三相異步電動機定子繞組過負荷的保護配置及定值設(shè)置

以電動機過負荷保護動作造成機組停運事件為例，分析現(xiàn)場普遍存在的電動機過負荷保護偏重保護電動機安全，未充分釋放電動機過負荷能力，對系統(tǒng)造成的危害。研究電動機過負荷保護配置及過負荷保護定值設(shè)置，提出改進建議及有效措施，在保證電動機安全的基礎(chǔ)上，防止重要電動機過早切除導(dǎo)致經(jīng)濟損失。

1三相異步電動機定子繞組過負荷的原因及危害

導(dǎo)致三相異步電動機定子繞組過負荷的原因是多方面的：一是電動機實際負載增加，如過度加載導(dǎo)致電動機超額定電流運行，或軸承損壞等設(shè)備異常導(dǎo)致負載增加；二是電源異常導(dǎo)致電動機超額定電流運行，電壓、頻率降低等。長時間的定子繞組過負荷，主要的危害是導(dǎo)致定子繞組線圈過熱、絕緣受損、電動機損壞。定子線圈的溫升與過電流倍數(shù)及過電流持續(xù)時間有關(guān)，過電流倍數(shù)越大則溫升速率越大，過電流持續(xù)時間越長則線圈溫升越高。電動機的過負荷保護定值應(yīng)根據(jù)這一特性設(shè)定。

2常規(guī)三相異步電動機定子繞組過負荷的保護配置及定值選取

GB/T14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》及DL/T5153-2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》對高壓電動機過負荷保護的配置要求：對于運行過程中易發(fā)生過負荷的電動機，保護應(yīng)根據(jù)負荷特性，帶時限動作于信號或跳閘；對于啟動或自啟動困難，需要防止啟動或自啟動時間過長的電動機，保護動作于跳閘。

目前，針對電動機定子繞組過負荷，微機型電動機綜合保護通常配置長啟動保護、堵轉(zhuǎn)保護、過負荷保護。其中長啟動保護用于保護電動機啟動困難，或啟動時間過長工況，采用定時限，電流動作定值取1.5-~2.0倍電動機額定電流，動作時間按躲過電動機正常啟動時間整定，動作于跳閘。堵轉(zhuǎn)保護用于保護電動機運行中堵轉(zhuǎn)工況，采用定時限，電流動作定值取1.3~2.0倍電動機額定電流，動作時間按躲過電動機啟動或自啟動時間整定，動作于跳閘。過負荷保護定值按躲過電動機額定電流計算，動作時間按躲過啟動時間整定，動作于信號或跳閘。

3定子繞組過負荷保護動作案例分析

下面介紹3起電動機過負荷保護動作引起的機組非計劃停運事件，事件造成直接、間接經(jīng)濟損失超過100萬元。

（1）案例1：某600MW火電機組增壓風機過負荷跳閘導(dǎo)致機組非停。2017年2月21日，某600MW火電機組按調(diào)度曲線加載負荷。當日9：19，機組負荷達到489.7MW，增壓風機電流為568.2A，指令為86%；當日9：45:41，機組負荷達到500MW，增壓風機電流指令為100%，過負荷保護動作，動作電流為696A，增壓風機跳閘，鍋爐MFT動作。

（2）案例2：某600MW火電機組凝結(jié)水泵變頻器過負荷跳閘導(dǎo)致機組非停。2016年12月17日，某600MW火電機組Ａ凝結(jié)水泵變頻器運行，B凝結(jié)水泵備用，機組負荷為463.07MW。當日12：30，運行操作Ａ凝結(jié)水泵變頻器增負荷；當日12:31:11，變頻器輸出指令為93.41%，輸出電流為178.23Ａ，21ｓ后，變頻器輸出指令為99.71%，輸出電流為207.22AＡ并維持穩(wěn)定；當日12:33:15，變頻器過載保護動作跳閘，Ｂ泵聯(lián)啟不成功，機組因凝結(jié)水失去而被迫停運。

（3）案例3：某300MW火電機組引風機跳閘導(dǎo)致機組非停。2013年9月25日，某300MW火電機組電負荷為260.9MW。當日4:28:42，Ｂ引風機因軸承溫度高而跳閘，機組ＲＢ動作，4A引風機動葉指令由55.4%上升到100%，４Ａ引風機電流由165.2A升高到482，過流保護動作，2臺引風機全停，觸發(fā)鍋爐ＭＦＴ。對案例中電動機過負荷情況、電動機定子線圈溫升情況、電動機過負荷保護定值整定情況進行統(tǒng)計分析，見表1。

表１ 電動機過負荷及定子線圈溫度統(tǒng)計

案例1、案例2均為電動機加載過程導(dǎo)致電動機過負荷，案例3為B引風機跳閘導(dǎo)致4A引風機過載?，F(xiàn)場所用電動機的絕緣耐熱等級為F級，溫升按B級考核，即電動機的允許溫度為130℃，繞組溫升限值為80K。由表1可知，3臺電動機跳閘時的定子線圈溫度都遠未達到電動機線圈溫度限值。案例中，電動機過負荷保護定值的取值原則均符合DL/T 1502-2016《廠用電繼電保護整定計算導(dǎo)則》的要求，跳閘時電動機的定子線圈溫度均在電動機正常允許范圍內(nèi)，定子線圈的溫升也在安全范圍內(nèi)，遠未達到電動機的過負荷能力限值。

4 三相異步電動機定子繞組過負荷的保護配置及定值設(shè)置建議

現(xiàn)有規(guī)程在電動機過負荷保護定值選取中，多考慮保護電動機安全，未充分考慮負荷特性和釋放電動機本身的過負荷能力。為此，應(yīng)合理設(shè)置電動機加載速率，在控制系統(tǒng)中設(shè)置適當?shù)南拗浦?，這是防止電動機過流、過載的根本措施。但是，系統(tǒng)需求或系統(tǒng)工況復(fù)雜，導(dǎo)致的電動機過負荷情況不一定能完全避免，因此在電動機保護配置及定值計算時，除需考慮軸承損壞導(dǎo)致過負荷等電動機自身原因外，還要考慮系統(tǒng)或負載原因?qū)е碌碾妱訖C過負荷。系統(tǒng)中某些重要電動機，一旦跳閘將直接導(dǎo)致機組非停，經(jīng)濟損失巨大，因此針對重要電動機的過負荷保護配置及定值選取，提出以下改進建議。

4.1應(yīng)充分考慮電動機負荷特性及在系統(tǒng)中的地位，按二段原則配置電動機過負荷保護

應(yīng)充分考慮電動機負荷特性及其在系統(tǒng)中的地位，重要電動機的過負荷保護按二段配置，一段保護動作于信號，提醒運行人員注意，另一段保護出口跳閘。在保證電動機安全的前提下，盡量放開電動機的過負荷能力，延遲另一段保護出口跳閘的時間，給運行人員爭取調(diào)整的時間，避免機組非停，減少損失。

定子繞組過負荷一段保護定值可取1.05倍電動機額定電流，動作時間可適當取短，按躲過電源波動整定，可取3~5ｓ，保護動作于信號。信號應(yīng)上傳至主控室，提醒運行人員注意并及時做出調(diào)整。

定子繞組過負荷另一斷保護可采用定時限或反時限動作曲線，按躲過定子繞組過負荷能力整定，動作于跳閘。反時限動作曲線貼近電動機定子繞組的過負荷能力，簡單的電動機運行期間過載保護動作模型：

式中，ｔ為保護動作時間；τ為電動機定子線圈熱容量系數(shù)；Ｉ*為以電動機額定電流為基準的標幺值；Ksr為散熱系數(shù)，可取1.05~1.1。

動作曲線的啟動門檻可取1.05~1.1倍電動機額定電流，熱容量系數(shù)τ的取值應(yīng)由電動機廠提供，或參照導(dǎo)則，根據(jù)電動機的熱限曲線、過負荷能力、允許堵轉(zhuǎn)電流及時間或啟動電流下的定子溫升進行估算。

定子繞組過負荷若按定時限保護配置，則保護電流動作值可按1.5~2.2倍電動機額定電流整定，動作時間按躲過電動機廠家提供的電動機過負荷能力整定，保護動作于跳閘。

4.2 優(yōu)化電動機過負荷保護邏輯，增設(shè)定子繞組溫度輔助判據(jù)

為保證電動機的安全，可在電流型電動機過負荷保護的基礎(chǔ)上，引入電動機定子線圈的溫度作為輔助判據(jù)。當電動機過負荷保護動作，且電動機定子線圈溫度超過限值時，保護出口跳閘。

4.3配置電動機熱過載保護并合理設(shè)置保護定值

微機電動機綜合保護通常配置電動機熱過載保護。熱過載保護的模型，綜合考慮了電動機正序電流及負序電流對電動機發(fā)熱的不同影響，以及電機冷態(tài)、熱態(tài)、散熱等工況。應(yīng)根據(jù)電動機廠家提供的電動機熱限曲線或過負荷能力，合理設(shè)置電動機熱過載保護定值并投入運行，是對電動機過負荷的有效保護手段。

5安科瑞智能電動機保護器介紹

5.1產(chǎn)品介紹

智能電動機保護器（以下簡稱保護器），采用單片機技術(shù)，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

5.2技術(shù)參數(shù)

5.2.1數(shù)字式電動機保護器

5.2.2模塊式電動機保護器

5.3產(chǎn)品選型

說明：“√”表示具備，“■”表示可選。

6結(jié)束語

重要電動機的過負荷保護應(yīng)充分考慮電動機負荷特性，充分釋放電動機過負荷能力，按躲過電動機過負荷能力整定，不宜太靈敏。電動機的過負荷保護按二段配置，一段發(fā)信號，信號應(yīng)發(fā)至主控室提醒運行人員及時調(diào)整；另一段動作于跳閘，跳閘段定值按躲過電動機過負荷能力整定。反時限動作曲線貼近電動機定子繞組的過負荷能力，采用反時限動作曲線可為電動機提供合理的保護，同時可將電動機定子繞組溫度作為電動機過負荷的輔助判據(jù)，兩者均滿足條件時啟動跳閘。投入并合理設(shè)置電動機熱過載保護是保護電動機過負荷的有效手段。

責任編輯：tzh