異步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)整定探討

王 旅

（湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441041）

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異步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)整定探討

王 旅

（湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441041）

主要從保護(hù)原理、動(dòng)作判據(jù)、負(fù)載率、運(yùn)行維護(hù)等方面，探討了6kV異步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定原則。

異步電動(dòng)機(jī)；堵轉(zhuǎn)保護(hù)；整定

發(fā)電廠中，6kV異步電動(dòng)機(jī)（以下簡稱電動(dòng)機(jī)）一般配置有高性能微機(jī)綜合保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)過流、接地、堵轉(zhuǎn)、過熱等保護(hù)功能。堵轉(zhuǎn)保護(hù)中“堵轉(zhuǎn)”的含義，不同于文獻(xiàn)［1］中“堵轉(zhuǎn)”的含義，后者是指電動(dòng)機(jī)出廠試驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)差率S=1.0），前者是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中（含起動(dòng)階段），因機(jī)械原因?qū)е罗D(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速以下，造成堵轉(zhuǎn)的原因有機(jī)械負(fù)載卡澀、動(dòng)靜部分摩擦等。

電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)分起動(dòng)時(shí)堵轉(zhuǎn)和運(yùn)行中堵轉(zhuǎn)，兩種堵轉(zhuǎn)工況由不同保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)。以北京四方公司生產(chǎn)的CSC-237A綜合保護(hù)為例，該裝置配置有起動(dòng)超時(shí)保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)，起動(dòng)超時(shí)保護(hù)反應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)堵轉(zhuǎn)工況，堵轉(zhuǎn)保護(hù)反應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中堵轉(zhuǎn)工況。起動(dòng)超時(shí)保護(hù)原理如下：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在起動(dòng)時(shí)間（可整定）到達(dá)后，若定子電流I1降不到1.2IN以下，則判為電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，起動(dòng)超時(shí)保護(hù)動(dòng)作跳開電動(dòng)機(jī)，IN為電動(dòng)機(jī)額定電流。起動(dòng)超時(shí)保護(hù)在實(shí)際運(yùn)行中非常有用，漿液循環(huán)泵內(nèi)漿液凝固、風(fēng)機(jī)蝸殼帶水、循環(huán)水泵出口蝶閥卡澀均能可靠正確地反應(yīng)。運(yùn)行中堵轉(zhuǎn)工況由堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)現(xiàn)，該保護(hù)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中退出，起動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)投入，堵轉(zhuǎn)保護(hù)即運(yùn)行中過電流保護(hù)。以下將著重討論運(yùn)行中堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定原則。

1 堵轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL等于輸出轉(zhuǎn)矩T2，輸出功率 P2∝T2×n=TL×n，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng) TL達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩 TN時(shí)，輸出功率和定子電流分別達(dá)到額定功率PN和額定電流IN，轉(zhuǎn)速n亦降至額定轉(zhuǎn)速nN。因此，運(yùn)行人員通過監(jiān)視定子電流的大小，可以大致判斷電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率［4］。當(dāng)TL＞TN或P2＞PN時(shí)，電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)堵轉(zhuǎn)運(yùn)行工況，定子電流將超過額定電流，同時(shí)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，定子電流隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩或輸出功率增大而增大，二者不存在線性關(guān)系。綜上所述，堵轉(zhuǎn)保護(hù)可用定子電流和轉(zhuǎn)速作為動(dòng)作判據(jù)，二者構(gòu)成“與”邏輯關(guān)系，文獻(xiàn)［3］亦推薦堵轉(zhuǎn)保護(hù)引入轉(zhuǎn)速開關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)。

2 正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率

某 600MW機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)的部分電動(dòng)機(jī)輸入功率P1見表1由CSC-237A綜合保護(hù)裝置計(jì)算，從電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）后臺(tái)直接讀出，6kV廠用母線電壓U基本穩(wěn)定，cosφ在額定工況附近時(shí)基本不變。表1同時(shí)給出了ΔP0和ηN兩個(gè)參數(shù)，ΔP0為電動(dòng)機(jī)空載有功損耗，ηN為電動(dòng)機(jī)額定效率，ΔP0和ηN可從電動(dòng)機(jī)出廠資料中獲得。額定負(fù)載時(shí)的有功損耗ΔP0=（1-ηN）PN/ηN，負(fù)載率β 計(jì)算公式如下［4］：

從表1可以看出，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)類負(fù)載率不超過50%，水泵類負(fù)載率可達(dá)85%，負(fù)載率β 與設(shè)計(jì)裕度、工作介質(zhì)、調(diào)節(jié)方式（動(dòng)葉調(diào)節(jié)或靜葉調(diào)節(jié)）、驅(qū)動(dòng)方式（單軸拖動(dòng)或多軸拖動(dòng)）等因素有關(guān)。

表1　電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率

3 堵轉(zhuǎn)保護(hù)增加轉(zhuǎn)速信號(hào)的可行性

電動(dòng)機(jī)額定工況下運(yùn)行時(shí)，額定轉(zhuǎn)差率 SN= （ns-nN）/ns，ns為同步轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)［5］給出了最大電磁轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率Sm較準(zhǔn)確計(jì)算公式：

式中，Tmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩，Km為最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，其值可從電動(dòng)機(jī)出廠資料中獲得，Sm用試湊法求得。依據(jù)《電機(jī)學(xué)》理論，0＜S＜Sm屬于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，其中，0＜S＜SN屬于正常運(yùn)行區(qū)，SN＜S＜Sm屬堵轉(zhuǎn)運(yùn)行區(qū)。表2給出了表1電動(dòng)機(jī)nN、ns、Km等參數(shù)及SN和Sm計(jì)算值，nN和ns單位為r/min。

表2　堵轉(zhuǎn)運(yùn)行區(qū)轉(zhuǎn)速變化區(qū)間

從表2可以看出，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速并不遠(yuǎn)，尤其是低負(fù)載率的風(fēng)機(jī)。如在電動(dòng)機(jī)基座上安裝一套高精度的轉(zhuǎn)速測量裝置，將其開關(guān)量或模擬量輸出送至數(shù)百米之外的綜合保護(hù)裝置內(nèi)，很不現(xiàn)實(shí)。另外，電動(dòng)機(jī)大多露天布置，運(yùn)行環(huán)境中的粉塵、水汽、油污等，將直接影響轉(zhuǎn)速測量裝置的工作性能。因此，從設(shè)備維護(hù)角度考慮，堵轉(zhuǎn)保護(hù)加裝轉(zhuǎn)速信號(hào)不切實(shí)際，目前國內(nèi)知名保護(hù)廠家，其綜合保護(hù)裝置均未提供轉(zhuǎn)速開關(guān)接口，堵轉(zhuǎn)保護(hù)僅用定子電流作為動(dòng)作判據(jù)。

4 整定堵轉(zhuǎn)保護(hù)需考慮的因素

4.1電流定值不宜整定過高

依據(jù)電動(dòng)機(jī)功率平衡式，輸出功率 P2= （1-S）Pem-Pfw-Ps，Pem為定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率，Pfw為風(fēng)摩耗，Ps為附加損耗，Pem∝Tem×ns。電動(dòng)機(jī)在堵轉(zhuǎn)工況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率S變化不大（由SN增大至Sm），Pfw與負(fù)載無關(guān)，Ps在輸入功率變化不大的情況下基本不變，P2隨電磁轉(zhuǎn)矩 Tem增大而增大。當(dāng)Tem達(dá)到最大值Tmax時(shí)（對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)差率Sm），P2亦達(dá)到輸出功率的最大值。

當(dāng) P2達(dá)到最大值時(shí)，輸入功率 P1以及定子電流也達(dá)到最大值，該最大定子電流與電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載性能有關(guān)。若電流定值整定得大于該最大定子電流，電動(dòng)機(jī)已進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，保護(hù)定值沒有意義。

4.2正常運(yùn)行時(shí)的最大負(fù)載率和負(fù)載系統(tǒng)的拖動(dòng)方式

對(duì)于同樣的損壞程度，負(fù)載率越低的電動(dòng)機(jī)，其所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩就越小，對(duì)應(yīng)的定子電流就越小。帶有減速機(jī)和液力偶合器的多軸拖動(dòng)系統(tǒng)，很容易因?yàn)闄C(jī)械原因造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，普通的單軸拖動(dòng)系統(tǒng)則不容易過負(fù)荷。

4.3應(yīng)充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)較強(qiáng)的過負(fù)荷能力

文獻(xiàn)［2］對(duì)電動(dòng)機(jī)偶然過電流規(guī)定如下：額定輸出在315kW及以下和額定電壓在1kV及以下的多相電動(dòng)機(jī)，應(yīng)能承受1.5倍額定電流，歷時(shí)不小于2min的偶然過電流。對(duì)于6kV電動(dòng)機(jī)，則沒作規(guī)定。6kV電動(dòng)機(jī)特別是大功率電動(dòng)機(jī)（如本例引風(fēng)機(jī)），故障后修理難度大，訂貨周期長，建議其偶然過電流時(shí)間按0.8×2min≈100s考慮。

5 堵轉(zhuǎn)保護(hù)建議整定原則

單軸拖動(dòng)采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)類負(fù)載，如鍋爐引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)壓頭低風(fēng)量大，負(fù)載率較低，堵轉(zhuǎn)電流定值可整定為1.5IN，堵轉(zhuǎn)延時(shí)整定為100s。單軸拖動(dòng)的水泵類負(fù)載，以及采用靜葉調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)類負(fù)載，如采用熱風(fēng)送粉的一次風(fēng)機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率雖高，但因其額定功率按最大工況設(shè)計(jì)，堵轉(zhuǎn)電流定值也可整定為1.5IN，堵轉(zhuǎn)延時(shí)整定為100s。

輸煤皮帶、鋼球磨煤機(jī)等采用減速機(jī)拖動(dòng)（多軸拖動(dòng)系統(tǒng)），正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率高，且容易過負(fù)荷（堵煤或減速機(jī)故障），堵轉(zhuǎn)電流定值可整定為2.0IN。電動(dòng)機(jī)在堵轉(zhuǎn)運(yùn)行區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)速變化不大，散熱情況與正常運(yùn)行時(shí)接近，如將電動(dòng)機(jī)本體看成一個(gè)絕熱體（與外界無熱交換），2.0IN下允許運(yùn)行時(shí)間大致為 1.52×100/22≈60s。電動(dòng)給水泵和氧化風(fēng)機(jī)可參照輸煤皮帶整定，前者帶有液力偶合器，后者采用多級(jí)壓縮，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，上述設(shè)備容易過負(fù)荷。

6 運(yùn)行中需注意的問題

堵轉(zhuǎn)保護(hù)采用定時(shí)限特性，堵轉(zhuǎn)電流定值對(duì)應(yīng)于某一堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩或堵轉(zhuǎn)功率，當(dāng)輸出功率P2介于額定功率和堵轉(zhuǎn)功率之間時(shí)，堵轉(zhuǎn)保護(hù)將不能起動(dòng)。針對(duì)上述堵轉(zhuǎn)工況，除常規(guī)電流監(jiān)視外，還應(yīng)通過過負(fù)荷保護(hù)告警，及時(shí)提醒運(yùn)行人員采取措施，避免設(shè)備進(jìn)一步損壞。過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作電流Iop可按躲過電動(dòng)機(jī)額定電流 IN整定，Iop=Krel/Kr×IN≈1.17IN，可靠系數(shù)Krel=1.05，返回系數(shù)Kr=0.9。

7 結(jié)論

應(yīng)根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和拖動(dòng)方式，來確定堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定原則。

［1］GB/T 1032—2012. 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法［S］.

［2］GB 755—2008. 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能［S］.

［3］GB/T 14598.303—2011. 數(shù)字式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置通用技術(shù)條件［S］.

［4］周鄂. GB/T 12497—2006東南大學(xué). 電機(jī)學(xué)［K］［S］.

Study on Locked-Rotor Protection Setting of Asynchronous Motor

Wang Lv
（Hubei Huadian Xiangyang Power Generation Co.，Ltd，Xiangyang，Hubei 441041）

Study on locked-rotor protection setting principles of 6kV asynchronous motor，from protection principle、operating component、load coefficient、operation and maintenance and so on.

asynchronous motor； locked-rotor protection； setting

王 旅（1970-），男，湖北松滋人，本科，工程師，主要從事電氣二次專業(yè)技術(shù)管理工作。