大型电动机起动继电保护研究

顾海鹂， 宋晓东

(1.吴忠天净电力勘测设计咨询有限公司，宁夏吴忠 751100;

2.郑州瑞泰科技有限公司，河南郑州 450001)

0 引言

大型电动机是大型厂矿企业中数量众多的重要电气设备。如何为电动机提供更加先进可靠的保护措施，为工厂的安全生产提供强大的支持，一直是设备运行部门和继电保护装置生产厂家非常关注的问题。本文分析了电动机起动中继电保护存在的问题，并提出了解决这些问题的思路，为完善电动机的继电保护提供了方法。

1 电动机的起动分析

在工厂供电中，一般会有多台电动机并联挂在同一条母线下运行。在正常工作开始时，并联在同一条母线下的电动机依次起动，起动完成后正常运行。为保证重要电动机在电源突然失电下的正常运行，还会设有备用电源，或是在电源进线端设有重合闸装置;电源失电时，次要电动机通过继电保护装置的失压保护跳开，重要电动机则在母线电源重新投入后进行自起动。并联在同一条母线下的电动机运行示意图如图1所示。

图1 电动机运行示意图

2 电动机的起动方式

2．1 冷起动

电动机正常起动时一般为空载或轻载起动，此时有以下几种起动方式:

(1)常规起动。额定电压下直接起动，电流由零突然增大至4.5Ie以上(Ie为电动机额定电流，下同)，而后降至Ie以下。如图2中曲线1所示。

(2)传统降压限流起动。通过定子回路串接电抗器、采用自耦变或采用Y/Δ起动等方法降低起动电流，但起动电流仍在3Ie以上。如图2中曲线2所示。

(3)降压软起动。采用软起动器控制电流电压变化，限制起动电流不至于过大。电流增大至Ie以上而后降至Ie以下，此种起动过程电流大于Ie时间比较长。软起动可有效降低电动机的电流，其起动电流仅为标准电机常规起动电流的50%。如图2中曲线3所示。

(4)变频软起动。采用高性能可控硅变频调压起动，使得起动电流曲线更加平稳，起动电流更小。如图2中曲线4所示。

图2 电动机正常起动电流曲线示意图

2．2 热起动

电动机正常运行中突然断电，此时电动机的运行特点如下:电动机还在转动(转速下降)，短路器位置为合位，电流不为零，电压下降;短时经重合闸或备用电源自投后的带载自起动。在短时间内，电压变化如图3所示:t0～t1时间为失电前的正常运行状态下的电压，t1～t2时间为失电时的电压变化曲线，t2以后为电源重新投入后的电压变化曲线。

图3 电动机母线电压变化示意图

3 电动机起动的继电保护现状

3．1 现有起动判别

电流变化由无流(小于某个值如0.2 A)开始增大或是断路器位置由分到合，判为电动机开始冷起动，计时开始，在起动时间内进行正常的起动中堵转保护判别。经过整定时间后进行电流判别，如此时电流大于某个值则认为电动机起动超时，“起动超时保护”动作跳闸，如果此时电流小于某个值则认为电动机起动成功，“起动结束标志”置1，电动机开始处于正常状态运行。电动机起动逻辑判别如图4所示。

图4 电动机冷起动逻辑图

3．2 问题分析

由于电动机长时间过热运行，会破坏电动机的绝缘，降低电动机的寿命，因此电动机只允许短时的过热运行，不能长时间过热运行。电动机在大电流起动时，如果长时间不能正常起动，就可能会引起电机发热烧毁电动机。现在继电保护装置生产厂家对电动机起动都配有起动超时保护或是起动中堵转保护，通过判断电流从零突然增大，或是通过判别断路器位置从分位变合位来判别电动机起动过程，如果长时间不能正常起动，就要跳开以免烧坏电动机。同时在起动过程中有大电流出现，因此有些关于电流的保护要进行改变:电流一段(堵转保护)自动升为电流定值的整定倍数(1～4倍);电流二段退出;反时限电流保护自动升为电流定值的整定倍数(1～4倍);过负荷保护退出;差动保护退出或增加延时等。在起动完成后，起动超时保护退出，其他保护变为正常值进入运行中的保护状态。因此正确判别电动机的起动过程非常重要，但以上都只能是对电动机的冷起动进行判断，对电动机的热起动不能判断。

现在电动机的保护配置中有一项是低电压保护，其目的就是在断电后跳开不重要电动机，保证重要电动机的热起动。如果不能正确判断电动机的热起动，会造成适得其反的效果:本来轻载电动机可以完成热起动的，但因为不能正确判断电动机在热起动中，其他保护没有改变，造成电动机跳闸;原本重载电动机不能完成热起动的，但因为不能正确判断电动机的热起动，长时间不跳闸，造成烧毁电动机的事故。据不完全统计，电动机的烧毁事故中相当多是由于电动机长时间过热运行造成的，其中很大一部分就是因为电动机的热起动烧毁的。

4 改进后电动机起动的判别方法

4．1 热起动判别

根据电动机在自起动过程中电压、电流变化的特点进行判断:从电源失电到备用电源投入这段时间内，电动机还在转动(转速低)，断路器位置为合位，电流不为零(大于某个值如0.2 A)，电压将会降低至60 V以下，后由于备用电源投入，电压会很快上升至80 V以上，电动机自起动开始，此时电流会持续增大。考虑实际情况最快300 ms内升至最大值(如果300 ms内电流升到最大值，认为电动机受影响不大)，对电流的平方进行总长300 ms间隔100 ms的积分，如果积分一直上升，则认为电动机为热起动开始，计时开始，在起动时间内进行正常的起动中堵转保护判别。在起动时间内如果出现电压低于80 V的现象则认为是系统振荡，电动机不再进行起动中堵转保护判别，如果电压一直持续大于80 V，经过整定时间后进行电流判别，如此时电流大于某个值则认为电动机起动超时，“起动超时保护”动作跳闸，如果此时电流小于某个值则认为电动机热起动成功，“起动结束标志”置1，电动机又处于正常状态运行。电动机热起动逻辑判别如图5所示。

图5 电动机热起动逻辑判别

4．2 电动机热起动判别分析

(1)电动机内部故障。如果是电动机内部短路故障，电压降低，电流增大，但电压不会上升:由60 V上升至80 V，不进行“起动超时保护”判别，保护不存在问题。

(2)系统振荡。如振荡周期大于450 ms，一个周期内电压不能由60 V上升至80 V，“起动超时保护”不会起动;振荡周期小于450 ms的话，一个周期内电压由60 V上升至80 V，但由于振荡周期小于450 ms，此时电流积分3次300 ms不可能一直增加，即使积分一直增加，但在整定时间内肯定会出现电压低于80 V的情况，“起动超时保护”返回，保护不会误动作。

(3)融合冷起动和热起动的综合判别。

①冷起动时不再判位置，只判电流变化由无流(小于某个值如0.2 A)开始增大;

②热起动时有电流先判电压变化:一个周期内电压由60 V上升至80 V，再判电流平方积分增大的变化;

③如果失电时间长，电流接近为零，备用电源投入后，电动机起动适用于冷起动判别，保护不会误动作。

电动机起动逻辑判别如图6所示。

图6 电动机起动逻辑判别

5 结语

本文通过对电动机起动方式及起动特性的分析，分别提出了电动机冷起动及热起动的保护方案;尤其是就电动机热起动时有残压残流的特点，通过对电压的突变和对电流平方积分的变化进行判断电动机的热起动，并提出了全新的起动保护方案，能够有效改善目前电动机起动中继电保护存在的问题，为工厂大型电动机的安全生产提供帮助。

［1］王维俭.电气主设备继电保护原理与应用［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［2］陈德树.继电保护原理［M］.北京:中国电力出版社，1989.

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

［4］唐介.电机与拖动［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［5］刘瑞潮，马坚.大型电动机的起动［J］.低压电器，2000，2(6):23-25.

［6］朱竹君，刘丽萍，王泽忠.大型电动机直接起动引起的局部电网电压波动［J］.现代电力，2000，2(6):23-25.

［7］卢庆港，解中秀.异步电动机热模型保护应用［J］.电力系统保护与控制，2009，8(28):107-109.

［8］张乃标.三相异步电动机起动方案选择［J］.枣庄学院学报，2010，2(25):98-101.

［9］刘高会，王朝霞，古卫婷.高压异步电动机微机保护的整定计算［J］. 电机技术，2007，1(2):48-49.

［10］刘新盈.低压智能综合保护装置电动机再/自起动技术探讨［J］.四川水力发电，2009，5(47):158-161.