大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)繼電保護(hù)研究

顧海鸝， 宋曉東

(1.吳忠天凈電力勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，寧夏吳忠 751100;

2.鄭州瑞泰科技有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

大型電動(dòng)機(jī)是大型廠礦企業(yè)中數(shù)量眾多的重要電氣設(shè)備。如何為電動(dòng)機(jī)提供更加先進(jìn)可靠的保護(hù)措施，為工廠的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)大的支持，一直是設(shè)備運(yùn)行部門(mén)和繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家非常關(guān)注的問(wèn)題。本文分析了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)中繼電保護(hù)存在的問(wèn)題，并提出了解決這些問(wèn)題的思路，為完善電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)提供了方法。

1 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)分析

在工廠供電中，一般會(huì)有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)掛在同一條母線(xiàn)下運(yùn)行。在正常工作開(kāi)始時(shí)，并聯(lián)在同一條母線(xiàn)下的電動(dòng)機(jī)依次起動(dòng)，起動(dòng)完成后正常運(yùn)行。為保證重要電動(dòng)機(jī)在電源突然失電下的正常運(yùn)行，還會(huì)設(shè)有備用電源，或是在電源進(jìn)線(xiàn)端設(shè)有重合閘裝置;電源失電時(shí)，次要電動(dòng)機(jī)通過(guò)繼電保護(hù)裝置的失壓保護(hù)跳開(kāi)，重要電動(dòng)機(jī)則在母線(xiàn)電源重新投入后進(jìn)行自起動(dòng)。并聯(lián)在同一條母線(xiàn)下的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行示意圖

2 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式

2．1 冷起動(dòng)

電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)一般為空載或輕載起動(dòng)，此時(shí)有以下幾種起動(dòng)方式:

(1)常規(guī)起動(dòng)。額定電壓下直接起動(dòng)，電流由零突然增大至4.5Ie以上(Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流，下同)，而后降至Ie以下。如圖2中曲線(xiàn)1所示。

(2)傳統(tǒng)降壓限流起動(dòng)。通過(guò)定子回路串接電抗器、采用自耦變或采用Y/Δ起動(dòng)等方法降低起動(dòng)電流，但起動(dòng)電流仍在3Ie以上。如圖2中曲線(xiàn)2所示。

(3)降壓軟起動(dòng)。采用軟起動(dòng)器控制電流電壓變化，限制起動(dòng)電流不至于過(guò)大。電流增大至Ie以上而后降至Ie以下，此種起動(dòng)過(guò)程電流大于Ie時(shí)間比較長(zhǎng)。軟起動(dòng)可有效降低電動(dòng)機(jī)的電流，其起動(dòng)電流僅為標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)常規(guī)起動(dòng)電流的50%。如圖2中曲線(xiàn)3所示。

(4)變頻軟起動(dòng)。采用高性能可控硅變頻調(diào)壓起動(dòng)，使得起動(dòng)電流曲線(xiàn)更加平穩(wěn)，起動(dòng)電流更小。如圖2中曲線(xiàn)4所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)電流曲線(xiàn)示意圖

2．2 熱起動(dòng)

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中突然斷電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)如下:電動(dòng)機(jī)還在轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速下降)，短路器位置為合位，電流不為零，電壓下降;短時(shí)經(jīng)重合閘或備用電源自投后的帶載自起動(dòng)。在短時(shí)間內(nèi)，電壓變化如圖3所示:t0～t1時(shí)間為失電前的正常運(yùn)行狀態(tài)下的電壓，t1～t2時(shí)間為失電時(shí)的電壓變化曲線(xiàn)，t2以后為電源重新投入后的電壓變化曲線(xiàn)。

圖3 電動(dòng)機(jī)母線(xiàn)電壓變化示意圖

3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的繼電保護(hù)現(xiàn)狀

3．1 現(xiàn)有起動(dòng)判別

電流變化由無(wú)流(小于某個(gè)值如0.2 A)開(kāi)始增大或是斷路器位置由分到合，判為電動(dòng)機(jī)開(kāi)始冷起動(dòng)，計(jì)時(shí)開(kāi)始，在起動(dòng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行正常的起動(dòng)中堵轉(zhuǎn)保護(hù)判別。經(jīng)過(guò)整定時(shí)間后進(jìn)行電流判別，如此時(shí)電流大于某個(gè)值則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)，“起動(dòng)超時(shí)保護(hù)”動(dòng)作跳閘，如果此時(shí)電流小于某個(gè)值則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功，“起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志”置1，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始處于正常狀態(tài)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)邏輯判別如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)邏輯圖

3．2 問(wèn)題分析

由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱運(yùn)行，會(huì)破壞電動(dòng)機(jī)的絕緣，降低電動(dòng)機(jī)的壽命，因此電動(dòng)機(jī)只允許短時(shí)的過(guò)熱運(yùn)行，不能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)在大電流起動(dòng)時(shí)，如果長(zhǎng)時(shí)間不能正常起動(dòng)，就可能會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱燒毀電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)都配有起動(dòng)超時(shí)保護(hù)或是起動(dòng)中堵轉(zhuǎn)保護(hù)，通過(guò)判斷電流從零突然增大，或是通過(guò)判別斷路器位置從分位變合位來(lái)判別電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，如果長(zhǎng)時(shí)間不能正常起動(dòng)，就要跳開(kāi)以免燒壞電動(dòng)機(jī)。同時(shí)在起動(dòng)過(guò)程中有大電流出現(xiàn)，因此有些關(guān)于電流的保護(hù)要進(jìn)行改變:電流一段(堵轉(zhuǎn)保護(hù))自動(dòng)升為電流定值的整定倍數(shù)(1～4倍);電流二段退出;反時(shí)限電流保護(hù)自動(dòng)升為電流定值的整定倍數(shù)(1～4倍);過(guò)負(fù)荷保護(hù)退出;差動(dòng)保護(hù)退出或增加延時(shí)等。在起動(dòng)完成后，起動(dòng)超時(shí)保護(hù)退出，其他保護(hù)變?yōu)檎Ｖ颠M(jìn)入運(yùn)行中的保護(hù)狀態(tài)。因此正確判別電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程非常重要，但以上都只能是對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)進(jìn)行判斷，對(duì)電動(dòng)機(jī)的熱起動(dòng)不能判斷。

現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置中有一項(xiàng)是低電壓保護(hù)，其目的就是在斷電后跳開(kāi)不重要電動(dòng)機(jī)，保證重要電動(dòng)機(jī)的熱起動(dòng)。如果不能正確判斷電動(dòng)機(jī)的熱起動(dòng)，會(huì)造成適得其反的效果:本來(lái)輕載電動(dòng)機(jī)可以完成熱起動(dòng)的，但因?yàn)椴荒苷_判斷電動(dòng)機(jī)在熱起動(dòng)中，其他保護(hù)沒(méi)有改變，造成電動(dòng)機(jī)跳閘;原本重載電動(dòng)機(jī)不能完成熱起動(dòng)的，但因?yàn)椴荒苷_判斷電動(dòng)機(jī)的熱起動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間不跳閘，造成燒毀電動(dòng)機(jī)的事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的燒毀事故中相當(dāng)多是由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱運(yùn)行造成的，其中很大一部分就是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的熱起動(dòng)燒毀的。

4 改進(jìn)后電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的判別方法

4．1 熱起動(dòng)判別

根據(jù)電動(dòng)機(jī)在自起動(dòng)過(guò)程中電壓、電流變化的特點(diǎn)進(jìn)行判斷:從電源失電到備用電源投入這段時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)還在轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速低)，斷路器位置為合位，電流不為零(大于某個(gè)值如0.2 A)，電壓將會(huì)降低至60 V以下，后由于備用電源投入，電壓會(huì)很快上升至80 V以上，電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)開(kāi)始，此時(shí)電流會(huì)持續(xù)增大?？紤]實(shí)際情況最快300 ms內(nèi)升至最大值(如果300 ms內(nèi)電流升到最大值，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)受影響不大)，對(duì)電流的平方進(jìn)行總長(zhǎng)300 ms間隔100 ms的積分，如果積分一直上升，則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)為熱起動(dòng)開(kāi)始，計(jì)時(shí)開(kāi)始，在起動(dòng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行正常的起動(dòng)中堵轉(zhuǎn)保護(hù)判別。在起動(dòng)時(shí)間內(nèi)如果出現(xiàn)電壓低于80 V的現(xiàn)象則認(rèn)為是系統(tǒng)振蕩，電動(dòng)機(jī)不再進(jìn)行起動(dòng)中堵轉(zhuǎn)保護(hù)判別，如果電壓一直持續(xù)大于80 V，經(jīng)過(guò)整定時(shí)間后進(jìn)行電流判別，如此時(shí)電流大于某個(gè)值則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)，“起動(dòng)超時(shí)保護(hù)”動(dòng)作跳閘，如果此時(shí)電流小于某個(gè)值則認(rèn)為電動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)成功，“起動(dòng)結(jié)束標(biāo)志”置1，電動(dòng)機(jī)又處于正常狀態(tài)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)邏輯判別如圖5所示。

圖5 電動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)邏輯判別

4．2 電動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)判別分析

(1)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障。如果是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部短路故障，電壓降低，電流增大，但電壓不會(huì)上升:由60 V上升至80 V，不進(jìn)行“起動(dòng)超時(shí)保護(hù)”判別，保護(hù)不存在問(wèn)題。

(2)系統(tǒng)振蕩。如振蕩周期大于450 ms，一個(gè)周期內(nèi)電壓不能由60 V上升至80 V，“起動(dòng)超時(shí)保護(hù)”不會(huì)起動(dòng);振蕩周期小于450 ms的話(huà)，一個(gè)周期內(nèi)電壓由60 V上升至80 V，但由于振蕩周期小于450 ms，此時(shí)電流積分3次300 ms不可能一直增加，即使積分一直增加，但在整定時(shí)間內(nèi)肯定會(huì)出現(xiàn)電壓低于80 V的情況，“起動(dòng)超時(shí)保護(hù)”返回，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

(3)融合冷起動(dòng)和熱起動(dòng)的綜合判別。

①冷起動(dòng)時(shí)不再判位置，只判電流變化由無(wú)流(小于某個(gè)值如0.2 A)開(kāi)始增大;

②熱起動(dòng)時(shí)有電流先判電壓變化:一個(gè)周期內(nèi)電壓由60 V上升至80 V，再判電流平方積分增大的變化;

③如果失電時(shí)間長(zhǎng)，電流接近為零，備用電源投入后，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)適用于冷起動(dòng)判別，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)邏輯判別如圖6所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)邏輯判別

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式及起動(dòng)特性的分析，分別提出了電動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)及熱起動(dòng)的保護(hù)方案;尤其是就電動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)時(shí)有殘壓殘流的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)電壓的突變和對(duì)電流平方積分的變化進(jìn)行判斷電動(dòng)機(jī)的熱起動(dòng)，并提出了全新的起動(dòng)保護(hù)方案，能夠有效改善目前電動(dòng)機(jī)起動(dòng)中繼電保護(hù)存在的問(wèn)題，為工廠大型電動(dòng)機(jī)的安全生產(chǎn)提供幫助。

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