高压电动机的微机继电保护实际应用与整定

李勇

【摘要】电动机作为石化行业重要动力设备，其保护配置尤为重要，通过电动机故障分析，结合我厂实际对保护分析和配置说明。

【关键词】高压电动机;继电保护;过流保护;热过负荷保护

The Practical Application and Setting of the Microcomputer Relay Protection of High-voltage Motor

CNOOC Dongfang Petrochemical LTD  Li Yong

Abstrac：Motor as an important power equipment of petrochemical industry，the protection configuration is particularly important，through the motor fault analysis，combined with the actual of my company analysis the description and protection configuration.

Key words：high-voltage motor;relay protection;over current protection;thermal overload protection

引言

电动机作为动力设备在石化行业生产中占有重要地位，它的故障不仅影响企业连续生产，还可引起重大安全事故。由于电动机常工作于高温、高湿、多灰尘等恶劣环境，容易出现堵转、短路、断相、长期过载使绝缘受损等故障。因此，为确保电动机的安全可靠运行以维持石化行业连续生产，电动机继电保护的配置尤为重要。

西门子公司Siprotec4系列保护装置采用统一的软硬件技术标准对模拟量、开关量等信号进行采集、处理、传输实现电动机保护、控制、数据监测、信号传输等功能，较常规保护具有快速、准确、可靠、故障率低、维护方便等特点。本文结合我厂所使用的西门子7SJ62系列保护装置对电动机保护配置、原理和整定方法简要说明。

1.电动机故障分析

电动机的保护结合电动机故障特征而设置，而电动机故障通过电气量来反应。对于异步电动机而言，其故障类型主要为机械故障和电气故障，其表现形式则为绕组损坏和轴承损坏。

根据电机启动与运行情况分析，可知造成电机绕组损坏情况有：

1）起动时，电源电压太低而不能顺利启动或者短时间内重复起动，电气量反应为电压值以及起动电流与时间;

2）运行时，绕组绝缘老化和损坏形成相间短路或对地短路，反应电气量为电流分量;机械故障造成电动机转子堵转，反应为电机运行电流;供电系统不平衡，反应为电流分量值。

造成电机轴承损坏的主要原因是长时间过负载运行、润滑造成磨损以及恶劣的工作环境。

根据绕组损坏原因可知其故障分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要有三相短路、堵转和对称过载等;不对称故障主要有断相、三相不平衡和单相接地或相间短路。

2.西门子电动机保护装置

电动机的微机保护主要通过采集电机模拟量以及开关状态来检测电机的启动与运行状态以实现绕组和轴承保护。

西门子7SJ62系列综合保护装置根据不同故障类型提供相应的保护功能。如表1所示：

表1

故障类型 保护功能 ANSI

定子热过负荷（运行期间） 热过负荷保护（有或无记忆特性） 49

转子热过负荷（起动过程）

1起动时间过长或堵转 电动机起动时间监视   48

2过于频繁 禁止再起动   66，49R

断相：电压不平衡 负序保护   46

轴承过负荷 温度传感器   38

接地故障 接地故障保护   50G，64G，67G

短路（2相或3相） 短路保护（I>）   51，87

起动转矩不足M≈U2，或起动时间过长 低电压保护 27

此外，西门子提供的DIGSI与SIGRA软件是电动机保护管理和故障分析的重要工具。

图1

3.电动机继电保护配置

正常时，三相电压、电流平衡，其矢量和为零。当发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、负序和零序三分量。在检测电压电流值同时结合负序零序值可更好的检测电动机运行状态和判断故障，快速实现电动机保护。主要原则是以过流信息反映短路、堵转以及过负荷故障，以负序和零序电流反映各类不对称短路和接地短路等故障，结合电压信息实现电动机启动保护等。保护配置以及原理、整定如下：

3.1 相过电流保护

相过电流保护主要分为定时限和反时限。定时限电流保护采用I段电流保护作为电流速断保护，为电动机的主保护，用于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障;II段电流保护用于电动机的堵转及起动时间过长。反时限电流保护用于电动机绕组内部短路的后备保护。

整定原则为：

电动机投运后50ms之内出现的极端启动电流，通常是启动电流的1.2陪左右，I段电流保护按躲过电动机启动瞬间的冲击电流整流，可靠系数取1.5。

II段限时速断，整定值按躲过电动机的启动电流整定，可靠系数取1.2～1.5。延时设置0.06-0.10s。

反时限过电流标准，国际上主要有IEC和IEEE两种标准，多采用IEC标准。根据反时限方程：

其中t为动作时间（秒），Tp为时间系数，I为运行电流实测值，Ip为起动整定值。

对于α、β的不同取值，决定了不同的反时限曲线特性。常用的四种IEC标准反时限特性曲线中α、β取值如表2所示：

表2

IEC标准反时限特性曲线常数

α β

Normal Inverse 0.02 0.14

Very Inverse 1.0 13.5

Extremely Inverse 2.0 80

Long Inverse 1.0 120

电动机反时限保护通常采用“标准反时限”或“长反时限”特性。长反时限曲线时其方程可简化为：

Ip电流起动值按照1.2倍的额定电流，延迟时间以躲过最长启动时间整定。

3.2 热过负荷保护

热模型的过负荷保护，作为电动机过负荷运行的异常保护，防止电动机长时间过负荷运行造成定子部分过热而损坏，常设置报警和跳闸两种形式。

西门子7SJ62系列热过负荷保护基于单体设备发热模型设定。其基本原理是根据实际运行电流对比40℃环境温度下最大允许持续工作电流，以及实际运行温度与最大允许温度之比，组合成微分方程。保护动作时间在考虑设备散热的影响同时也考虑事故前的负荷电流。

其电流启动门槛以电动机允许最大的负荷电流整定，一般取1.1倍的额定电流。

3.3 堵转保护

当电动机负载转矩增加时，将使得转速变慢，定子电流增大。西门子7JS62系列保护装置的堵转保护基于正序电流分量的计算，连续监视电动机的运行工况。当正序电流突然超过设定值时，则延时报警或跳闸。在电动机启动期间，堵转保护是处于闭锁状态。

整定原则：报警值按1.5倍电动机额定电流整定，延时2.0s报警;跳闸值按2.0倍额定电流整定，延时1.0s跳闸。

3.4 负序电流保护

负序电流保护用于保护电动机的逆相序或缺相，反应电动机各类非接地性不对称故障，如断相、三相不平衡和相间短路等。可分两段保护应用：

1）作为短路故障的后备保护，动作门槛取值为40%～60%的额定电流，延时躲过10kV故障时提供的短路电流的时间。

2）作为电动机缺相运行时的保护，负序电流启动门槛一般取值为15%的额定电流，延时躲过电网非对称短路时的最长延时。

此外由于1%的电压不平衡会引起6%的电流不平衡。即使在正常运行时，由于实际供电电源总存在一定的不对称，整定时应考虑躲过此不平衡因素。

3.5 零序电流保护

针对接地性短路故障而设置。我厂10kV系统为中性点非线性电阻接地系统方式。接地保护由微机保护装置7SJ62的IE接入零序CT电流，以单相过电流保护方式实现。

根据相关规程，只要大于5A的接地电流情况，高压电动机作为动设备均应动作于跳闸。

整定时既应系统接地方式同时，也需考虑石化企业“一开一备”运行特点。

3.6 启动监视保护

为防止电动机出现启动时间过长或发生堵转时，大电流使得电动机定子绕组温度升高造成损坏，同时启动转矩将对轴承造成损坏。

整定原则为：按2.5倍额定电流整定监视门槛值，最长运行启动时间按如下公式整定：

式中，I为实际电流值，Ist，Tst为启动门槛值。

3.7 低电压保护

作为避免电网异常低电压时造成电动机损伤，同时还作为电网故障恢复时，切除不重要负荷的手段。整定原则为：

普通电动机：取额定电压的65%，时间0.5s。

重要电动机：额定电压的40～50%，时间5.0s。

极重要电动机：额定电压的30～40%，时间9.0s。

整定值如表3所示：

表3

保护功能 整定值 时间值（s）

瞬时过电流I>>> 1.5*1.2*7*In 0

短时过电流I>> （1.2～1.5）*7*In 0.06～0.1

反时限Ip 1.2In -

热过负荷保护θ> 1.1In -

堵转保护I1> 报警 1.5In 2.0

跳闸 2.0In 1.0

负序电流保护I2> 短路故障 40%～60%In 1.0

缺相异常 15%In 4.0

零序电流I0> 报警 5.0A（一次值） 0.3

跳闸 50.0A（一次值） 0

启动监视 2.5In -

低电压保护U< 普通电动机 65%Un 0.5

重要电动机 40～50%Un 5.0

极重要电动机 30～40%Un 9.0

4.实际应用

结合上述电动机保护原理、配置以及整定原则，对我厂某一高压电机进行相关配置。

某原油泵为Y型联接的高压电动机，型号为YBXn4007-2WTHF1，主要参数为：

额定电压10kV;额定功率355kW;额定电流24.3A;堵转电流倍数7.0;起动时间7s;CT变比75/1。

过流保护：

采用多段过流保护，在满足保护速动要求下，区别各种故障类型。保护配置原理如图2所示：

图2 保护配置原理图

（1）速断电流保护I>>>段

定值按躲过电动机启动瞬间的冲击电流整定。

灵敏度校验：以电动机端两相短路电流效验：

动作时限

（2）定时限过流保护I>>段

定值按躲过电机启动电流整定。

动作时限

（3）反时限过流保护IP段

定值按躲过最长启动时间的要求整定。

取T=0.37s

其他电机保护按照上述方法进行计算配置。

5.结论

高压电机作为石化厂重要动力设备，其保护配置和定值整定是否合理直接关系到设备稳定运行以及工厂生产连续性以及工厂效益。根据电动机可能出现故障类型进行相应的保护配置，微机保护装置较传统保护提供了较为完善的保护方案。实际表明，微机保护装置在保护电动机平稳运行的同时，可提供更为方便和广泛的应用。而合理配置保护方案已经准确计算保护定值，对高压电动机乃至全厂生产均有重要意义。

参考文献

[1]彭年仔，李国利，陈希炜.西门子高压异步电动机保护原理与应用[J].技术与应用，2011.

[2]李璇华，黄益庄，唐晓泉，张楠.电动机故障分析和综合保护配置[J].继电器，2001.

[3]吴辉斌.高压电动机的微机继电保护[J].电气应用，2005.