综合保护装置在电机控制中的应用

综合保护装置在电机控制中的应用

张鑫 周颖 翟伟波

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266109

摘要：随着工业信息的发展，现代化生产制造企业所使用的转机设备基本上都是连续运转的，电动机作为驱动转机设备的动力源，对其安全性、稳定性都有极高的要求，而传统的电机保护方式一般采用热继电器、熔断器等保护元件为主，因电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍存在。本文详细介绍了一种电机综合保护装置，当电机出现过载、过流、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，就会发出预警或者主动采取保护措施，重点对综合保护装置的应用进行说明。

关键词：综合保护装置；电机控制；应用

引言

针对电机控制中电动机经常出现一次绕组烧损及3次谐波电压含有率偏大等问题，分析了电动机频繁损坏的机理，比较各种电动机保护方法的优缺点，提出了一种基于物联网的智能抗消谐电动机综合保护方法，设计相应的装置控制原理，开发相应的物联网APP，该方法在系统异常时能正确可靠动作保护电动机。

1电机的故障类型及其保护方式

高压电机在工业企业生产中占据重要位置，其安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用。同时电机本身是十分贵重的电气设备，保障电机在电力系统中的安全运行非常重要。因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设相应的保护装置，以便尽快切除故障或发出预告信号，避免造成高压电机烧毁和其他的损失。

1.1高压电机的故障类型

高压电机常见的故障类型主要有以下几种：

定子绕组相间短路；定子一相绕组内的匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流消失。

1.2高压电机的保护方式

针对以上故障类型及不正常运行状态，电机的保护方式一般可有以下几种：对1MW以上电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差动保护；直接连于母线的电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流大于规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置；对于电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差动保护；200MW及以上的电机有条件时可装设双重化横差保护；对于电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于50MW及以上的电机；复合电压（包括负序电压及线电压）启动的过电流保护，一般用于1MW以上的电机；过电流保护，用于1MW及以下的小型电机；带电流记忆的低压过流保护，用于自并励电机；对于有不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的电机上装设负序过电流保护；对于由对称负荷引起的电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护；对于水轮电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护；对于电机励磁回路的一点接地故障，对1MW及以下的小型电机可装设定期检测装置；对1MW以上的电机应装设专用的励磁回路一点接地保护；对于电机励磁消失故障，在电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开电机的断路器；对采用半导体励磁以及100MW及以上的采用电机励磁的电机，应增设直接反应电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护；对于转子回路的过负荷，在100MW及以上，并且采用半导体励磁系统的电机上，应装设转子过负荷保护；对于汽轮电机主汽门突然关闭而出现的电机变电动机运行的异常运行方式，为防止损坏汽轮机，对200MW及以上的大容量汽轮电机宜装设逆功率保护；对于燃气轮电机，应装设逆功率保护。

2综合保护装置设计

针对高压电机常见故障，设计了一种包含过电流保护、低电压保护、单相接地保护、差动保护等保护的综合装置。

2.1差动保护

容量在2000kW及以上的电机或虽然容量在2000kW以下但具有6个引出线端子的重要电机应装设纵联差动保护。容量在5000kW以下的电机差动保护采用两相式接线和DL继电器；容量在5000kW以上时，采用三相式接线和BCH-2继电器。现以采用DL继电器为例。保护原理：当采用DL-11型继电器组成两相式接线差动保护时，为躲过电机启动时励磁涌流的影响，可利用一个带0.1ｓ延时闭合的出口中间继电器动作于高压断路器跳闸。

2.2低电压保护

电机低电压保护的目的是保证重要电机顺利自启动和保护不允许自启动的电机不再自启动。在正常运行时，各低电压继电器的常闭触点全部断开，低电压保护不动作。

2.3模拟量输出/输入功能

综合保护装置具有4～20mA变送输出， 其变送值输入上位机或者是外部模拟量输入，如温度等信号。

2.4开关量输入

综合保护装置具有多路无源干接点光电隔离输入，可以接收来自外部的启动、停止、急停等开关信号，可编程自定义。

3智能抗消谐电动机综合保护方案及装置设计

3.1电机综合保护方案

目前的主要问题是如何设计一种措施，既能防治铁磁谐振的暂态冲击，又能同时抑制低频振荡的冲击电流。4电压互感器法、非线性电阻法、二次消谐等方法基于不同原理，各有所长或特色，并广泛应用在电机控制中，但在实际运行中也暴露出一些问题和不足，没能优势互补、有效整合形成一套针对电动机的完整解决方案。通过分析可得出以下结论：非线性电阻一次抗谐限流是一种比较理想的方案，既可抗谐振又可有效抑制低频振荡的冲击电流；可控硅二次消除谐振也是一种比较理想的方案，解决系统谐振、低频振荡等问题。本文将一次抑谐限流和可控硅二次消谐相结合的方法形成电动机综合保护解决方案。用于快速有效抑制系统的系统谐振、电动机涌流、低频振荡等各种电动机故障。

3.2直接启动模式

直接启动模式下，在就绪状态，当控制器收到启动命令后，内部继电器DO1吸合，则接触器KM线圈得电吸合，电动机启动。当控制器收到停车指令或者有保护跳闸动作发生的时候，继电器DO1断开，接触器KM失电释放，电动机停车。若发生保护跳闸，需按复位键方可清除控制器故障指示，进入就绪态。

3.3双向启动模式

在双向启动模式下，就绪状态时，当保护器收到启动A命令时，内部继电器DO1闭合，接触器KM1得电吸合；当控制器收到停车命令或者发生保护跳闸时，DO1继电器断开，接触器KM1失电释放，电动机停车。就绪状态时，当保护器收到启动B命令时，内部继电器DO2闭合，接触器KM2得电吸合；当控制器收到停车命令或者发生保护跳闸时，DO2继电器断开，接触器KM2失电释放，电动机停车。

结语

本设计在分析各种电机故障及其保护措施的基础上，设计出一种综合保护措施，可以同时对电机的多种问题实现保护。采用这种综合保护装置，充分利用过电流保护、低电压保护、单相接地保护以及差动保护等多种继电保护是可在第一时间将故障切除，高效保证电机的可靠运行的。日常继电保护管理要求实现全面网络化与计算机化，此应用和良好继电保护综合分析管理系统具有密切关系。使用B/S与C/S混合技术创建数据库系统，以实际功能需求在图形平台实现各模块的设计，利用此网络软件构成整体。

参考文献

［１］国家电力调度通信中心．发电机变压器继电保护应用［Ｍ］．北京：中国电力出版社，2004．

［２］朴在林．变电所电气部分［Ｍ］．北京：中国水利水版社，2002．

［３］王维俭．电气主设备继电保护原理与应用（第二版）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，2002