西門子高壓異步電動機保護原理與應用

彭年仔 李國利 陳希煒

（1.上海石油天然氣有限公司天然氣處理廠，上海 201304；

2.中國石油天然氣股份公司廣西石化公司，廣西 欽州 535008；

3.上海威能電力科技有限公司，上海 200030）

1 引言

電動機是當今工業生產的主要驅動設備。其中，高壓異步電機因具有結構簡單、性能穩定及維護簡單等優點而得到廣泛應用，但高壓異步電動機在起動、運行過程中常會發生一些異常情況，如內部線圈繞組短路、開路、接地電壓、過負荷等，除造成設備嚴重損壞，帶來重大經濟損失外，還經常波及供電系統，影響供電可靠性。因此，對高壓電動機配備完善的保護設備就顯得尤為重要。

傳統電磁型的電動機保護一般采用的是速斷+反時限過電流模式[1]，但隨著設備日趨大型化和復雜化，已不能滿足其保護要求。微機保護技術的發展和普及，使得各種廠家的保護裝置層出不窮，但保護原理以及保護效果卻參差不齊[2]。

西門子公司的 Siprotec 4系列保護裝置采用統一的軟硬件技術標準，是當前較好的數字化保護應用平臺。針對高壓異步電動機的主要保護型號為7SJ6和7UM6。針對電動機的各種運行工況，其所配置的保護原理均能夠正確反應、可靠動作。

本文在全面分析電動機運行狀態的基礎上，詳細介紹了西門子高壓電動機保護的主要保護原理以及動作特性，最后結合實例闡述了這些保護的整定原則和配置要求，提出了一套完整的高壓電動機保護方案。

2 電動機的運行狀態

2.1 正常運行

正常運行狀態包括：

（1）起動運行：起動過程中將產生數倍于額定電流的起動電流，持續時間數秒或數十秒，并在電機允許起動時間內。

（2）帶載運行：軸負載為額定或以下，電動機在額定轉差率附近運行，定子電流在額定電流以下。

2.2 故障與不正常運行

故障情況有：

（1）相間短路。

（2）單相接地。

（3）匝間短路。

不正常運行狀態有：

（1）因軸負載增大引起的過負荷電流。

（2）起動和自起動時間過長，通常情況下由機械原因卡死造成的。

（3）缺相或非對稱電壓情況時的長時間兩相運行。

（4）供電電壓和頻率降低使得轉速下降、電流升高。

（5）電動機頻繁起動使得定轉子繞組反復加熱而溫升超過允許值。

（6）正常運行時，因機械、軸承等機構突然損壞造成電動機轉矩增大，轉速降低甚至堵轉停頓。

3 西門子電動機保護原理

3.1 過電流保護

保護包含了獨立的2個定時限段和1個反時限段。4.7以上版本的保護裝置為3個定時限段。

反時限過電流標準，國際上主要有IEC和IEEE兩種標準，7SJ6x保護同時兼容這兩種標準，以供用戶選擇。國內應用較多的是IEC標準。

下面簡要說明IEC 255-3標準的反時限特性及其特點。

反時限方程為

其中，t為動作時間(秒)；pT為時間系數；I為運行電流的實際測量值；pI為起動電流整定值。

對于不同的α、β的取值，決定了不同的反時限曲線特性，其中常用的四種IEC標準反時限特性曲線中α、β的取值如表1。

這些反時限特性的延時“陡度”不同，具有不同的延時動作特性，針對不同的應用場合，應選取不同的反時限。通常來說，“Very Inverse”和“Extremely Inverse”用于首、末端短路故障電流變化很大的情況。“Normal Inverse”和“Long Inverse”用于反映過熱狀況的保護應用。

表1 IEC標準反時限特性曲線常數

7SJ6x過電流保護的各段電流元件的評價數值可以選擇為“RMS（有效值）”或“基波”。此外，各段保護還可引入電壓元件對保護進行“控制”或“制動”，以實現更好的保護性能。

3.2 熱過負荷保護

過負荷保護基于單體設備發熱模型，熱能微分方程為：

式中，I為實際運行電流與在40°C環境溫度下最大允許持續工作的電流Imax(Imax=kIN)之比；τ為被保護設備的熱時間常數；θ為實際運行溫度與最大允許溫度之比；θk為測量得到的環境溫度和 40°C參考溫度的差值與最大允許溫度之比。

設定邊界條件，可解方程得

式中，I為工作電流值；kθ′為實際測量到的環境溫度；preI為過負荷前的電流值。可以看出，保護動作時間考慮了設備散熱的影響，同時也考慮了事故前的負荷電流。

不同歷史預負荷條件下的過負荷延時特性曲線如圖1所示。其中，a為額定負載（preN1.0II= ）、b為欠負載（preN0.8II= ）、和c為空載（pre0I= ）情況下的特性曲線。

圖1 在不同負荷初值下的延時特性

從仿真曲線中可以看出，對于完全相同的過負荷故障情況。當故障前負荷電流越小時，因為先前的熱積累程度越低，故動作時間越長，這是比較符合實際情況的。

在沒有測溫的情況下，即忽略kθ的影響。式（3）可以簡化為：

3.3 起動電流保護

起動電流保護是專門針對電動機過長時間起動的運行狀況，跳閘動作時間表達式為

其中，I為實際流過的電流；t為流過電流I時的動作時間（秒）；QI為電動機的額定起動電流；Qt為在額定起動電流QI的跳閘時間（秒）；而qI為識別電動機起動狀態的門檻值。

電動機在冷態和熱態條件下，Qt具有不同的時間，因此保護功能通過保護裝置儲存的模擬溫度參數形成一個邏輯開關，自動執行不同的跳閘時間計算。

動作特性如圖2所示。

圖2 電動機起動電流的反時限跳閘曲線

3.4 電機堵轉保護

圖3所示為異步電動機的電流轉矩特性。在正常運行時，電動機工作在額定工況。當負載轉矩增加時，將使得轉速變慢，定子電流增大。然而，超過一定負載時，電動機就不能通過增加轉矩的方式調節轉速，電動機將“失速”直至停頓。長時間堵轉運行，除造成機械卡死部位損傷加劇，也易使電動機燒毀。

堵轉保護持續監視電動機運行期間電流變化，并以正序分量作為保護門檻，以降低堵轉時直流分量的影響。在電動機起動期間，保護邏輯自動閉鎖，使得保護可采用較低的動作延時。

圖3 鼠籠電動機的轉矩電流特性

4 應用實例

結合實際案例闡述保護配置原則和整定計算方案。

某原料油泵機組為Y型聯結的單籠高壓異步電動機，型號為YB450M1-2WTH。主要數據為

（1）銘牌數據：額定電壓 6000V；額定功率450kW；額定電流53.67A；功率因數為0.89；額定轉速2987r/min。堵轉電流倍數6.5，起動時間7s。CT變比為75/1A，三相星形接線方式。

廠家數據：1s內最大耐受水平為45倍額定電流。

（2）負載：額定軸功率 336kW，對應電動機電流為40.1A；最大連續運行功率357kW。

（3）電網數據：最小方式下兩相短路電流為15.17kA。

4.1 過電流保護

采用多段過電流保護，在滿足保護的速動性要求的基礎上，區別電動機的故障類型。

圖5為電動機過電流保護各段的配置原理圖，其中，定時限的I＞＞＞和I＞＞段保證了在相間短路時的快速動作；由各反時限段，依次作為電動機故障的選擇性保護。各段保護所形成的邊界就是允許電動機運行的區域。

圖4 電動機過電流保護的配置原理圖

（1）速斷電流保護I＞＞＞段

定值按躲過電動機起動的沖擊峰值電流整定。

式中，Kk為可靠系數，取 1.3～1.5，Kq為電動機起動電流倍數，取值4～7，一般應按電動機特性取值；Kch為電動機起動峰值與穩態值的比值，通常為1.2～1.5。

（2）限時速斷電流保護I＞＞段

定值按躲過電動機起動電流整定，延時3～5個周波。公式如下

（3）反時限過電流保護Ip＞段

延時特性采用“長反時限”，由（1）式代入表1數據為：

1）起動值以電動機額定電流整定，計算公式為

式中，kK為可靠系數，取1.1～1.2。

2）時間常數以躲過電動機起動時間整定。可采用反推法，公式為

取值p0.34s

T=

（4）起動電流保護Iq＞段

在本保護中，式（4）的QI和Qt定值均為設備數據，只需確定保護起動的門檻值qI，以保護在電動機起動過程中準確起動整定，即

（5）過負荷保護Iθ＞段

整定原則：以泵機組的額定工況為預負荷配置過負荷保護。這是因為在工廠配置中，電動機通常比被拖動設備的功率要大，當電動機達到額定電流時，被拖動設備已經過載。

1）k系數確定，按泵機組最大連續運行功率的倍數整定，可靠系數可取1.05～1.1；計算按CT二次電流進行折算。

2）τ常數確定，應按電動機廠家給定數據設定，若無此數據，則可設備按耐受電流水平進行折算。公式為

4.2 堵轉保護

前節中各反時限段是可以反應于電動機堵轉故障，但動作時間較長。因此，采用本保護的原則是在區別電動機起動狀態情況下，盡可能縮短堵轉時的動作時間。

保護分為報警段和跳閘段。推薦整定方法為：報警段按 1.5倍電機額定電流整定，跳閘段按 2.0倍額定電流整定。計算過程為

4.3 與系統配合的保護

作為高壓電動機的完整保護，除了上述特有保護功能外，還應具有缺相保護、低電壓保護及接地過流保護。西門子保護裝置也具有這些保護功能。配置原則為

（1）缺相保護

采用定時限負序過電流保護，配置1段。起動定值按躲過電動機的最大不平衡電流整定，一般取值為15%～30%額定電流；延時按躲過電網可能出現非對稱電壓運行的最長時間整定，一般為3～5s。

（2）低電壓保護

電動機設置低電壓保護并不是為了反應其內部發生的故障，實質上是“保電網”。整定原則與電網中負荷分級、本設備在工藝過程中的重要性有關，在綜合設備等級、備用電源自動投入等情況后確定。

（3）接地保護

當電動機發生內部接地故障時，接地電流的大小與電網接地方式和參數有關。規程要求，接地電流大于5A就應動作于跳閘。保護用CT應采用穿心式零序電流互感器，變比不宜太大。動作定值根據系統要求統一配置。

按2倍電動機起動時間整定，即

5 結論

保護裝置是高壓電動機安全運行的重要保障，是工廠電氣系統不可或缺的重要環節。與傳統方式的繼電保護相比較，西門子公司微機電動機保護裝置提供了較為完善的保護方案。實踐表明，合理配置保護組合方案，并正確計算各種保護的整定值，對高壓電動機乃至工廠生產系統的安全運行具有重要意義。

[1] 崔家佩,孟慶炎,陳永芳,熊炳耀.電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算[M]. 北京:水利電力出版社,1993.

[2] 陳建玉,李國嶺,孟憲民.高壓電動機保護測控技術的進展與發展方向[C].中國電工技術學會第八屆學術會議,2004.

[3] 賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2004

[4] SIPROTEC 7SJ62/64V4.7, Multifunction Protective Relay with Local Control, Manual No C5300-G1140- C207-2.