石化企业大型机组电动机综合保护

石化企业大型机组电动机综合保护1 前言采用大型异步电动机(2MW及以上)拖动的机组是石化企业的重要用电设备，如何利用微机综合保护控制装置(以下简称保护装置)，在即能确保生产操作平稳又可完成维护设备安全的基础上，对大型机组的电气及机械部分进行全面地保护是石化企业电气人员必须认真解决的问题。

随着智能电子装置(IED)在供配电系统继电保护的应用，其快速的计算性、良好的存储及强大的网络功能，为大型异步电动机的综合保护提供许多常规继电保护无法完成的技术和功能。

目前，我国石化企业的电气技术人员对国内外各种综合保护装置的新功能未能充分领会，对大型机组异步电动机综合保护应用方面非常谨慎，过分依赖综合保护装置销售公司的技术人员，而这些技术人员又对石化企业大型机组的供配电系统、生产工艺、机械性能及运行管理等方面不慎了解，又由于石化设计部门的电气设计人员也对石化企业大型机组电动机的实际运行和管理规定不够理解，因此，仅能靠保护装置的说明书参照机电式继电器的保护功能如法炮制，使保护装置的许多功能未能得到很好的开发或不能应用的恰到好处。

2 石化企业大型机组的特点2.1重要性高大型机组是石化企业的重要设备，被称为石化企业的“心脏”，一旦发生事故停机将会造成重大的经济损失和安全隐患，石化企业的各个部门都非常重视。

2.2相对容量较大石化企业大型机组的用电总容量通常占该企业用电总容量的25～35%，最大单机启动容量通常也能占总变电所变压器额定容量的80～100%。

2.3启动时机端电压降很大石化企业催化装置轴流式主风机组电动机直接启动时，通常机端电压约为电动机额定电压U N.M的75%。

2.4启动时间长石化企业启动时间最长的通常也为催化装置轴流式主风机。

在无烟机推动的情况下，三机组(电动机、轴流机和烟机)通常启动时间在50～60s，而四机组(电动机、轴流机、烟机和汽轮机)启动的时间就更长，甚至某些大型机组严禁直接启动电动机，只能采用烟机或汽轮机将大型机组拖至约90%额定转速，再由电动机将其拉入额定转速。

通常在石化企业中，即使能够直接启动的催化装置轴流式主风机组也采用此方法启动。

3 供配电系统及保护设计3.1大型机组电动机供电系统[1]设计当大型机组电动机启动容量大于石化企业总变电所变压器容量的60%时，宜采用专用线路供电方式，当为70%以上时应采用专用线路供电。

专用供电方式的母线TV可采用V接线。

开关柜内的相TA宜采用三相，多条电力电缆应共用同一零序TA。

机端接线盒内应设置电动机专用氧化锌避雷器保护，并应安装三相磁平衡专用TA，宜采用电容器吸收电路。

3.2辅助油泵电气设计大型机组的润滑油和动力油系统是确保机组安全运行的关键因素之一，因此，大型机组的辅助油泵的连续供电就显得尤为重要，主、辅油泵不但应具有低油压工艺联锁，而且还应具备电气互投联锁。

一旦石化企业外电网发生故障使主、辅油泵供电系统同时产生瞬时欠压(Voltage Dip，电压骤降，例如电力系统发生雷击故障)后，导致主泵停机。

电压恢复后，如主、辅泵因低油压或电气联锁同时启动，则大型机组很可能因辅助油系统超压而停机；如电压恢复后仅启动单台油泵，主、辅泵谁能启动则是随机的。

如能启动主泵，则此时主泵仍能维持约80%的额定转速，大型机组辅助油系统的油压在瞬时欠压过程中仅会出现瞬时微弱下降，通常不会对大型机组的运行有任何影响；若此时启动辅泵，则辅泵需3~5s从静止状态加速至额定转速，重新建立油压，造成大型机组的辅助系统油压短时急速下降，极易引起大型机组因低油压而停运，使重要生产装置停产，给企业造成重大的经济损失。

辅助油泵宜与大型机组电动机由同一供配电系统供电，并应将与大型机组电动机处于同一供配电系统的辅助油泵作为主泵运行。

3.3保护设计安装大型机组电动机保护[2,3]设计安装时应注意：⏹在高压开关柜控制摇门上，应设置一个断路器处于试验位置时能将运行位置开关接通的控制开关，以便工艺和仪表专业在大型机组常规启动前联锁试验之用；⏹为了防止不必要的纠纷，便于管理和故障记录，还应在高压柜控制摇门上设置工艺联锁机组故障跳闸信号继电器，然后再经保护装置跳闸；⏹ 应将大型机组电动机的各绕组和轴瓦的温度与机组其他温度测点一起，由仪表专业统一引入操作室，以便操作人员直接监视；⏹ 应将大型机组电动机的各种故障跳闸及热状态报警信号在操作室内显示；⏹ 宜将负序过电流、零序过电流、过电压、TV 电压回路故障报警信号引入操作室。

⏹在选择用于保护的TA 时，应校验电流速断保护一次整定值是否低于TA 饱和电流极限值的90%，并低于大型机组电动机端子上最小三相故障电流的30%；⏹ 应采用磁平衡保护取代常规的纵联差动保护作为大型机组电动机的主保护；⏹ 宜选择具备磁平衡保护的保护装置[4,5,6]；⏹ 保护装置选型时应注意辅助电源的电压范围； ⏹保护装置的辅助电源应与大型机组电动机控制电源分开控制，而且各控制元件应分开布置(例如，将控制开关分别布置在端子排的两端)以防误操作；⏹ 应注意各相电流、磁平衡电流及零序电流输入的极性，如极性混淆将引起保护装置误动；⏹ 保护装置输入的三相测量电压宜由TV 柜通过三个单相空气开关及专用的控制电缆直接引入； ⏹ 保护装置的外壳必须可靠接地；⏹ 开关量输入端必须接入辅助电源，并应注意辅助电源的极性；⏹ 保护装置的安装高度不宜高于1.8米，以便整定试验及维护时观察数据；⏹安装时必须严格按设计图配线。

4 保护整定计算目前，国内外的各种保护装置内的整定值表示方式各不相同，有的直接输入一次整定值，也有的仍然使用二次物理整定值，还有一些非常简单的保护装置可直接输入电气设备的物理参数，由保护装置本身定义整定值，但为了适应互感器二次数值的不同，多数保护装置采用的是标幺整定值作为整定数据。

本文仅给出标幺整定计算数值。

4.1 电流速断保护整定计算石化企业大型机组电动机电流速断保护整定值为：p.TAp M.N stI ph .rel Iph.set I I K K I =I TAp .s (1)式中，Iph .rel K 为电流速断保护可靠系数，宜取1.6；K st为电动机启动电流倍数；I N.M 为电动机额定电流，A ；I TAp.p为相TA 一次电流，A ；I TAp .s 为相TA 二次(基准)电流，A 。

电流速断保护动作时间应设为ms 0t Iph .set =。

电流速断保护灵敏系数检验：p.TA I ph .set "min.2k I senI I I 1000K ≥(2)式中，Isen K 为电流速断保护灵敏系数，取2；"min .2k I 为最小运行方式下，大型机组电动机接线端两相短路时，流过保护装置安装处的超瞬态电流，KA 。

4.2 过电流保护整定计算由于大型机组电动机的启动电流很大，当电流速断保护不能满足灵敏度时，可再投入过电流保护，躲过电动机启动电流的非周期分量，并可作为电流速断保护的后备保护，但此时必须满足灵敏度要求，其整定值为：p.TAp M.N stIIph .rel II ph .set I I K K I = I TAp .s (3)式中，IIph .rel K 为过电流保护可靠系数，应取1.25。

过电流保护动作时间通常取ms 250t IIph .set =。

过电流保护灵敏系数检验：p.TA II ph .set "min.2k IIsenI I I 1000K ≥(4)式中，IIsen K 为过电流保护灵敏系数，也应取2。

4.3 磁平衡差动保护整定磁平衡差动保护的整定值应躲过外部供配电系统故障时，大型机组电动机供出的电容电流，以及内部单相接地的故障电流，通常取I set.MB ＝0.2，整定时间为t set.MB ＝0ms 。

4.4 热过负荷保护[7]整定计算在大型机组电动机的热过负荷保护整定时，不应仅考虑大型机组电动机的电气部分，还应顾及大型机组电动机和所拖动设备的机械性能。

由于各石化企业的生产工艺及所采用的设备不同，对大型机组电动机的热过负荷保护要求也不尽相同，因此需要继电保护运行管理人员根据本企业大型机组电动机与所拖动设备及生产工艺的特殊性，认真研究各大型机组电动机热过负荷保护的动作方式及其整定值。

4.4.1 热过负荷标幺电流整定计算热过负荷标幺电流整定值也是启动超时及运行堵转保护整定的基础，在大型机组电动机保护整定计算中至关重要，应按下式计算：p.TAp M.N .rel .set I I K I θθ= I TAp .s (5)式中，K rel.θ为热过负荷保护可靠系数，对于石化企业大型机组的电动机宜取1.1。

4.4.2 热过负荷动作时间计算热过负荷保护是基于大型机组电动机负荷电流的正序和负序分量计算得到一个热映像，将热映像的曲线分为启动、运行和停止状态三段，通过调整参数T e1、T e2及T r 可改变各段曲线参数。

热过负荷动作时间通过下式计算得到：()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=set 2.set eq start 2.set eq .op I I I I ln t θθτθθθ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=set 2start 2K K ln θθτmin (6)式中，τ为热时间常数(当I set.θ<I eq ≤2I set.θ为T e1，当I eq >2I set.θ为T e2)，min ；K 为I eq /I set.θ 的比值，式中，I eq 为热等效电流值，I eq =22e 21I K I +，式中，I 1为正序电流分量；I 2为负序电流分量；K e 为负序电流识别因子，通常取3～6，相TA 为两相三接线推荐取3，相TA 为三相三接线宜取5[8]；θstart 为初始热状态值；θset 为热状态报警整定值θset.alarm 或跳闸整定值θset.trip 。

4.4.3 运行热时间常数T e1的整定参照其他形式大型机组电动机保护的曲线及整定值，不能仅考虑大型机组电动机的定子线圈，还应顾及到大型机组电动机与所拖动设备的机械故障，可取T e1=9～36min 。

通常启动时间或增安型电动机tE 时间为6～10s 的压缩机取9～16min ，而启动时间为12～60s 的风机取18～60min 。

4.4.4 启动热时间常数T e2的整定计算整定该时间常数时必须考虑允许大型机组电动机热态一次启动时间。

根据下式：⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=2.set 22pre2.op I I I I ln t θθτ min (7) 设t op.θ=K rel.Te2t st ，I pre =0.8I N.M ，而I set =K rel.θI N.M ，当电动机启动时I =K st I N.M 。