高压电动机综合保护整定计算方法的探讨Word下载.docx

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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＝0．05UN，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＝0．3S。

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）

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0．8IN即可。

c．动作时间τ2

　　负序电流保护的反时限特性如下：

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0．5S。

　　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0．5S）跳闸，因此可按t′＝0．5S重新进行校验；

对于要求自启动的电动机及按t′＝0．5S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。

浅谈异步电动机微机保护装置故障电流的整定

【摘 

要】文章分析了三相异步电动机故障电流的特征，并通过检测电动机的过电流程度，实现短路速断保护，并采用等效电流的方法准确计算电动机的过负荷特性，实现堵转、过载不平衡运行的反时限保护。

　　【关键词】异步电动机；

故障电流；

保护；

整定

一、概述

　　目前，国内用于电动机保护的电器品种很多，形式多种多样，其保护原理主要分为两类：

一类为取温度信号的保护类型；

另一类为取电流信号的保护类型，电流信号的保护类型比较常用。

　　二、三相异步电动机的故障电流特征

　　异步电动机的故障可分为对称性故障和不对称性故障。

　　1．对称故障（过载，堵转，三相短路等）。

其特征是三相电流主要为正序电流，这类故障对电动机的损害可以通过过流程度来反映，当电动机对称过载时，电流一般在1.2～5倍的额定电流；

堵转情况下，电流的大小近于电动机的起动电流，一般在5～7倍的额定电流，三相短路时电流大约为8～12倍的额定电流。

　　2．不对称故障（断相，不平衡运行，两相短路等）。

往往并不出现高倍的过电流，以检测电动机过流信号为基础的保护这类故障往往不太有效，根据对称分量法，当电动机发生各类不对称故障时，除了会影响过电流外，还会出现负序及零序电流分量，这两个分量在正常运行时很小或基本为零。

　　下表为应有用对称分量法分析异步电动机各类常见故障的各序电流分布情况。

注：

单相故障假设A相为故障相：

二相故障假设B，C相为故障相；

I0表示故障前电流幅值，∑I=Ia+Ib+Ic。

异步电动机发生各类不对称故障时，输出功率、输出转矩减少，总损耗增加，为了维持实际输出功率或输出转矩，势必要增大转差率S，这就使电动机电流进一步增大。

对异步电动机，转子对负序电流和正序电流所表现的电阻之比为：

KR=R2/R2

（1）=（1.25～6） 

（1）

　　转子损耗（主要是铜耗）与其电阻成正比，故数值相同的负序电流的损耗近似于正序电流的损耗的KR倍，对电动机的定子绕组而言，由于正序，负序阻抗相等，故数值相同的正序电流和负序电流产生的定子铜耗相同，若不考虑负序电流的热效应，在某些故障情况下，可能有时定子过流不是很大，但转子温度却已达到危险值，所以，为了对电动机提供更为全面，准确的保护，本文提出采用等效电流的方法，分别求出电动机电流的正序分量和负序分量，然后把负序电流的热效应扩大K2倍，求得一个等效电流，用这个等效电流作为电动机过负荷保护的计算电流，等效电流计算方法为：

Ig=√（I12+K2I22） 

（2）

　　式中Ig———等效电流；

I1———正序电流分量；

K2=（3～6）；

I2———负序电流分量。

　　三、三相异步电动机的保护电流整定计算

　　由上述分析可知，三相异步电动机的负序、零序电流分量及过流程度的不同组合关系与电动机的故障之间具有很好的对应关系，而且，基于电动机的过流、负序和零序电流的故障特征，基本上覆盖了电动机的常见故障。

　　1．过负荷保护。

过负荷保护主要针对的是过载情况，依据的是电动机的允许过负荷特性。

电动机的允许过负荷特性是指其过负荷量与允许过负荷之间的关系，是由电动机的发热时间常数和过负荷量决定的，电动机的允许过负荷时间可表示为：

tg=K*T／（（Ig／Is）2-1） 

Ig—等效电流

　　Is———基准电流，一般取Is=1.15Ie。

　　K*T———发热时间常数。

对于不同的电动机K*T值不同，主要与电动机自身材料、结构、环境等因素有关。

K*T系数的联取值可依据电动机的起动电流倍数和起动时间来选择，一般在150～2400之间，通过改变K*T的值，可以较好地拟合电动机的实际保护特性。

　　2．三相短路、堵转保护。

这类保护的判据是过流信号，当出现短路故障时，故障电流一般在（8～12）Ie，为了减轻电动机的损坏程度，特别是为了防止事故范围的扩大和电力系统的影响，必须设置短路保护。

短路保护采用速断方法，短路保护的整定原则是躲过电动机的起动电流 

（下转第110页） 

（上接第111页）（5～7）Ie，一般整定在（8～10）Ie。

　　当电动机出现堵转故障时，其电流接近电动机的起动电流，堵转有别于电动机的起动状况，在起动状况下，电动机的起动电流一般随起动时间逐渐减少，而发生堵转时，电动机的电流一般是呈上升趋势，电动机处于堵转状态下，允许的时间很短，堵转保护采用短时限保护。

　　3．负序保护。

在正常运行时，负序电流很小或基本为零，一旦出现较大幅值的负序电流，一定是发生了不对称故障。

在实际运行中，供电电源总存在着某种程度的不对称。

由供电电压不对称引起的负序电流值取决于电动机的负序阻抗的比值，此比值大致是额定电流与起动电流之比，按国家有关规程，供电电压不对称程度要求小于5%，电动机的起动电流一般在（5～7）Ie，取起动电流的6倍额定电流，则负序电流的整定值可这样确定：

I2dn=Kk30%I1

Kk—可靠系数，可以取1.0～1.2。

　　当电动机一定且负荷率一定时，根据检测到的负序电流值的大小，可对不平衡故障进行判断。

负序电流I2=I0／√3时，为断相（I0为故障前电动机电流），采用速断保护；

I≈I0时，为逆相，采用速断保护；

I0／√3＜I2＜30%I1时，为不平衡运行或匝间短路，采用反时限保护。

　　4．零序保护。

对于供电电源接地系统，一旦发生接地故障，一般零序电流的幅值都很大，容易整定，对于供电电源不接地系统，当某一线路发生接地时，非故障线路上流过保护的零序电流为本身的对地电容电流，因此，为了保证动作的可靠性，零序保护的整定电流应大于本线路的对地电容电流，即

Idz=Kk3UфωC0 

C0———被保护电动机的对地电容；

Kk———可靠系数1.2～1.5

　　四、微机异步电动机保护装置

　　保护装置取电动机的三相电流信号，经IV变换电路将电流信号变为电压信号，再经低通滤波器滤过高次谐波，改善电流信号波形，然后经过程控放大器送A／D转换。

电动机的正常电流和故障电流往往相差N倍甚至十N倍，采用程控放大器目的是提高转换精度。

模数转换结果送入单片机最小系统，存放在RAM内供分析计算。

键盘、显示器是装置的人机接口部件，保护定值等参数通过面板上的按键输入，保护动作的情况和故障信息通过面板上的数码管和指示灯输出。

时钟采用MC146818时钟芯片，可实时地记录下故障发生的时间，MC146818接有后备电池，系统掉电后无需重新设置，内部有50字节的通用RAM，用于寄存电动机的保护定值等参数，从而使这些参数具有掉电保护功能。

　　五、结论

　　本文讨论了通过检测电动机的过电流程度，实现短路速断保护，采用等效电流的方法计算电动机的过负荷特性，实现堵转、过载不平衡运行的反时限保护。