第9章电动机和电力电容器的保护

机械工业出版社电力系统继电保护第9章电动机和电容器的保护机械工业出版社第9章电动机和电容器的保护9.1电动机的故障、不正常工作状态及其保护方式9.2厂用电动机保护9.3同步电动机保护9.4失磁保护9.5电力电容器保护机械工业出版社9.1电动机的故障、不正常工作状态及其保护方式在发电厂厂用机械中大多数采用异步电动机，但是，在厂用大容量给水泵和低速磨煤机等设备上，则采用同步电动机。电动机的主要故障是定子绕组的相间短路，其次是单相接地故障引起一相绕组的匝间短路。定子绕组的相间短路是电动机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损坏，使供电网络的电压显著下降，破坏其他用电设备的正常工作。因此，对于容量为2000kW及其以上的电动机，或容量小于2000kW，但有6个引出线的重要电动机，都应该装设纵差保护。对一般高压电动机则应该装设两相式电流速断保护，以便尽快地将故障电动机切除。机械工业出版社单相接地对电动机的危害程度取决于供电网络中性点的接地方式。对于小接地电流系统中的高压电动机，当接地电容电流大于5～10A时，若发生接地故障就会烧坏绕组和铁芯，因此应该装设接地保护，当接地电流大于5A动作于信号，当接地电流大于10A时，动作于跳闸。一相绕组匝间短路，会破坏电动机的对称运行，并使相电流增大。最严重的情况是，电动机的一相绕组全部短接，此时，非故障相的两个绕组将承受线电压，使电动机遭到损坏。但是，目前还没有简单而又完善的方法来保护匝间短路，所以，一般不装设专门的匝间短路保护。机械工业出版社电动机的不正常工作状态，主要是过负荷运行。产生过负荷的原因是：所带机械过负荷；供电网络电压和频率的降低而使转速下降；熔断器一相熔断造成两相运行；电动机启动和自启动的时间过长。较长时间的过负荷会使电动机温升超过它的允许值，这样就加速了绕组绝缘的老化，甚至会将电动机烧坏。对于容易发生过负荷的电动机应该装设过负荷保护，动作于信号，以便及时进行处理。电动机电源电压因某种原因降低时，电动机的转速将下降，当电压恢复时，由于电动机自启动，将从系统中吸取很大的无功功率，造成电源电压不能恢复。为保证重要电动机的自启动，应装设低电压保护。机械工业出版社9.2厂用电动机保护对于厂用电动机，容量为2000kW以下时，一般可以装设电流速断保护。容量在2000kW及其以上的电动机，或容量小于2000kW，但有6个引出线的重要电动机，当电流速断保护不能满足灵敏系数的要求时，都应该装设纵差保护。此外，对生产过程中容易发生过负荷的电动机应该装设过负荷保护。机械工业出版社9.2.1纵联差动保护在小接地电流系统供电网络（3～6kV）中，电动机的纵差保护一般采用两相式接线，保护的原理接线图如图9-1所示。电动机的纵差保护由两个差动继电器构成，保护装置瞬时动作于断路器跳闸。图9-1电动机纵差保护原理接线图机械工业出版社高压电动机纵差保护所用的电流互感器的变比和型号应该相同而且满足10%误差曲线的要求。保护装置的动作电流可以按照躲过电动机额定电流来整定（考虑二次回路断线），即(9-1)式中Krel——可靠系数，当采用BCH～2型继电器时取1.3，当采用DL～11型继电器时，取1.5～2；IN——电动机的额定电流；KTA——电流互感器的变比保护装置的灵敏系数可以按照下式进行整定,式中为最小运行方式下电动机出口两相短路电流周期分量的有效值。reloprNTAKIIK2minKI23minmin0.872KKsenopTAoprIIKIKI(9-2)机械工业出版社9.2.2电流速断保护及过负荷保护中小容量的电动机一般采用电流速断保护作为电动机相间短路故障的主保护。电流互感器应尽可能安装在断路器侧。保护接线如图9-2所示。图9-2电动机的电流速断保护原理接线图(a)两相电流差接线方式；(b)两继电器的两相式接线方式机械工业出版社电动机电流速断保护的动作电流可以按照下式计算式中Krel——可靠系数，对DL－10型继电器，采用1.4～1.6，对GL—10型继电器，采用1.8～2；Kcon——接线系数，当采用不完全星形接线时，取1，当采用两相电流差接线时，取；Iss——电动机的启动电流（周期分量）；KTA——电流互感器的变比保护装置的灵敏系数可以按照下式进行校验ssTAconrelropIKKKI2min)2(minrOPTAKsIKIK3(9-3)(9-4)机械工业出版社电动机过负荷保护的动作电流按躲过电动机额定电流整定，可以按下式计算(9-5)式中Krel——可靠系数，动作于信号时，取1.05，动作于减负荷时，取1.2；Kcon——接线系数；Kre——返回系数，取0.85；IN——电动机的额定电流过负荷的动作时限应大于电动机带负荷的启动时间，一般取10～15s。MNTAreconrelropIKKKKI机械工业出版社9.2.3电动机单相接地保护在小接地电流系统中的高压电动机，当容量小于2000kW，而接地电容电流大于10A；或容量等于2000kW及其以上，而接地电容电流大于5A时，应装设接地保护，无延时地作用于断路器跳闸。高压电动机单相接地的零序电流保护装置的原理接线图如图9-3所示。机械工业出版社图中TAN为一环形导磁体的零序电流互感器。正常运行以及相间短路时，由于零序电流互感器一次侧三相电流的相量和为零，故铁芯内磁通为零，零序电流互感器二次侧无感应电动势，因此电流继电器KAZ中无电流通过，保护不会动作。外部单相接地时，零序电流互感器将流过电动机的电容电流。图9-3高压电动机零序电流保护装置的原理接线图机械工业出版社保护装置的动作电流，应该大于电动机本身的电容电流，即(9-6)式中Krel——可靠系数，取4～5；Ksen——外部发生单相接地故障，由电动机本身对地电容产生的流经保护装置的最大接地电容电流保护装置的灵敏系数可以按下式校验(9-7)式中3I0C.min——系统最小运行方式下，被保护设备上发生单相接地故障时，流过保护装置TAN的最小接地电容电流max03MCTArelropIKKI23min0ropTACsenIKIK机械工业出版社9.2.4电动机的低电压保护当电动机的供电母线电压短时降低或短时中断又恢复时，为了防止电动机自启动时使电源电压严重降低，通常在次要电动机上装设低电压保护，当供电母线电压降低到一定值时，延时将次要电动机切除，使供电母线有足够的电压，以保证重要电动机自启动。低电压保护的动作时限分为两级，一级是为了保证重要电动机的自启动，在其他不重要的电动机上装设带0.5s时限的低电压保护，动作于断路器跳闸；另一级是当电源电压长时间降低或消失时，对于根据生产过程和技术保安等要求不允许自启动的电动机，应装设低电压保护，经10s时限动作于断路器跳闸。机械工业出版社对于3～6kV高压厂用电动机的低电压保护接线，一般有以下四点基本要求：（1）当电压互感器一次侧发生一相和两相断线或二次侧发生各种断线时，保护装置均应不动作，并应发出断线信号。但是在电压回路发生断相故障期间，若厂用电母线上电压真正消失或下降到规定值时，低电压保护仍应正确动作。（2）当电压互感器一次侧隔离开关或隔离触头因误操作被断开时，低电压保护不应误动作，并应该发出信号。（3）0.5s和10s的低电压保护的动作电压应分别整定。（4）接线中应该采用能长期耐受电压的时间继电器。根据上述要求拟定的比较完善的电动机低电压保护接线图如图13－4所示。机械工业出版社图中，1KV～4KV为低电压继电器，1KV～3KV用于0.5s跳闸的低电压保护，4KV用于10s跳闸的低电压保护。1KV、2KV所接电压为Uab、Ubc。3KV和4KV所接电压为相电压Uac。3KV和4KV的专用熔断器（FU4、FU5）的额定电流比FU1～FU3熔断器的额定电流要大两级，在电压互感器二次回路故障时，FU1～FU3先熔断，从而保证3KV和4KV不致因二次回路断线失压而误动作。机械工业出版社当供给电动机的厂用母线失去电压或电压降低到低电压继电器1KV～3KV的整定值时，1KV～3KV动作，其常开触点断开，常闭触点闭合，经1KM的常闭触点启动时间继电器KT1，历时0.5s后，1KT延时触点闭合，启动信号继电器1KS，发出低电压保护跳闸信号，并将直流正电源加至低电压保护0.5s跳闸小母线WOF1，把次要电动机切除。如供电母线的电压仍不能恢复，则当电压降低到4KV的整定值时，4KV动作，其常闭触点闭合，启动时间继电器2KT，历时10s后，2KT的延时触点闭合，启动信号继电器2KS，发出低电压保护跳闸信号，并将直流正电源加至低电压保护10s跳闸小母线WOF2上，把相应的电动机切除。1KT和2KT启动后断开其常闭触点，分别在绕组回路中串入电阻R1、R2，以减少回路电流，从而使时间继电器能长期通电而不致烧毁。机械工业出版社当电压互感器一、二次侧断线时，1KV～3KV中相应于断线相无关的低电压继电器的常开触点闭合，光字牌HL1亮，发出电压回路断线信号。同时，1KM的常闭触点打开，断开1KT、2KT的操作电源，将低电压保护闭锁，因而可以防止低电压保护因电压回路断线而误动作。当电压互感器一次侧隔离开关因误操作而断开时，直流回路的隔离开关常开辅助触点QS随之断开，将保护的直流电源断开，从而可以防止保护的误动作。同时，监视直流电源的继电器KVS失磁，其延时返回的常闭触点闭合，光字牌HL1亮，发直流回路断线信号。同理，当直流回路熔断器熔断时，也发出此信号。机械工业出版社保护装置动作电压的整定如下：以10s延时切除重要电动机的低电压继电器4KV的整定值，在高温高压发电厂可以取为额定线电压的45%，即45V；在中温中压发电厂，可以取额定线电压的40%，即40V。以0.5s延时切除不重要电动机的低电压继电器1KV～3KV的整定按照躲开最低运行电压及大容量电动机的启动电压来进行整定，一般可以取额定线电压的（65%～70%）即（65～70）V。机械工业出版社9.3同步电动机的保护1kV以上的电动机应该装设以下几种保护：相间短路保护，单相接地保护，低电压保护，过负荷保护，非同步冲击保护，失步保护，失磁保护，相电流不平衡保护，堵转保护。机械工业出版社9.3.1过负荷保护过负荷保护的构成和异步电动机的相同。保护的动作电流整定为额定电流的1.4～1.5倍：保护延时动作于信号或跳闸，其动作时限大于同步电动机的启动时间。机械工业出版社9.3.2非同步冲击保护同步电动机在电源中断又重新恢复时，由于直流励磁仍然存在，会象同步发电机非同步并入电网一样，受到巨大的冲击电流和非同步冲击力矩。根据理论分析，在同步电动机的定子电动势和系统电源电动势夹角为135º，滑差接近于零的最不利条件下合闸时，非同步冲击电流可能高达出口三相短路的1.8倍；非同步冲击力矩可能高达出口三相短路时冲击力矩的三倍以上。在这样大的冲击电流和冲击力矩的作用下可能发生同步电动机绕组崩断，绝缘损伤，连轴器扭坏等后果，还可能进一步发展成为电机内部短路的严重事故。因此，规程规定：大容量同步电动机当不允许非同步冲击时，宜装设防止电源短路时中断再恢复时造成非同步冲击保护。机械工业出版社同步电动机在电源中断时，有功功率方向发生变化，因而可用逆功率继电器，作为同步冲击保护。同时，由于断电时转子转速在不断地降低，反应在电机端电压上，是其频率在不断降低，因此也可以利用反应频率降低，频率下降速度的保护作为非同步冲击保护。非同步冲击保护应确保在供电电源重新恢复之前动作。保护作用于励磁开关跳闸和再同步控制回路。这样，电源恢复时，由于电机已灭磁，就不会遭受非同步冲击。同时，电机在异步力矩作用下，转速上升，滑差减小，等到滑差达到允许滑差时，再给电机励磁，使其在同步力矩的作用下，很快拉入同步。对于不能再同步或根据生产过程不需要再同步的电动机，保护动作时应用于断路器和励磁开关跳闸。机械工业出版