段。推荐整定方法为：报警段按 1.5倍电机额定电流整定，跳闸段按 2.0倍额定电流整定。计算过程为

4.3 与系统配合的保护

作为高压电动机的完整保护，除了上述特有保护功能外，还应具有缺相保护、低电压保护及接地过流保护。西门子保护装置也具有这些保护功能。配置原则为

（1）缺相保护

采用定时限负序过电流保护，配置1段。起动定值按躲过电动机的最大不平衡电流整定，一般取值为15%～30%额定电流；延时按躲过电网可能出现非对称电压运行的最长时间整定，一般为3～5s。

（2）低电压保护

电动机设置低电压保护并不是为了反应其内部发生的故障，实质上是“保电网”。整定原则与电网中负荷分级、本设备在工艺过程中的重要性有关，在综合设备等级、备用电源自动投入等情况后确定。

（3）接地保护

当电动机发生内部接地故障时，接地电流的大小与电网接地方式和参数有关。规程要求，接地电流大于5A就应动作于跳闸。保护用CT应采用穿心式零序电流互感器，变比不宜太大。动作定值根据系统要求统一配置。

按2倍电动机起动时间整定，即

5 结论

保护装置是高压电动机安全运行的重要保障，是工厂电气系统不可或缺的重要环节。与传统方式的继电保护相比较，西门子公司微机电动机保护装置提供了较为完善的保护方案。实践表明，合理配置保护组合方案，并正确计算各种保护的整定值，对高压电动机乃至工厂生产系统的安全运行具有重要意义。

[1] 崔家佩,孟庆炎,陈永芳,熊炳耀.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M]. 北京:水利电力出版社,1993.

[2] 陈建玉,李国岭,孟宪民.高压电动机保护测控技术的进展与发展方向[C].中国电工技术学会第八届学术会议,2004.

[3] 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2004

[4] SIPROTEC 7SJ62/64V4.7, Multifunction Protective Relay with Local Control, Manual No C5300-G1140- C207-2.