海洋石油平臺低壓電動機的保護

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

在海洋石油平臺的正常生產和生活中，低壓電動機被廣泛應用在很多領域。例如，工藝生產流程中的原油輸送泵、污水循環泵、注水泵、天然氣壓縮機、化學藥劑注入泵等，公用系統中的海水泵、淡水泵、熱介質循環泵、空氣壓縮機、通風機等，大部分泵設備都是由低壓電動機驅動的。由于常年受日曬雨淋、鹽霧侵蝕等惡劣自然環境的影響，低壓電動機在日常運行過程中經常會出現一些故障，有些是機械故障，有些是電氣故障。常見的電氣故障有：電動機內部及引出線上相間短路故障，電動機內部及引出線上的單相接地故障，定子繞組斷相運行，電動機過載等。低壓電動機本身不具有自我保護功能，或者自我保護能力較弱，造成動力設備的嚴重破壞，平臺停產甚至威脅操作人員的人身安全。電動機保護裝置的作用是把故障電動機從電網中切除，使電動機的故障停止發展，將電動機及其動力設備的損壞減小到最低的程度，同時也減小電動機故障對電網的危害。因此，正確選擇保護配置方案，運用合適的保護原理和科學合理的整定計算方法，對海洋平臺的正常生產和生活起著極為重要的作用。

1 海洋石油平臺低壓電動機常見故障及危害

1)相間短路。相間短路是低壓電動機內部繞組或外部引出電纜上出現的相與相之間的短路故障。相間短路電流可以燒毀電動機、縮短電動機保護電器和控制電器的壽命；對于大容量的低壓電動機，短路故障還會引起電網系統電壓降低，影響其他用電設備的正常運行。

2)斷相。電動機的損壞大多數是斷相運行造成的。大量實踐經驗表明斷相瞬間在斷相繞組兩端產生高于額定電壓數倍的反電勢給電機造成的危害遠大于過熱給電機造成的危害，況且斷相故障又不能自動排除，因此，電動機應裝設斷相保護，且該保護應能瞬時動作于跳閘。

3)單相接地。單相接地故障保護用于保護電動機內部及引出線上的單相接地故障。海洋石油平臺低壓配電系統接地型式通常采用中性點不接地的IT系統，在發生單相接地故障時，三相線電壓基本保持不變，故障電流很小，對電動機及電網的危害不大，因此也可以不切斷供電電源，只保護作用于報警。

4)低電壓。當線路電壓低于電動機的額定電壓時，電動機轉矩要降低，如果電動機負載不變，由于三相異步電動機的電磁轉矩與電壓的二次平方成正比，則會因電磁轉矩的降低而帶不動負載，造成電動機堵轉停車，電動機電流增大使電動機發熱，嚴重時燒壞電動機。因此，在電源電壓降低到一定值時，由于交流接觸器線圈磁通減弱，電磁吸力克服不了反作用彈簧的壓力，動鐵心因而釋放，從而使主觸頭斷開，自動切斷電動機主回路，達到低電壓保護的作用。

5)過載。過載是在電動機繞組出現過電流時能切斷電動機電源，使電動機停止運行的一種保護方式。電動機不正確的啟動、運行中負載轉矩劇烈增加、長期負載過大或啟動操作頻繁等原因都會引起過電流，導致電動機繞組溫度過高、絕緣損壞，縮短電動機的使用壽命，嚴重時會燒毀電動機繞組。

2 海洋石油平臺低壓電動機保護裝置的選擇

2.1 低壓電動機保護裝置的使用現狀

目前，我國低壓電動機保護裝置大體上分為兩類。

一類是斷路器、接觸器、熱過載繼電器組合的傳統電動機保護方式。這類保護裝置功能比較簡單，維護方便，價格有較大優勢[1]。

另一類是采用低壓電動機綜合保護器取代熱過載繼電器，形成斷路器、接觸器、低壓電動機綜合保護器組合的電動機保護方式。低壓電動機綜合保護器是電子式多功能電動機綜合保護裝置，集保護功能和測控功能于一體，體積也較小，功能比較強大，價格比較高。

2.2 海洋石油平臺低壓電動機保護裝置的現狀

目前，海洋石油平臺低壓電動機保護多采用傳統的電動機保護方式，保護線路由斷路器QF、交流接觸器KM和熱繼電器KH組成，見圖1a)。交流接觸器用來啟動、停止電動機；斷路器用來作電動機的短路保護；熱繼電器用來作電動機的過載保護和斷相保護。對于額定功率較大的電動機，一般通過電流互感器，用較小的二次電流來控制較大的一次電流，即采用非直接式的小電流熱繼電器，見圖1b)。

圖1 電動機保護方式

2.2.1 低壓電動機短路保護裝置

海洋石油平臺對一般低壓電動機的短路保護器件是只帶瞬動電磁式脫扣器的塑殼斷路器(MCCB)，在電動機回路發生短路故障時，斷路器的瞬時過電流脫扣器動作，切斷故障回路。斷路器的額定值應接近但不小于電動機的額定電流。

《通用用電設備配電設計規范》GB50055-2011第2.3.5條規定：當交流電動機正常運行、正常啟動或自啟動時，短路保護器件不應誤動作。短路保護器件的選擇應符合下列規定。

瞬動過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動元件的整定電流，應取電動機起動電流周期分量最大有效值的2.0～2.5倍[2]。

根據上述的規范規定，斷路器的瞬動過電流脫扣器的整定值應取電動機起動電流的2.0～2.5倍，即Iset=(2.0～2.5)Ist。

2.2.2 低壓電動機過載保護裝置

海洋石油平臺使用帶斷相保護功能的熱繼電器作為過載保護裝置和斷相保護裝置，在電動機回路中電流值超過熱繼電器的整定值時，熱繼電器動作，電動機控制回路中的熱繼電器的常閉觸點斷開，交流接觸器線圈失電，則電動機主回路中的交流接觸器斷開，切斷故障回路。帶斷相保護的熱繼電器，是通過過電流反時限特性來保護低壓電動機的，發生斷相故障時，熱繼電器斷開故障回路仍需要一定的時間，這仍然對電動機的運行存在著安全隱患。

《通用用電設備配電設計規范》(GB50055-2011)中第2.3.9條規定：當交流電動機正常運行、正常啟動或自啟動時，過載保護器件不應誤動作。過載保護器件的選擇應符合下列規定。

熱過載繼電器或過載脫扣器整定電流應接近但不小于電動機的額定電流。

根據上述規范規定，熱過載繼電器的整定值應大于等于電動機額定電流，即Iset≥Ir。

對于有溫度補償的熱繼電器，整定電流應不小于電動機的額定電流；對于電磁式和無溫度補償的熱繼電器，整定電流應不小于電動機額定電流的1.05倍[3]。

為了方便，海洋平臺電氣設計中熱繼電器通常按電動機額定電流的1.05～1.10倍進行選擇。

2.2.3 過載保護裝置與短路保護裝置的協調配合

一般過載保護裝置不具有分斷短路電流的能力，一旦低壓電動機在運行中發生短路，需要由串聯在主電路中的塑殼斷路器來切斷電路。若故障電流較小，屬于過載范圍，則應由熱繼電器切斷故障電路。

2.2.4 低壓電動機的低電壓保護與整定

海洋石油平臺一般采用交流接觸器作為低壓電動機控制電器，交流接觸器吸持線圈在低電壓時能自動釋放(一般降低到70%額定電壓以下)，故不需另設低電壓保護。

2.2.5 低壓電動機的單相接地保護裝置

在海洋石油平臺的電氣設計中，通常采用在380 V低壓母線處設置絕緣監測裝置，當負荷側發生單相接地故障時，絕緣監測裝置動作并驅動聲光報警設備，運行人員接到報警后到現場排查故障，以避免異相接地短路故障的發生，以此來保證IT系統的持續運行。

2.3 工程應用實例

SZ36-1中心平臺的污水循環泵電動機的額定功率為75 kW，額定電壓為0.38 kV，額定功率因數為0.88，額定運行時效率為0.92,對此電動機進行保護配置的選擇及整定。

電動機的額定電流為

1)斷路器的選擇與整定。斷路器的額定電流為Ir≥141 A，取Ir=160 A。取電動機啟動電流倍數為7。斷路器短路保護的整定值為

Iset= (2～2.5)Ist=(2～2.5)×141×7=

(1 974～2 468) A，

取Iset=14×160=2 240 A。

2)熱繼電器的選擇。

Ir=(1.05～1.1)×141=(148～155)A。

3 海洋石油平臺低壓電動機保護裝置的發展

3.1 電動機綜合保護器的原理

電動機綜合保護器通過對三相交流電流、電壓及零序電流等信號的采集，通過信號處理電路抗干擾、模數轉換后，由CUP進行運算和處理，按照各種保護特性、測量數據、控制邏輯和數據傳輸等要求，通過指示燈、保護輸出接口、4～20 mA模擬量輸出等多種方式，實現低壓電動機所需要的保護測控功能[4]。電動機綜合保護器具有精度高、節電、動作靈敏、工作可靠等優點，是傳統電機斷路器、熱繼電器的理想替代產品。

3.2 電動機綜合保護器的功能

1)電動機保護功能。低壓電動機綜合保護器可實現對電動機的綜合保護，其具體功能有接地保護、斷相保護、短路保護、過負荷保護、不平衡保護、杜撰保護、低電壓和過電壓保護。當電動機正常工作時，保護器通過面板上的液晶顯示屏，實時顯示電機的工作電流和電壓。但故障發生時，綜合保護器能自動、迅速地反應并發出跳閘信號。

2)故障判斷與記憶功能。電動機綜合保護器對電動機進行檢測時，需正確判斷電動機正常、過載、短路、斷相、過壓、欠壓及過熱等工況并作出相應處理。當電動機出現某種故障時，保護器切斷電動機的電源而處于保護狀態，并且保存故障類型、時間以及電機運行參數。電動機綜合保護器通過識別與記憶電路對故障予以識別、記憶和指示，以便于維修。只有故障排除后，復位保護器，故障指示才消失，電動機才能再次啟動[5]。

3)在線監測功能。具有通信功能的電動機綜合保護器能將采集的電動機信息通過總線傳輸至后臺微機，使控制室的操作人員可在后臺微機上完成所有綜合保護器的整定數據的調閱、修改和整定。同時，在線監測電機的運行負載和供電電源質量為及早發現過載和接地故障等創造了條件。此外，通過后臺微機的強大信息管理功能，可有效記錄各臺電機的運行參數、歷史故障記錄、歷史維護記錄，為保證工藝系統的安全生產、減少生產關斷提供了可靠依據。

4 結束語

綜上所述，斷路器的短路保護、帶斷相保護的熱繼電器的過載保護和斷相保護、絕緣監測裝置的單相接地保護基本能夠滿足海洋石油平臺生產對低壓電動機的保護需求，這種保護配置方式也是目前海洋石油平臺應用最為廣泛的保護形式。從技術方面考慮，這種保護裝置技術成熟、可靠，從經濟方面考慮，這種保護裝置成本低廉，從操作維護方面考慮，這種保護裝置簡單，易于維護。但是這種保護裝置和低壓電動機綜合保護器相比也有很多缺陷。因此，隨著海洋石油平臺規模的擴大，工藝流程更加復雜，越來越多的低壓電動機參與到工藝流程的運行中，廣泛地使用電動機綜合保護器，可以極大地提高海洋石油平臺的自動化水平，并且可以提高工藝流程控制的準確性，降低事故率，對海洋石油平臺的平穩運行起到積極的作用。

[1] 魏惠濱,李希泌,徐 莉.淺談電動機保護器的應用[J].應用能源技術,2001(5):46-47.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.通用用電設備配電設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2012.

[3] 任元會,卞鎧生,姚家袆,等.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2005.

[4] 劉順田.淺談電動機綜合保護器[J].純堿工業,2008(3):30-33.

[5] 張風平,劉 輝.淺談低壓電動機智能保護器的應用[J].化學工程與裝備,2011(3):117-119.