发电厂高压电动机断相保护浅探

1发电厂高压电动机断相保护浅探长沙理工大电气成套设备厂：刘飞生摘要分析了在高压电动机外部系统两相短路及电动机内部断相时流过电机的负序电流，目前配置的高压电动机保护大多数情况下不能保护电机断相故障。因此提出了用负序电流保护作电动机断相保护的新观点，提出了电动机负序电流保护的整定原则。关键词高压电动机负序电流保护整定原则1装设高压电动机断相保护的必要性通过对某电厂近两年来45台6KV、功率为220-2000KW的高压电动机故障情况进行统计、分类（见表1），来分析高压电动机负序电流保护存在的问题。表1高压电动机故障分类统计表分类定子线圈转子鼠轮条轴承其它电缆馈线合计故障台次2111113450占总次数%42222268100在21台次定线圈故障中，线圈端部联线或跳线烧断占19次，线圈在铁芯部位的绝缘损坏直接引起相间短路的只有2次，可见线圈端部引线故障率相当高。在19次断相故障中，有3次发展为相间短路保护动作跳闸，其余16次保护均未动作，靠运行人员发现电机放炮起火后，手动拉开开关，此时电机损害已相当严重。这16次保护没有动作是由于目前设计电厂高压电动机保护的一般配置为：2MW以下的电机只装设定时限过流和速断，2MW及以上的配差动和反时限过流保护。而电动机断相故障一般是在起动时发生，这时差动保护流过不平衡电流，不可能动作，电流速断按躲过电动机的起动电流整定，断相时起动电流只有正常起动电流的0.866倍（见后面的分析），也不会动作，而反时限过电流保护也要躲过电动机的起动特性，断线情况下轻载起动时也不会动作，因为起动后的电流只有电机正常空载电流的..221aEU倍（见后面分析），这就使得电机在单相断线时没有保护及时动作，造成故障扩大，通过分析计算表明负序电流保护对这类断相故障反应比较灵敏，所以大型高压电动机配置负序电流保护很有必要。下面就这一问题进行分析。2怎样的电动机负序电流保护特性更合适2.1负序电流的产生及对电动机的作用电动机中产生负序电流不外乎两个因素，一是电机本身的参数不对称，一是所接的电网参数不对称。2.1.1外部参数不对称。在外部系统不对称故障时产生的负序电压在电动机中引起的负序电流随故障点的不同有很大的区别。对于单元机组，当故障发生在主变高压侧以外时，高压厂用电母线的负序电压很小，而且系统切除故障的时间不会很长，对厂用电动机的运行不会造成什么影响。从负序电流对电动机的作用来说，系统的负序电流不会在电动机中引起高次谐波，由于转子对称，只产生负序转矩，使电动机的定转子电流增大，而对发电机的影响则不同，因为系统负序电流会在发电机中引起一系列的高次谐波使转子发热，损坏发电机转子，这是发电机与电动机对负序电流的反应不同。所以，发电机负序电流保护以转子发热条件为依据，采用反时限特性有必要，而对电动机未必可取。当发电机出口附近不对称短时，发电机变压器保护一般能在很短的时间切除故障，也不会对电动2机造成很大的危害。以上两种情况下，负序电流存在时间都不会太长，电动机的负序保护采用电流反时限没有意义，这种情况下并不要求电动机负序电流保护动动作。在电动机高压母线上或靠母线很近的其它动机线路上发生两相短路时，在非故障的电动机回路会产生较大的负序电流。设BC两相短路，故障点在母线上，为简要地说明问题，忽略高压厂用电源的系统阻抗，则此时母线处的各相电压为：把它分解为序电压式中.aE、.bE、.cE为电源电动势。由于电动机的暂态过程一般很短（ms级），在这个过程中可以忽略电动机铁芯的饱和，利用迭加原理分别作出正序及负序等值电路如图1。由等值电路求得：正序电流：)/()/('22'0'22'011.1jxsrZjxsrZZUI...2.1.021210aaEEUUU...22.2.1.021211111131aaaEEEaaaaUUU......21,21,acabaEUEUEU3负序电流：])2[(])2[('22'0'2012.1jxsrZjxsrZZUI由于电动机的机械贯性，故障开始一段时间内，电动内的转速下降不多，转差率没有明显的变化，s=0，在负序网络中，由于)2()2/('2'2'2'20jxrsrjxZ所以Z0支路可以略去，考虑到..221aEU。则stacaaIZEjxrZEI212)2/(21'2'21.2式中Zac—电动机的短路阻抗；stI—电动机的起动电流Zsc—Z+r’2+jx’2所以，此时流入电动机的负序电流比正序电流大，接近电动机正常起动电流的一半。在这种情况下，非故障回路上的电动机速断保护按躲速起动电流整定，不全动作。但按反时限原则整定的负序电流保护，如特性整定得不高，也可能会速动出口，造成误动；如果整定得过高，对断相故障又没有发生故障的电动机回路负序电流保护动作，以便备用电源自投后或故障的支路切除后，非故障电动机能不停地运行，保证机炉继续运行。上面的分析中，忽略了电源的内阻抗，实际上，由于电源内阻的影响，作用于电动机的负序电压小于正序电压，实际的负序电流比上式要小，但仍是相当大的。综上所述，在外部参数不对称时，时间不会太长，不会对电动机本身造成很大的危害，一般不要求电动机的负序电流保护动作。2.1.2内部参数不对称。可能造成电动机的内部参数不对称的故障有：定子线圈相间短路，定子线圈匝间短路，定子线圈断线，转子断条，转子绕组匝间或相间短路。从运行的经验看定子匝间短路很少发生，定子线圈断线（相）故障率却相当高，而负序电流保护对此类故障反应也很灵敏，此时不管流入电动机的负序电流是多大，电机是否过热均应立即跳闸（断开电动机电源），而不应以反时限特性来作用于跳闸，以防拉弧使故障扩大。再从另一个角度来说，对于转子方面的故障，负序电流反应不灵敏，负序电流也不是转子发热的主要因素，倒是定子电源电压的降低或频率的升高或低速运行会使转子电流增大，发热更快。限制鼠笼电动机温升主要有两个方面，一是转子过电流发热影响转子导条的机械强度，一是鼠笼电动机定子过热影响定子绕组的绝缘和机械强度。定子负序电流的大小与定子、转子发热没有严格的关系。2.2从整定计算考虑传统的电机负荷电流反时限保护动作判据为aIAt22其中参数A和a运行部门一般无法把握，因为电动机的发热与诸多因素有关，如电机结构、散热方式、运行状态、环境等。况且流入电动机的负序电流与电动机的温升本来就不存在这种反时限的关系，所以运行部门根本无法整定。综合以上所述，电动机的负序电流保护采用反时限特性不可取。笔者认为采用二段式负序电流保护简单可靠，高定值为I段，低定值为I段，运行整定方便灵活。3电动机负序电流保护的保护职责及整定原则对于火电厂的高压电机来说，电动机断相故障机率很高，搞好大中型电动机的负序电流保护非常4重要。负序电流保护主要任务是保护电动机的断相故障。因为相间故障有差动、速断保护作主保护，以反时限过流保护作其后备保护，唯独断相故障没有保护。所以没有必要再用负序电流保护作为上间故障的后备保护，使整定原则不明确。电动机的负序电流保护应是断相（线）故障的主保护，如有必要也可以将其低定值的I段把动作时限整定得长一点作为相间短路的后备保护。笔者认为在这个技术原则问题上应有统一的认识，这对于提高火电厂的技术经济水平有重要的作用。3.1低定值整定原则躲过正常支行时不平衡负序电流，因为正常运行时电动机端电压允许有5%的偏差及系统电源的扰动、电流互感器有10%的误差等因素，负序电流低定值按下式整定：I2dx=K（0.1+0.05）Ie式中Ie—电动机的额定电流；K—可靠系数，取1.3动作时限的整定分两种情况：a.作为发信号用时，由于断路器合同闸时的三相非同时，电机起动过程中的大电流、过渡过程引起电流互感器的不平衡以及相邻近设备发生相间短路故障时都会引起较大的负序电流，可用延时来躲过。因此，动作时间应大于相邻设备的速断保护动作时间与断路器的分闸时间之和，可取tdzⅡ=0.5-2sb.作为相间短路保护的后备保护时，即投跳闸时，动作时间应大于相邻设备及本设备的相间后备保护的动作时间，增加一个△t，一般可取tdzⅡ=5-15s3.2高定值整定原则保证在电动机回路发生一相断线时有足够的灵敏度，其灵敏系数K1m可取1.3，即：3.1min21min212dmddzIKIImin2dI—电动机一相断线时的最小负序电流。图2单相、断相时电动机等值电路图高压电动机绕组接成Y较多中性绝缘，这时高压电动机的零序阻抗无穷大，在发生相断线时，根据边界条件作序网如图2所示，图2忽略了电源系统的正负序阻抗，认为电源为理想电压源，电动机转子负序（频率折算后）的漏抗与正序漏抗相等，设电动机断相时的转差率为s，电源电压为E1，并令Z2(1)=r’2/(s+jx)表示转子的正序等值阻抗，Z2(2)=r/(2-s)+jx表示转子的负序等值阻抗。从等值电路可以求出负序电流为：)2(20)1(20)1(20)1(201212ZZZZZZZZZEI（1）当S=1时，)2(20)1(20,ZZZZ5'2'2)2(20)2(20'2'2)1(200jxrZZZZjxrZZZ上式可近似地写为SCZEjxrZEI1'2'211221)(22式中，ZBC表示电动机的短路阻抗上式说明，断相起动时负序电流等于23I即为正常起动时电流的0.866倍。当转差率s很小时，s≈0，r’2/s项趋向于很大)2(2)2(20)2(200)1(200ZZZZZZZZZ此时项（1）可近似写为：)2(201122ZZZEI而Z1+Z2(2)≈ZacZacZZEI0112（2）而正常年空载电流近似为：101ZZEIon（3）由于Zac比Z0小得多，所以式（2）与式（3）的绝对值近似相等，即电动机在s=0时断相的负序电流近似等于其正常空载电流。这个数值大约为30%的额定电流。随着转差率的增大，负序电流也增大，所以电动机的断相最小负序电流的数值可以认为等于其正常运行的空载电流。即：onIImin2动作时间的整定：动作时间应大于本设备和相邻设备的速断保护动作时间加断路器的分闸时间加开关的息弧时间之和，当不考虑负序电压闭锁时。stdz2~114值得注意的问题前面已经提出，在高压电动机母线上或靠近母线的馈线上发生相间短路时，如果电动机负序电流保护的时限整定得很短，可能引起误动。如果电动机的负序电流保护仅作断相故障的保护，这个问题可以这样来解决：在发生相间短路时，厂用高压母线会出现较高的负序电压；而在某台电动机断线时，则引起母线上的负序电压的大小来区别是相间故障还是某台电动机断线。在相间故障时用负序电压来闭锁电动机的负序电流保护。这个方案也是很易实现的。这样使得电动机的负序电流保护整定可以不考虑与相间保护配合问题，把动作时间可速定得更短甚至为零，提高速动作。否则要牺牲动物速度，来躲开系统的相间故障。5关于负序电流取得方法问题6目前，负序电流保护都要加入三相，这样电动机馈线上就要装三相电流互感器，而早期设计的电厂高压电动机一般采用二相电流互感器，使得负序电流保护不能应用，笔者认为采用二相式负序电流继电器是比较合适的，其构成原理如下：)(601ejIIKUcajUj——加入继电器的电压；Ia——电动机CT二次侧A相电流；K——比例系数当仅有正序电流时，Ic1=Ia1ej1201所以：即加入正序电流时负序继电器没有输入电压，不反应正序电流；当仅有负序电流时，所以：即加入负序电流时负序继电器的输入电压幅值与负序电流的幅值3倍成比例。所以采用二相式负序电流继电器与三相式负序电流继电器比较有如下优点：a.灵敏度提高了3倍；b.不需三相电流互感器，解决了只有二相电流互感器不能实现负序保护的困难，大大地降低了成本；c.在用微机实现时，算法比三相式容易得多，且容易实现。下面分析断相情况下，这种负序电流继电器的反应能力。A相继线时：同理，C相断线时：Uj=KIa当B相断线时