大型電動機起動繼電保護研究

2011-08-28 07:07:46顧海鸝宋曉東

電機與控制應用 2011年11期

顧海鸝，宋曉東

(1.吳忠天凈電力勘測設計咨詢有限公司，寧夏吳忠 751100;

2.鄭州瑞泰科技有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

大型電動機是大型廠礦企業中數量眾多的重要電氣設備。如何為電動機提供更加先進可靠的保護措施，為工廠的安全生產提供強大的支持，一直是設備運行部門和繼電保護裝置生產廠家非常關注的問題。本文分析了電動機起動中繼電保護存在的問題，并提出了解決這些問題的思路，為完善電動機的繼電保護提供了方法。

1 電動機的起動分析

在工廠供電中，一般會有多臺電動機并聯掛在同一條母線下運行。在正常工作開始時，并聯在同一條母線下的電動機依次起動，起動完成后正常運行。為保證重要電動機在電源突然失電下的正常運行，還會設有備用電源，或是在電源進線端設有重合閘裝置;電源失電時，次要電動機通過繼電保護裝置的失壓保護跳開，重要電動機則在母線電源重新投入后進行自起動。并聯在同一條母線下的電動機運行示意圖如圖1所示。

圖1 電動機運行示意圖

2 電動機的起動方式

2．1 冷起動

電動機正常起動時一般為空載或輕載起動，此時有以下幾種起動方式:

(1)常規起動。額定電壓下直接起動，電流由零突然增大至4.5Ie以上(Ie為電動機額定電流，下同)，而后降至Ie以下。如圖2中曲線1所示。

(2)傳統降壓限流起動。通過定子回路串接電抗器、采用自耦變或采用Y/Δ起動等方法降低起動電流，但起動電流仍在3Ie以上。如圖2中曲線2所示。

(3)降壓軟起動。采用軟起動器控制電流電壓變化，限制起動電流不至于過大。電流增大至Ie以上而后降至Ie以下，此種起動過程電流大于Ie時間比較長。軟起動可有效降低電動機的電流，其起動電流僅為標準電機常規起動電流的50%。如圖2中曲線3所示。

(4)變頻軟起動。采用高性能可控硅變頻調壓起動，使得起動電流曲線更加平穩，起動電流更小。如圖2中曲線4所示。

圖2 電動機正常起動電流曲線示意圖

2．2 熱起動

電動機正常運行中突然斷電，此時電動機的運行特點如下:電動機還在轉動(轉速下降)，短路器位置為合位，電流不為零，電壓下降;短時經重合閘或備用電源自投后的帶載自起動。在短時間內，電壓變化如圖3所示:t0～t1時間為失電前的正常運行狀態下的電壓，t1～t2時間為失電時的電壓變化曲線，t2以后為電源重新投入后的電壓變化曲線。

圖3 電動機母線電壓變化示意圖

3 電動機起動的繼電保護現狀

3．1 現有起動判別

電流變化由無流(小于某個值如0.2 A)開始增大或是斷路器位置由分到合，判為電動機開始冷起動，計時開始，在起動時間內進行正常的起動中堵轉保護判別。經過整定時間后進行電流判別，如此時電流大于某個值則認為電動機起動超時，“起動超時保護”動作跳閘，如果此時電流小于某個值則認為電動機起動成功，“起動結束標志”置1，電動機開始處于正常狀態運行。電動機起動邏輯判別如圖4所示。

圖4 電動機冷起動邏輯圖

3．2 問題分析

由于電動機長時間過熱運行，會破壞電動機的絕緣，降低電動機的壽命，因此電動機只允許短時的過熱運行，不能長時間過熱運行。電動機在大電流起動時，如果長時間不能正常起動，就可能會引起電機發熱燒毀電動機。現在繼電保護裝置生產廠家對電動機起動都配有起動超時保護或是起動中堵轉保護，通過判斷電流從零突然增大，或是通過判別斷路器位置從分位變合位來判別電動機起動過程，如果長時間不能正常起動，就要跳開以免燒壞電動機。同時在起動過程中有大電流出現，因此有些關于電流的保護要進行改變:電流一段(堵轉保護)自動升為電流定值的整定倍數(1～4倍);電流二段退出;反時限電流保護自動升為電流定值的整定倍數(1～4倍);過負荷保護退出;差動保護退出或增加延時等。在起動完成后，起動超時保護退出，其他保護變為正常值進入運行中的保護狀態。因此正確判別電動機的起動過程非常重要，但以上都只能是對電動機的冷起動進行判斷，對電動機的熱起動不能判斷。

現在電動機的保護配置中有一項是低電壓保護，其目的就是在斷電后跳開不重要電動機，保證重要電動機的熱起動。如果不能正確判斷電動機的熱起動，會造成適得其反的效果:本來輕載電動機可以完成熱起動的，但因為不能正確判斷電動機在熱起動中，其他保護沒有改變，造成電動機跳閘;原本重載電動機不能完成熱起動的，但因為不能正確判斷電動機的熱起動，長時間不跳閘，造成燒毀電動機的事故。據不完全統計，電動機的燒毀事故中相當多是由于電動機長時間過熱運行造成的，其中很大一部分就是因為電動機的熱起動燒毀的。

4 改進后電動機起動的判別方法

4．1 熱起動判別

根據電動機在自起動過程中電壓、電流變化的特點進行判斷:從電源失電到備用電源投入這段時間內，電動機還在轉動(轉速低)，斷路器位置為合位，電流不為零(大于某個值如0.2 A)，電壓將會降低至60 V以下，后由于備用電源投入，電壓會很快上升至80 V以上，電動機自起動開始，此時電流會持續增大。考慮實際情況最快300 ms內升至最大值(如果300 ms內電流升到最大值，認為電動機受影響不大)，對電流的平方進行總長300 ms間隔100 ms的積分，如果積分一直上升，則認為電動機為熱起動開始，計時開始，在起動時間內進行正常的起動中堵轉保護判別。在起動時間內如果出現電壓低于80 V的現象則認為是系統振蕩，電動機不再進行起動中堵轉保護判別，如果電壓一直持續大于80 V，經過整定時間后進行電流判別，如此時電流大于某個值則認為電動機起動超時，“起動超時保護”動作跳閘，如果此時電流小于某個值則認為電動機熱起動成功，“起動結束標志”置1，電動機又處于正常狀態運行。電動機熱起動邏輯判別如圖5所示。

圖5 電動機熱起動邏輯判別

4．2 電動機熱起動判別分析

(1)電動機內部故障。如果是電動機內部短路故障，電壓降低，電流增大，但電壓不會上升:由60 V上升至80 V，不進行“起動超時保護”判別，保護不存在問題。

(2)系統振蕩。如振蕩周期大于450 ms，一個周期內電壓不能由60 V上升至80 V，“起動超時保護”不會起動;振蕩周期小于450 ms的話，一個周期內電壓由60 V上升至80 V，但由于振蕩周期小于450 ms，此時電流積分3次300 ms不可能一直增加，即使積分一直增加，但在整定時間內肯定會出現電壓低于80 V的情況，“起動超時保護”返回，保護不會誤動作。

(3)融合冷起動和熱起動的綜合判別。

①冷起動時不再判位置，只判電流變化由無流(小于某個值如0.2 A)開始增大;

②熱起動時有電流先判電壓變化:一個周期內電壓由60 V上升至80 V，再判電流平方積分增大的變化;

③如果失電時間長，電流接近為零，備用電源投入后，電動機起動適用于冷起動判別，保護不會誤動作。

電動機起動邏輯判別如圖6所示。