异步电动机堵转保护整定探讨

王 旅

（湖北华电襄阳发电有限公司，湖北 襄阳 441041）



异步电动机堵转保护整定探讨

王 旅

（湖北华电襄阳发电有限公司，湖北 襄阳 441041）

主要从保护原理、动作判据、负载率、运行维护等方面，探讨了6kV异步电动机堵转保护的整定原则。

异步电动机；堵转保护；整定

发电厂中，6kV异步电动机（以下简称电动机）一般配置有高性能微机综合保护装置，实现过流、接地、堵转、过热等保护功能。堵转保护中“堵转”的含义，不同于文献［1］中“堵转”的含义，后者是指电动机出厂试验时，将转子堵住不转动（转差率S=1.0），前者是指电动机运行中（含起动阶段），因机械原因导致转速下降到额定转速以下，造成堵转的原因有机械负载卡涩、动静部分摩擦等。

电动机堵转分起动时堵转和运行中堵转，两种堵转工况由不同保护功能实现。以北京四方公司生产的CSC-237A综合保护为例，该装置配置有起动超时保护和堵转保护，起动超时保护反应电动机起动时堵转工况，堵转保护反应电动机运行中堵转工况。起动超时保护原理如下：电动机起动时，在起动时间（可整定）到达后，若定子电流I1降不到1.2IN以下，则判为电动机堵转，起动超时保护动作跳开电动机，IN为电动机额定电流。起动超时保护在实际运行中非常有用，浆液循环泵内浆液凝固、风机蜗壳带水、循环水泵出口蝶阀卡涩均能可靠正确地反应。运行中堵转工况由堵转保护实现，该保护在电动机起动过程中退出，起动结束后自动投入，堵转保护即运行中过电流保护。以下将着重讨论运行中堵转保护的整定原则。

1 堵转保护动作判据

电动机稳定运行时，负载转矩TL等于输出转矩T2，输出功率 P2∝T2×n=TL×n，n为电动机转速。当 TL达到额定转矩 TN时，输出功率和定子电流分别达到额定功率PN和额定电流IN，转速n亦降至额定转速nN。因此，运行人员通过监视定子电流的大小，可以大致判断电动机的负载率［4］。当TL＞TN或P2＞PN时，电动机呈现堵转运行工况，定子电流将超过额定电流，同时转速低于额定转速，定子电流随负载转矩或输出功率增大而增大，二者不存在线性关系。综上所述，堵转保护可用定子电流和转速作为动作判据，二者构成“与”逻辑关系，文献［3］亦推荐堵转保护引入转速开关触点信号。

2 正常运行时电动机的负载率

某 600MW机组满负荷运行时，与机组负荷有关的部分电动机输入功率P1见表1由CSC-237A综合保护装置计算，从电气监控系统（ECS）后台直接读出，6kV厂用母线电压U基本稳定，cosφ在额定工况附近时基本不变。表1同时给出了ΔP0和ηN两个参数，ΔP0为电动机空载有功损耗，ηN为电动机额定效率，ΔP0和ηN可从电动机出厂资料中获得。额定负载时的有功损耗ΔP0=（1-ηN）PN/ηN，负载率β 计算公式如下［4］：

从表1可以看出，机组满负荷运行时，风机类负载率不超过50%，水泵类负载率可达85%，负载率β 与设计裕度、工作介质、调节方式（动叶调节或静叶调节）、驱动方式（单轴拖动或多轴拖动）等因素有关。

表1　电动机运行时的负载率

3 堵转保护增加转速信号的可行性

电动机额定工况下运行时，额定转差率 SN= （ns-nN）/ns，ns为同步转速。文献［5］给出了最大电磁转矩所对应的临界转差率Sm较准确计算公式：

式中，Tmax为最大电磁转矩，Km为最大转矩倍数，其值可从电动机出厂资料中获得，Sm用试凑法求得。依据《电机学》理论，0＜S＜Sm属于电动机稳定运行区，其中，0＜S＜SN属于正常运行区，SN＜S＜Sm属堵转运行区。表2给出了表1电动机nN、ns、Km等参数及SN和Sm计算值，nN和ns单位为r/min。

表2　堵转运行区转速变化区间

从表2可以看出，电动机堵转运行时，其转速偏离额定转速并不远，尤其是低负载率的风机。如在电动机基座上安装一套高精度的转速测量装置，将其开关量或模拟量输出送至数百米之外的综合保护装置内，很不现实。另外，电动机大多露天布置，运行环境中的粉尘、水汽、油污等，将直接影响转速测量装置的工作性能。因此，从设备维护角度考虑，堵转保护加装转速信号不切实际，目前国内知名保护厂家，其综合保护装置均未提供转速开关接口，堵转保护仅用定子电流作为动作判据。

4 整定堵转保护需考虑的因素

4.1电流定值不宜整定过高

依据电动机功率平衡式，输出功率 P2= （1-S）Pem-Pfw-Ps，Pem为定子传递给转子的电磁功率，Pfw为风摩耗，Ps为附加损耗，Pem∝Tem×ns。电动机在堵转工况下运行时，转差率S变化不大（由SN增大至Sm），Pfw与负载无关，Ps在输入功率变化不大的情况下基本不变，P2随电磁转矩 Tem增大而增大。当Tem达到最大值Tmax时（对应于转差率Sm），P2亦达到输出功率的最大值。

当 P2达到最大值时，输入功率 P1以及定子电流也达到最大值，该最大定子电流与电动机参数和负载性能有关。若电流定值整定得大于该最大定子电流，电动机已进入不稳定运行区，保护定值没有意义。

4.2正常运行时的最大负载率和负载系统的拖动方式

对于同样的损坏程度，负载率越低的电动机，其所需的负载转矩就越小，对应的定子电流就越小。带有减速机和液力偶合器的多轴拖动系统，很容易因为机械原因造成电动机堵转，普通的单轴拖动系统则不容易过负荷。

4.3应充分发挥电动机较强的过负荷能力

文献［2］对电动机偶然过电流规定如下：额定输出在315kW及以下和额定电压在1kV及以下的多相电动机，应能承受1.5倍额定电流，历时不小于2min的偶然过电流。对于6kV电动机，则没作规定。6kV电动机特别是大功率电动机（如本例引风机），故障后修理难度大，订货周期长，建议其偶然过电流时间按0.8×2min≈100s考虑。

5 堵转保护建议整定原则

单轴拖动采用动叶调节的风机类负载，如锅炉引风机和送风机，正常运行时压头低风量大，负载率较低，堵转电流定值可整定为1.5IN，堵转延时整定为100s。单轴拖动的水泵类负载，以及采用静叶调节的风机类负载，如采用热风送粉的一次风机，正常运行时负载率虽高，但因其额定功率按最大工况设计，堵转电流定值也可整定为1.5IN，堵转延时整定为100s。

输煤皮带、钢球磨煤机等采用减速机拖动（多轴拖动系统），正常运行时负载率高，且容易过负荷（堵煤或减速机故障），堵转电流定值可整定为2.0IN。电动机在堵转运行区内，转速变化不大，散热情况与正常运行时接近，如将电动机本体看成一个绝热体（与外界无热交换），2.0IN下允许运行时间大致为 1.52×100/22≈60s。电动给水泵和氧化风机可参照输煤皮带整定，前者带有液力偶合器，后者采用多级压缩，运行经验表明，上述设备容易过负荷。

6 运行中需注意的问题

堵转保护采用定时限特性，堵转电流定值对应于某一堵转转矩或堵转功率，当输出功率P2介于额定功率和堵转功率之间时，堵转保护将不能起动。针对上述堵转工况，除常规电流监视外，还应通过过负荷保护告警，及时提醒运行人员采取措施，避免设备进一步损坏。过负荷保护动作电流Iop可按躲过电动机额定电流 IN整定，Iop=Krel/Kr×IN≈1.17IN，可靠系数Krel=1.05，返回系数Kr=0.9。

7 结论

应根据负载的性质和拖动方式，来确定堵转保护的整定原则。

［1］GB/T 1032—2012. 三相异步电动机试验方法［S］.

［2］GB 755—2008. 旋转电机 定额和性能［S］.

［3］GB/T 14598.303—2011. 数字式电动机综合保护装置通用技术条件［S］.

［4］周鄂. GB/T 12497—2006东南大学. 电机学［K］［S］.

Study on Locked-Rotor Protection Setting of Asynchronous Motor

Wang Lv
（Hubei Huadian Xiangyang Power Generation Co.，Ltd，Xiangyang，Hubei 441041）

Study on locked-rotor protection setting principles of 6kV asynchronous motor，from protection principle、operating component、load coefficient、operation and maintenance and so on.

asynchronous motor； locked-rotor protection； setting

王 旅（1970-），男，湖北松滋人，本科，工程师，主要从事电气二次专业技术管理工作。