發電廠低壓廠用電動機單相接地短路保護

李 辰，盧艷林

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

1 概述

在火力發電廠廠用電系統的供電負荷中，低壓廠用電動機的數量龐大，其重要性也各不相同。隨著發電廠安全管理水平提高，人們對低壓廠用電系統的單相接地保護保護日漸重視。我國發電廠低壓廠用電系統大部分為中性點直接接地系統，一般情況下，可以根據DL/T 5153-2014《火力發電廠廠用電設計技術規程》(下簡稱“廠技規”)的相關條例對電動機配置單相接地短路保護。“廠技規”8.7.1第2條規定：100 kW及以上電動機宜裝設單相接地短路保護，對100 kW以下電動機，如相間短路保護能滿足單相接地短路的靈敏性時，可由相間短路保護兼做接地短路保護；當不能滿足時，應另裝設接地短路保護。保護瞬時動作于斷路器跳閘。但在電廠各個系統中，容量小于100 kW電動機數量眾多，設計工作量很大。考慮到火電廠中55 kW以上的電動機數量較少且一般較為重要、裝設接地保護投入費用不高，對55 kW以上的電動機均裝設接地短路保護。但實際上，一些中小容量電動機往往由于工程需要，配電線路比較長，這種情況下單相接地短路電流比較小，采用斷路器短路保護同樣不能滿足靈敏度要求。因此僅僅容量作為電動機是否設置接地短路保護存在一定的缺陷。

本文結合華能輪臺(2×350 kW)熱電聯產工程輸煤系統低壓廠用電設計，基于ETAP軟件的計算結果，提出低壓廠用電動機的單相接地短路保護的較為理想的配置方式，從而提高廠用電系統短路保護的可靠性，經濟性和合理性。

2 單相接地短路的危害及其保護

短路是電力系統的嚴重故障。所謂短路是指一切不正常的相與相之間或相與地(對于中性點接地的系統)發生通路的情況。在中性點直接接地的電力網絡中，單相接地短路是短路中最常見的一種，約占全部短路故障的70%以上。當單相接地短路發生后，需要及早切斷，不然可能發生線路絕緣燒損、設備過熱損壞，系統電壓下降等危險后果，從而影響企業的供電量指標和經濟效益。綜合考慮線路在接地短路時的熱穩定承受能力、躲開電動機啟動電流的影響、保護電器在小故障電流下的動作靈敏度以及線路的合理截面等因數，IEC標準將所有接地系統切斷故障設備和配電線路干線的允許最長時間規定為5 s。

根據“廠技規”要求，低壓廠用電動機回路應裝設的短路保護有相間短路保護、單相接地短路保護等。這些短路保護，應在短路電流對導體和連接處產生的熱作用和機械作用造成危害之前切斷電源。

3 單相接地短路保護實例

下面以輪臺輸煤系統低壓廠用電為例進行分析，該工程低壓廠用電系統中性點為直接接地系統，主廠房及輔助車間低壓廠用電系統均采用動力中心(PC)和電動機控制中心(MCC)的供電方式。輸煤系統分別設置兩臺輸煤變(輸煤變A，輸煤變B)及兩段輸煤PC(PCA,PCB)母線,該系統中功率較大的電動機為輸煤膠帶輸送機，運行方式為1運1備，均由輸煤PC段直接供電，電源為三相電源。本文選取該工程PCB段中所接膠帶輸送機以及2號轉運站MCC上含煤復用水泵的單相接地短路進行分析。輸煤變壓器參數見表1，電氣接線見圖1，各膠帶輸送機與含煤廢水復用水泵的功率以及配電距離見表2。

表1 輸煤系統變壓器參數

圖1 輪臺輸煤廠用電PCB段電氣接線簡圖

表2 輸煤系統主要設備配電參數

本文計算過程由ETAP軟件完成，PCB段中所接膠帶輸送機以及2號轉運站MCC上含煤復用水泵額定電流、啟動電流，脫扣器瞬時整定電流結果，兩相短路，單相接地短路電流計算結果見表3。

表3 額定電流，啟動電流，脫扣器瞬時整定電流

4 接地短路分析

“廠技規”8.7.1規定，相間短路保護動作于跳閘的單相接地保護的靈敏系數不宜低于1.5。因此根據表3可得出上述電動機單相接地短路保護措施，滿足相間短路保護兼作單相接地短路保護靈敏度要求的最小短路電流值以及保護措施見表4。

表4 滿足要求的最小短路電流值以及保護措施

根據表4，當低壓廠用電系統中性點為直接接地時，由于相間短路電流值比較大，其保護靈敏系數遠大于1.5。故可用斷路器本身的脫扣器作為相間短路保護。

對于100 kW以上的電動機單相接地短路保護，考慮到相間短路的動作值高，而單相短路電流要比相間短路電流小得多，相間短路保護一般滿足不了單相短路保護靈敏性的要求。此外，考慮到電動機本身的價值和單相短路的幾率，另加一套靈敏性高的單相接地短路保護也是值得的，因此規范8.7.1規定“宜裝設單相接地短路保護”。但如本工程中4B膠帶輸送機結論所示，對于容量稍大于100 kW的電動機，當供電距離在200 m以內以及配電壓降在5%左右時，其相間短路保護是可兼作接地短路保護的。

同理，由該表中2B、3A 膠帶輸送機(頭部)的結論可知，在滿足線路壓降情況下，容量稍小于100 kW的電動機，當供電距離在200 m左右，相間短路保護同樣是可兼作接地短路保護的。因此對于此種情況的電動機,需計算其單相接地短路電流值，當單相接地短路電流足夠大并可以使其滿足相間短路保護的靈敏度時，可不另裝設單相接地短路保護裝置。

而由含煤廢水復用水泵的結論可知，對于容量在55kW左右的電動機，雖然瞬動的整定值相對較低，但由于其供電距離較長，其單相接地短路電流較小，仍有可能無法滿足其靈敏性要求，因此需另外裝設單相接地短路保護裝置。

5 接地短路保護的配置

當電動機相間短路保護無法滿足兼作單相接地短路保護的靈敏度要求時，可采用以下方式對電動機單相接地短路故障進行保護。

5.1 采用零序保護

本工程中對于1B膠帶輸送機和5B膠帶輸送機回路，由于其功率較大，滿足相應的靈敏度要求較為困難，可用塑殼斷路器+接觸器+馬達保護器+零序TA的接地短路保護方法，由馬達保護器通過外接零序TA采集的數據實現單相接地短路保護,保護出口接點動作于塑殼斷路器分勵線圈跳閘。

5.2 采用自帶漏電(剩余電流)保護模塊的塑殼斷路器

漏電(剩余電流)保護是檢測三相電流加中性線電流并得到其向量和。當沒有發生單相接地故障時，無論三相負荷平衡與否，此向量和為零；當發生某一相接地故障時，故障電流會通過保護線PE或大地返回電源側，此數值為故障電流。根據該原理，漏電保護一般用在TN-C-S系統，如電廠低壓照明、檢修回路。但對于采用三芯動力電纜的電動機回路，漏電保護模塊仍可使用。這是因為對于電動機來說，其外殼及接地端子通過扁鋼與廠內接地網可靠相連，而在開關柜側，開關柜外殼與PE排同樣與該地網可靠連接。因此當單相接地短路故障發生之后，短路電流可由該通路返回電源側，漏電保護模板仍可以進行動作。只是對于電動機回路來說，剩余電流保護與零序保護的原理相同，檢測的是三相電流的矢量和。

對于本例中1B與5B膠帶輸送機回路，可以采用三極開關加漏電保護模塊實現電動機單相接地故障保護，選型時要注意漏電動作電流整定范圍應可以躲過電動機啟動時的不平衡電流,否則將會造成漏電保護誤動作。相關參數的整定方法可參見文獻。而通過該方法實現單相接地短路，不僅安裝方便，投資小，同時可靠性高。

5.3 采用帶接地保護功能的電子脫扣器

如今很多斷路器廠家部分型號的電子脫扣單元帶有接地短路保護功能，因此可采用配有該型號脫扣單元的塑殼斷路器實現電動機的接地保護。但由于電子脫扣器實現接地保護一般采用的是三相電流矢量和濾過方式，無零序電流互感器，因此其單相接地保護動作電流應該躲過電機啟動時，由三相電流互感器誤差不一致而產生的不平衡電流。

對于本例中的5B膠帶輸送機回路，斷路器額定電流為400 A。電機啟動時不平衡電流：3I0.0P=1.0Ie=320 A。以施耐德公司Micrologic6.E-M電子脫扣器為例，當斷路器額定電流In＞50 A，接地故障整定電流整定范圍為：(0.2～1)In=80～400 A。因此電子脫扣器整定范圍滿足大于不平衡電流的整定要求，故可以用該電子脫扣單元實現單相接地短路保護故障。

5.4 其他保護方式

在接地短路電流達不到相間短路保護兼作單相接地短路保護的靈敏度時，如果滿足下列幾種條件時仍可不用另外裝設單相接地短路保護裝置。

5.4.1 電機采用軟啟動或變頻啟動

電動機直接啟動時，其啟動電流一般為額定電流的6～8倍，為躲過電動機該啟動電流，斷路器瞬時脫扣整定電流比較大，從而導致該電動機回路的斷路器脫扣器靈敏度較低。與直接啟動相比，電動機可采用通過軟啟動或變頻啟動等方式來降低電動機的啟動電流。從而降低斷路器瞬時脫扣整定電流，提高斷路器脫扣器靈敏度。

本工程含煤廢水復用水泵由于工藝要求裝設有變頻器。根據變頻器廠家資料，變頻器本體配有電動機接地短路保護，故在開關柜內不需重復配置該保護，同時斷路器脫扣器的整定電流值應考慮變頻器對電動機啟動電流的影響。

同樣在一些工程中，膠帶機配有軟啟動裝置。對于這類膠帶機回路，由于軟啟動裝置可以將電動機啟動電流限制在其額定電流的4倍以下，因此其回路的斷路器脫扣器瞬動電流整定值可以相應減小，從而使相間短路保護滿足兼作單相接地短路保護的靈敏度要求。

而隨著CST(可控傳輸啟動裝置)逐漸運用于電廠大容量的膠帶機中，由于CST可以使膠帶機按照設定的速度曲線平穩啟動，啟動電流也得以有效的降低。故對于這類電動機，也可相應減小其回路斷路器脫扣器瞬動電流的整定值。如表4中的5B膠帶輸送機回路，在裝設有CST裝置時，其斷路器脫扣器瞬動電流整定值可由原來的4.536kA整定至小于其單相接地短路電流的4.443A。從而使相間短路保護可兼作單相接地短路保護而不用另外裝設單相接地短路保護裝置。

5.4.2 減少短路點的總阻抗增加短路電流

(1)加大電纜截面

如示例中，對于無法通過相間短路保護實現單相接地短路保護的3A膠帶機(尾部)和含煤廢水復用水泵回路，將電纜截面分別改大后，通過ETAP短路電流計算結果見表5。

表5 增大電纜截面后的短路電流

由表5知，當增大電纜截面時，本例中3A膠帶輸送機(尾部)和含煤廢水復用水泵回路短路電流相應增加并滿足用相間短路保護兼作單相接地短路保護的靈敏度要求，同時線路電壓損耗也會相應減小，供電質量相應提升。但增加電纜截面意味著增加投資，因此當電動機回路正常工作滿足線路壓降小于5%的要求時，不建議采用增加電纜截面的方法來提高接地保護的靈敏性。

(2)減少配電線路距離

如示例中，將含煤廢水復用水泵回路由輸煤PCB段改至1號轉運站MCC進行供電，由ETAP軟件計算的短路電流結果見表6。

由表6知,當含煤廢水復用水泵回路與直接供電的MCC間配電距離減小時，即使其與PC間配電距離不變，在線路壓降減小的同時，其短路電流增大，滿足用相間短路保護兼作單相接地短路保護的靈敏度要求。因此在工程條件允許情況下，應盡量減少電動機負荷與直接供電的MCC或PC間的配電距離，一方面提高供電質量，另一方面增加短路保護的靈敏性。

表6 增大電纜截面后的短路電流

6 結語

綜上所述，在電廠眾多小于100 kW的低壓電動機中，建議對于供電距離較遠(大于400 m)的中小容量(55 kW左右)電動機以及供電距離大于200 m的大容量(90 kW左右)電動機，宜通過計算相間短路保護是否滿足單相短路保護靈敏性的方式來決定是否另外配置單相接地保護裝置。配置單相接地保護裝置時，需根據該電動機所在回路的具體情況采用適當的單相接地短路的措施，從而有效的增強該電動機回路的安全性，可靠性，合理的減少設備投資。

對于供電距離小于400 m 的中小容量電動機或供電距離小于200 m的大容量電動機回路，一般來說相間短路保護可以滿足單相短路保護靈敏性，固不需要另外配置單相接地保護裝置。

對于裝設有軟啟動裝置的低壓電動機，可以適當減小其斷路器瞬動電流整定值，從而使其相間短路保護滿足兼做單相短路保護的靈敏性要求。