电动机继电保护若干问题研究.docx

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电动机继电保护若干问题研究

电动机继电保护若干问题研究

内容摘要

电动机的保护是属于机电工程领域的一个研究课题。

电动机作为现代工业动力源的宠儿、机电一体化最完美的结合体，其保护问题长期困扰着继电保护专业人员和运行人员。

电动机是现代工业的动力源，对其进行可靠的有效的保护尤为重要。

本论文首先简单介绍了国内外继电保护发展状况，然后阐述了电动机基本继电保护及其配置，最后结合工作实际通过对电动机负序电流产生原因和对保护的影响进行分析，对高压电动机综合保护的定值整定方法进行了探讨。

关键词：

电动机；继电保护；负序电流；定值整定

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

内容摘要I

1绪论1

1.1电动机保护的发展状况1

1.2电动机继电保护装置的构成3

1.3对继电保护的基本要求3

1.3.1选择性3

1.3.2可靠性4

1.3.3灵敏性4

1.3.4快速性4

2电动机继电保护及其配置整定5

2.1电动机的故障及保护配置要求5

2.2电动机的低电压保护6

2.2.1低电压保护的作用6

2.2.2电动机低电压保护的基本要求及保护的动作原理7

2.3电动机的电流速断保护9

2.4电动机的差动保护10

2.5电动机的单相接地保护11

2.6电动机的速断保护12

2.7电动机的过负荷保护14

3高压电动机微机综合保护整定计算方法15

3.1综合保护整定计算中必须考虑的特殊问题15

3.2　主要保护单元的整定方法18

参考文献21

1绪论

大型电动机是电力系统等重要主产过程的关键辅助设备，由于保护技术落后，其烧损情况严重，对安全生产有着至关重要的影响。

电动机的保护是属于机电工程领域的一个研究课题。

电动机作为现代工业动力源的宠儿、机电一体化最完美的结合体，其保护问题长期困扰着继电保护专业人员和运行人员。

据不完全统计，我国每年由于电动机过载、不平衡、短路、缺相、接地等故障引起严重损坏的恶性事故达数百起，直接经济损失上亿元。

电动机内部故障的诊断与检测是实现电动机有效保护的关键问题，同时研究与开发一种性能优良的电动机智能保护装置将具有现实的意义。

自电动机出现以来，电动机保护经历了从以熔断器、接触器和热继电器构成的组合保护到微机式保护的发展历程。

随着现代电子工业的发展，一批新颖的电子模拟式多功能保护应用而生。

我国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型，其功能的设置基本满足低压电动机保护的要求，如过载保护、短路保护、断相保护和接地保护等，其原理大都是抽取三相电流经电压电流变换器取出电压信号，经整流滤波送至监幅电路。

此种保护原理是实现一般保护的最简单方式，但由于其判据不清，动作特性与电动机热曲线不协调及选用材料不当等原因造成拒动或误动，给运行人员带来了很大麻烦。

况且，严重的会烧毁电动机。

近年来，出现了以电流幅值、零序电流和负序电流等做为判据的保护方式。

在新形势下，对电动机的保护装置提出了具有测试、自控、故障诊断、受控、智能化自处理和联网等的要求。

1.1电动机保护的发展状况

电动机故障诊断和保护技术的发展可划分为保护理论的发展和保护器的发展。

从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代：

第一代是以传统的机电式继电器为主，包括：

熔断器、热继电器、电动机保护用自动开关及双金属片式温度继电器等。

熔断器是最古老、最简单、最廉价的保护电器。

它的主要缺点在于只适用于电动机的短路保护，而不能用于电动机的过载保护。

热继电器是利用电流流过热元件时的热效应引起双金属片弯曲使机构动作的。

其优点是结构简单、价格低廉、使用方便、有较好的反时限特性。

电动机保护用自动开关是一种具有过载和短路保护等保护功能的电动机保护装置，一定程度上可取代熔断器和热继电器的组合。

它最突出的特点是在进行短路保护时不会造成异步电动机的断相运行，并且分断后的停机时间短。

双金属片式温度继电器是一种埋置在电动机绕组中，直接反映电动机温度的保护装置。

从理论上讲，温度保护是提高电动机可靠性最直接、最有效的方法，对任何原因造成的绕组温度过高均能实现有效的保护。

因此，特别适用于由于通风不良、环境温度过高、起动次数过于频繁、变动或冲击性负载等原因引起的电动机过热保护。

但是，由于其体积较大，安装工艺比较复杂，动作缓慢、返回时间长，不适合在小型电动机中使用。

第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。

它包括电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。

电子式电动机保护装置是随着电子技术的迅速发展应运而生。

电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，基本上无可动部件（故称静止型），不存在机械误差和磨损。

因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较长，耐冲击和振动，整定简便。

但仍存在着扩展功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受到硬件的限制和电动机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。

电子式温度继电器是一种将温度传感器埋置于电机绕组内，借助于电子装置对电机绕组温度进行保护的一种电动机保护电器。

温度传感器多采用温度系数大、灵敏度高、体积小和具有明显的开关特性正温度系数（PTC）热敏电阻。

由于传感器安置在电动机内部温升较高的部位，直接反映电动机内部的温度。

因此，从理论上讲，电子式温度继电器可以保护由各种原因引起的绕组温度过高的电机。

另外，安装位置的复杂性（至今未见有绕组温度最高点的确切描述）、保护温度选择的不确定性和传感器维护的困难，使得其应用受到一定的限制[1]。

第三代是采用微处理器的智能型电动机保护器[2]。

进入80年代以来，微电子技术的发展和应用对电动机保护在原理上的概念更新、装置上的结构变革、性能上的完善、功能上的扩展等方面起着强大的推动作用。

微处理器技术进入电动机保护领域后，使基于微处理器的电动机保护装置具有了优异的保护特性、完善的功能扩展和智能化的监视与控制。

进入20世纪90年代以来，由于微机通讯技术和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护功能的智能化保护器。

它能与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络；也能监视电动机各种运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的运行参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策定以减少线路和设备的停机和维修时间。

大大提高了整个系统的可靠性。

1.2电动机继电保护装置的构成

任何一套保护都是由三部分组成：

（1）测量部分：

对输入量与整定值进行比较,根据比较结果，给出“是”、“非”性质的逻辑信号，判断保护是否应该起动。

（2）逻辑部分：

根据测量部分逻辑状态，使保护按一定逻辑关系工作。

（3）执行部分：

根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置承担的任务。

1.3对继电保护的基本要求

1.3.1选择性

仅将故障元件从电力系统中切除，保证停电范围最小。

在下图示网络中，当线路Ｌ1上Ｋ1点故障，保护1、2动作跳开断路器QF1、QF2，动作有选择性；当线路Ｌ4上Ｋ2点发生短路时，保护6动作跳开断路器QF6，将Ｌ4切除，继电保护的这种动作是有选择性的，若保护5动作于将QF5断开，这种动作是无选择性的。

如果Ｋ2点故障，而保护６或断路器QF6拒动，保护５动将断路器QF5断开，故障切除，这种情况虽然是越级跳闸，但却是尽量缩小了停电范围，限制了故障的发展，因而也认为是有选择性动作。

1.3.2可靠性

保护装置在规定的保护区内发生故障不拒动，区外故障不误动。

（该动作时不拒动、不该动作时不误动）

1.3.3灵敏性

保护装置对其保护区内发生故障或异常运行状态的反应能力。

一般用灵敏系数来表示。

过量保护：

Ksen=Ik.min/Iop

欠量保护：

Ksen=Ures.max/Uop

保护的灵敏系数应符合规程要求才能使用。

1.3.4快速性

快速地切除故障。

2电动机继电保护及其配置整定

2.1电动机的故障及保护配置要求

电动机的故障及不正常工作状态的类型：

电动机内部常见的故障是：

（1）定子绕组相间短路。

（2）定子绕组单相接地。

（3）定子绕组匝间短路。

电动机常见的不正常工作状态是：

（1）过负荷。

（2）电压消失或降低。

（3）同步电动机的异步状态。

电动机的保护配置及其要求

（1）相间短路装设过电流保护和纵差保护。

对1000V电压以下的电动机，容量大的使用自动空气开关，设专用保护或利用其脱扣器保护；容量小的用熔断器保护。

（2）为防止过负荷，装设过电流保护和热力保护。

（3）为防止单相接地装设零序电流保护。

（4）欠电压保护。

（5）同步电动机的失步保护。

相间短路会引起电动机的严重损坏，并造成供电网络电压的严重降低和破坏其他用电设备的正常工作。

因此，电动机应配置相间短路的保护装置，以便尽快地断开故障电动机。

单相接地时对电动机的危害性取决于供电网络中性点接地方式。

在380/220V三相四线制电网中，电源变压器中性点通常是接地的，这时单相接地故障可由保护相间故障的三相式保护装置来切除。

对3－10KV供电网络，一般均为不接地系统，因此单相接地时，只有全网络的电容电流流过故障点。

当接地电容电流大于5A时，在2000KW及以上的电动机上应配置接地保护；当接地电容电流大于10A时，在高压电动机上应配置接地保护，保护可以动作于跳闸。

电动机的不正常工作状态主要是过负荷运行，引起过负荷的原因是：

（1）电动机所带机械部分的过负荷。

（2）供电网络的电压或频率降低。

（3）熔断器一相熔断造成两相运行。

（4）延续时间很长起动和自起动等。

长时间的过负荷运行，将使电动机温升超过允许值，从而造成绝缘老化，甚至将电动机烧毁。

通常使用的电动机大部分都是中小型的，因此它们的保护装置应力求简单、可靠。

一般在低压、小容量电动机上广泛采用熔断器及自动空气开关的过流脱扣器作为相间短路保护，磁力起动器中的热继电在及自动空气开关中的热脱扣作为过负荷保护。

对容量较大的电动机才考虑装设专用的保护装置。

2.2电动机的低电压保护

2.2.1低电压保护的作用

（1）保护重要电动机的自起动

当电源电压降低时，系统中所有异步电动机的转速都要下降，同步电动机则可能失步，而当电压恢复正常时，大量电动机自起动并吸收较其额定电流大数倍的起动电流，以致供电电压恢复时间增长，增加了不必要的自起动时间，甚至使自起动难以顺利完成。

在这种情况下，为保证重要电动机的自起动完成，可将一部分不重要的电动机切除，使用户端供电电源电压尽快恢复。

为此，在一些不重要的电动机上装设低电压保护，其动作电压为0.6－0.7倍的额定电压。

在上述情况下，以0.5S时限将不重要的电动机切除，以保证重要电动机自起动的完成，延时0.5S的目的是躲过同母线上速断保护动作时间。

（2）将不允许或不需要自起动的电动机跳闸

当电源电压短时降低或短时中断后，根据要求对不允许或不需要自起动的电动机装设低电压保护，动作电压为0.4－0.5倍的额定电压，以0.5－1.5S的时限作用于跳闸。

（3）使因电源电压长时间消失后自起动有困难的电动机跳闸

在电源电压经较长时间消失后，自起动有困难的电动机装设低电压保护，当电压下降到0.5倍的额定电压下，持续时间超过4－10S时跳闸。

2.2.2电动机低电压保护的基本要求及保护的动作原理

电动机的低电压保护是当电动机的端电压降低到某一值时，将其从电网中自动脱离的一种保护装置，以保证重要电动机的自起动，因此低电压保护应满足以下几条基本要求：

（1）当电压互感器一次侧一相及两相断线或二次侧各相断线时，保护装置不应误动作，并发出断线信号，但在电压断线期间，恰好母线失去电压或电压下降到整定值时，保护装置仍应正确动作。

（2）当电压互感器一次侧隔离开关因误拉断开时，保护装置不应误动作，但必须发出信号。

0.5S和10S各个不同时间段的低电压保护的动作电压分别给予整定。

根据上述的要求可配置3－6KV电动机低电压保护，接线如图2-1所示。

图2-1电动机低电压保护接线图

图中电压继电器KV1、KV2及KV3作为次要电动机低电压保护0.5S跳闸之用，并兼作断线信号。

电压继电器KV4作为重要电动机低电压保护9S跳闸之用。

当电压消失或对称地下降至整定值以下时，KV1－KV3均动作，其动断触点动作（闭合）、动闭触点打开，通过中间继电器KM1的动断触点起动时间继电器KTM1，经0.5S延时跳开不重要的电动机。

若电压继续保持下降或消失的状态，KV4也动作，其触点起动时间继电器KTM2，经4－9S的延时跳开不允许自起动不能自起动的重要电动机。

当电压互感器一次侧一相断线或二次侧一相断线时，在KV1－KV3中相应的低电压继电器动作，但总有一个低电压继电器处于额定相电压的作用下，保持励磁状态，从而起动中间继电器KM1，发出电压回路断线信号，与此同时，KM1的动断触点打开，断开KM1、KM2起动回路，防止因电压回路断线而误将电动机跳闸。

低电压保护整定的要求为：

（1）低电压继电器KV4的动作电压一般取0.4－0.5倍的额定电压。

（2）低电压继电器KV1－KV3的动作电压应考虑在次要电动机被切除后，能保证重要电动机的自起动，一般取0.6－0.7倍的额定电压。

综上所述，电动机有众多类型的保护，但具体的保护配置应根据电动机不同的容量、要求等进行考虑。

现将3－10KV电动机保护的配置一般情况列于下表2-1给予参考。

表2-110KV电动机的保护装设

电动机容量（KW）

电流速断保护

差动保护

过负荷保护

单相接地保护

低电压保护

防止非同步冲击保护

异步＜2000

装设

电流速断保护不能满足要求时装设

生产过程中容易发生过负荷或起动自起动条件恶劣时应装设

单相接地电流＞5A时装设

装设

异步≥2000

装设

同步＜2000

装设

电流速断保护不能满足要求时装设

装设

同步≥2000

装设

装设

2.3电动机的电流速断保护

电流速断保护采用电流速断保护作为电动机相间故障的主要保护，为了保证在电动机本体以及电动机与断路器联接回路引线上发生故障时，保护装置均能动作，应尽可能将电流互感器安装在靠近断路器侧。

在小电流接地系统中，应采用电流回路两相式接线方式，当灵敏度能满足要求时，可以采用两相差电流接线方式。

在保护应用中，目前在数量上讲应用最广泛的是采用GL型感应式过电流继电器，因为它具有能速动动作跳闸亦具备动作时间随电流变化的工作特性。

当然采用静态型保护继电器或微机保护继电器，同样也是利用它们的反时限特性，其瞬时元件作用于跳闸，作为电动机的相间故障的快速保护。

反时限元件部分可作用于电动机过负荷保护与过电流保护，也可作用于跳闸以及减负荷或信号之类。

电动机电流速断保护的动作电流一般按以下原则整定：

（1）在电动机正常起动时，保护装置不应动作；

（2）对同步电动机来说，当外部故障时，电动机将送出短路电流，此时电动机速断保护不应动作。

为了满足以上条件，异步电动机电流速断装置的动作电流应按下式整定

Ikact＝*IAS（2.1）

其中，Krel为可靠系数（对于电磁型继电器取1.5－2.0；对GL型，取1.25－1.3）；

Ikact为电动机整定动作跳闸电流；

Kc为电流互感器接线系数；

Kfq为非周期分量影响系数（取1.8）；

nTA为电流互感器的变比；

IAS为电动机的起动电流（周期分量）。

保护装置的灵敏系数按下式来计算

Ksen＝I

（2）kminKc/nTAIkact（2.2）

式中I

（2）kmin――最小运行方式下，电动机出口两相短路电流。

要求最小灵敏系数应大于2（在具体计算中，Kc应考虑为1，不应取

）。

相差电流接线方式在此作一个说明：

1）当三相短路时及在正常带负荷情况下，IA、IB、IC三相电流在数值上相等，相位上相差120°，因此流入到电流继电器中的电流值Id为IA-IC＝

IA。

2）当AB、BC二相短路时，只有A相工C相电流互感器反应故障电流，因此流入电流继电器的电流只是反应A相或C相的电流互感器电流，即Id＝IA或IC。

3）当AC二相短路时，在AC二相中所流过的故障电流在流入电流互感器的回路中反应的是二相电流互感器的电流之和，因此流入继电器的电流Id＝2IA或2IC。

通过以上三个情况可见，二相差接线方式中在不同短路方式下流入继电器的电流不是一相电流互感器的二次侧电流的实际值而是有一个系数关系，即三相短路时为

；二相短路时分别为1或2。

我们将此关系用一个系数即接线系数表示，它的符号为KC。

引入了接线系数后，在计算灵敏度时应将接线系数用1代入而不应用

或2代入。

对于应用二相差接线方式，在继电保护接线中必须对电流互感器的极性特别引起注意，如果极性接反，必然导致继电保护拒动。

2.4电动机的差动保护

差动保护一般用于容量在2000KW及以上的电动机，对于容量小于2000KW者，如电流速断保护不能满足要求时，也可采用差动保护。

在小接地电流系统中，采用两相式接线并用两个BCH－2型差动继电器构成，保护装置动作于断路器跳闸。

差动保护所用的电流互感器的变比和型号应相同，且应满足10%误差曲线要求。

保护装置的动作电流按下式整定

Ikact＝*IN（2.3）

式中Krel――可靠系数（当采用BDH－2型差动继器时，取1.3）。

当采用BDH－2型差动继电器构成保护时，其短路线圈的抽头位置一般可整定在“3－3或4－4”位置（具体放置可按整定通知单执行）。

保护装置的灵敏系数为

Ksen＝I

（2）kmin/nTAIkact（2.4）

式中I

（2）kmin――最小运行方式下，电动机出口两相短路时的短路电流。

要求最小灵敏系数大于2。

在3～10KV系统中，电动机差动保护可采用两相两继电器式结线。

如图2-4所示，继电器KA可采用DL-11型电流继电器，也可以采用专门的差动继电器。

图2-2高压电动机纵联差动保护的接线（采用DL型继电器）

差动保护的动作电流Iop（d）应按躲过电动机额定电流IN.M来整定，整定计算公式为

Iop（d）=*IN.M（2.8）

式中，Krel为保护装置的可靠系数，对DL型继电器，取1.5～2

2.5电动机的单相接地保护

在小接地电流系统中的高压电动机，当容量小于2000KW而接地电容电流大于10A时，或容量大于2000KW而接地电容电流大于5A时，应装设单相接地保护，保护装置瞬时动作于断路器跳闸。

电动机单相接地的零序电流保护装置由零序电流互感器供给故障电流。

在正常运行中，三相电流对称零序电流为0，因此零序电流互感器没有电流输出。

当电动机回路发生单相接地时，在接地点的流经本电网系统中的总接地电流，此时零序电流互感器的电流输出，起动电流继电器而最终经过延时后动作于跳闸和信号。

但其他回路发生单相接地时，电动机回路只通过本身回路的接地电容电流Ikcnmax，此值一般由断路器到电动机之间的引线长度来决定。

其动作电流按大于本身的电容电流整定，即

Ikact＝*（3Ikcnmax）（2.5）

式中Krel――可靠系数，取4－5；

Ikact――继电器动作电流；

3Ikcnmax――外部发生故障时，由电动机本身产生的电容电流（流经保护装置的最大接地电容电流）。

保护装置的灵敏度可按下式进行计算

Ksen＝3Ikcmin/nTAIkact（2.6）

式中3Ikcmin――最小运行方式下，被保护电动机发生单相接地时，流过本保护装置TA一次侧的最小接地电容电流。

保护装置的最小灵敏系数应大于2。

2.6电动机的速断保护

采用电流速断保护的结线和动作电流的整定计算

一般采用两相-继电器式接线如图2-2。

如果要求保护灵敏度较高时，可采用两相两继电式接线如图2-3。

继电器为GL-15、25形式，可利用该继电器的速断装置（电磁元件）来实现电流速断保护。

图2-3两相-继电器式结线

图2-4两相两继电器结线

电流速断的动作电流（速断电流）Iqb，按躲过电动机的最大起动电流Ist.max来整定，整定计算的公式为

Iqb=*Ist.max（2.7）

式中，Krel为保护装置的可靠系数，采用DL型电流继电器时去1.4～1.6，采用GL型继电器时取1.8～2。

.

2.7电动机的过负荷保护

作为过负荷保护，一般可采用一相一继电器式结线。

但如果电动机装有电流速断保护时，可利用作为电流速断保护的GL型继电器的反时限过电流装置（感应元件）来时限过负荷保护。

过负荷保护的动作电流Iop（oL），按躲过电动机的额定电流IN.M来整定，整定计算的公式为

Iop（oL）=*IN.M（2.9）

式中，Krel为保护装置的可靠系数，对GL性继电器，去1.3；Kre为继电器的返回系数，一般为0.8.

过负荷保护的动作时间，应大于电动机起动所需的时间，一般取为10～60s。

对于起动困难的电动机，可按躲过实测的启动时间来整定。

3高压电动机微机综合保护整定计算方法

目前，在火电厂和其它工矿企业中，开始采用综合保护装置作为高压电动机的保护。

这种综合保护装置一般为微机型，其主要功能如下：

　　a．短路保护（即电流速断保护）：

由正序电流保护实现；

　　b．断相及反相保护：

由负序电流保护实现，为反时限特性；

　　c．接地保护：

采用零序电流互感器获取零序电流实现；

　　d．过热保护：

综合计及电动机的正序电流和负序电流的热效应，对电动机过载、启动时间过长和堵转提供保护。

并有热记忆功能，即过热保护跳闸后，不会立即启动，需等到电动机散热到允许启动时，才能再次启动；

　　e．电动机保护的定值，采用启动过程中的定值与正常运行时的定值独立设置的方式，既可以保证启动时不误动，又能保证正常运行时的保护灵敏度。

3.1综合保护整定计算中必须考虑的特殊问题

由于综合保护采用了负序电流来实现断相等保护功能，同时，速断保护是由正序电流实现的。

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。

3.1.1电动机负序电流产生的原因

3.1.1.1　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：

I2=U2/Z-≈U2/ZSC=UN/ZSC*U2/UN=IstU2/UN