1、发电厂高压电动机断相保护的探讨沈明德（云浮发电厂，广东云浮 527328） 摘 要：针对目前高压电动机断相故障率高，而高压电动机保护大多数情况下不能进行断相保护的问题，分析了发电厂高压电动机发生常见的内部断相故障时流过的负序电流的特性，提出了用负序电流保护作电动机断相保护的新观点，并对负序电流保护的整定原则进行了探讨。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11 高压电动机断相故障率较高某发电厂 45 台功率为 2202 000 k W 的 6 k V 高压电动机近两年来出现故障共 50 台次（见表 1）。在 21 台次定子线圈故障中，线圈端部连线或跳线烧
2、断占 19 次，线圈在铁心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最高。在 19 次断相故障中，有 3 次发展为相间短路由保护动作跳闸，其余 16 次保护均未动作，靠运行人员发现电动机放炮后，手动切开关，此时电动机损坏已相当严重。12 现有保护不能作断相保护目前发电厂高压电动机保护的一般装置设计原则为：2 MW 以下的电动机只装设速断定时限过流保护，2 MW 及以上的配差动保护和反时限过流保护。电动机断相故障一般是在起动时发生，这时差动保护不可能动作；电流速断定时限过流保护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 0866 倍（见 32 节的分析
3、），故电流速断定时限过流保护也不会动作；而反时限过电流保护是按躲过电动机的起动电流整定，断线情况下起动时也不会动作，因起动后的电流只有电动机正常空载电流的 13 。这就使得电动机在单相断线时没有快速保护动作，造成故障扩大。因此，装设电动机断相快速保护是十分必要的。较灵敏，所以大型高压电动机有必要配置负序电流保护，以作为断相（线）故障的主保护。2 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：一是电动机本身的参数不对称；二是所接的电网参数不对称。21 外部参数不对称时在出现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不同有很大的区别。对于单元机组，当故
4、障发生在主变压器高压侧以外时，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，只产生负序转距，使电动机的定、转子电流增大。而负序电流对发电机的影响则绝然不同，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。所以，发电机负序电流保护以转子发热条件为依据，可采用反时限特性配置和整定保护，而对电动机则未必可取。当发电机出口附近短路故障不对称时，发电机变压器保护一般能在很短的时间切除故障，也不会对电动机造成很大的危害。以上两种情况，负序电流存在时间都很
5、短，此时并不要求电动机负序电流保护动作。但是，在电动机高压母线上或靠母线很近的其它电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 L2 和 L3 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：把上式分解为序电压，得由于电动机的暂态过程一般很短（毫秒级），在这个过程中可以忽略电动机铁心的磁通饱和，利用叠加原理分别作出正序和负序等值电路（如图 1 所示）。 由图 1 的等值电路求得：正序电流负序电流由于电动机的机械惯性，故障开始一段时间内，电动机的转速下降不多，转差率没有明显的变化，s0，在负序网络中，由于所以，此时流入
6、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过起动电流整定，不全动作。在上面的分析中，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，实际的负序电流要比式（4）小，但仍是相当大的。综上所述，在外部参数不对称时，故障时间不会太长，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。22 内部参数不对称可能造成电动机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等。从运行经验看，定子线圈匝间短路很少发生，定子线圈断线故障率却相
7、当高，此时不管流入电动机的负序电流是多大，电动机是否过热电动机均应立即跳闸，而不应以常规反时限特性保护来作用于电动机跳闸，以避免故障扩大。从理论分析可知负序电流保护对此类故障反应很灵敏。对于转子的故障，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、频率的升高或运行低速会使转子电流增大，转子线圈更快发热。定子负序电流的大小与定子、转子发热没有严格的关系。因此，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，高定值为段，低定值为段，运行整定方便灵活。3 电动机负序电流保护的整定原则31 低定值整定原则311 动作电流的整定因为正常运
8、行时电动机允许端电压有 5%的偏差，允许系统电源扰动以及电流互感器有 10%的误差等，所以会产生不平衡负序电流。为了躲过正常运行时的不平衡负序电流，负序电流低定值按下式整定：式中：I 2，act1 负序电流保护的最小动作电流；Ir电动机的额定电流；K可靠系数，取 13。312 动作时限的整定动作时限的整定分两种情况：a ）作为发信号用时，由于断路器合闸时的三相非同时，电动机起动过程中产生大电流、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都会引起较大的负序电流，可通过延时来躲过。因此，动作时间应大于相邻设备的速断保护时间与断路器的分闸时间之和，可取（05 2）s。b ）作为相间
9、短路保护的后备保护，即投跳闸时，动作时间 tact1 应大于相邻设备及本设备的相间后备保护的动作时间，一般可取t act1at s式中 ts 为下一级后备保护时间，a0 5 s。32 高定值整定原则321 动作电流的整定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 Klm 可取 13 ，即式中：I 2，act 负序电流保护的动作电流；I 2，min 电动机一相断线时的最小负序电流。高压电动机绕组接成星型的较多，中性点不接地，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，在忽略了电源系统的正、负序阻抗，认为电源为理想电压源时，电动机转子的负序（频率折算后）漏电抗与正序
10、漏电抗相等。设电动机断相时的转差率为 s，电源电压为 E1，并令转子的正序等值阻抗 负序等值阻抗 从等值电路可以求出负序电流为：式（6）表明，断相起动时负序电流为正常起动时电流的 12 ，非断相的相电流为正常起动电流的 0866 倍。当转差率 s 很小时，项趋向于无穷大，则此时式（5）可近似写为：由于（Z 1Z 2（2 ） ）比 Z0 小得多，所以式（ 7）与式（8）的绝对值近似相等，即电动机在 s0 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322 动作时限
11、的整定动作时间应大于本设备、相邻设备的速断保护动作时间与断路器的分闸时间、开关的熄弧时间之和，当不考虑负序电压闭锁时，动作时间可取 12 s。4 应注意的问题a ）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。b ）负序电流保护应为三相保护，利用三相电流判断比较准确，可以提高灵敏度c）虽然负序保护对保护电动机断线非常有效，但对检测负序电流非常困难，特别在电动机起动时，由于三相合闸时间有偏差，起动时负序电流更难把握。在应用中可以录波实测值整定，也可通过开关辅助接点自动投退保护，待电动机正常运行时投入负序保护，减少误动。5 结束语根据以上负序电流保护对高压电动机断相故障保护的可行性分析，对云浮发电厂的厂用高压电动机微机综合保护装置增加了负序电流判据的逻辑，并投入运行，在运行中，高压电动机启动过程未出现保护误动现象，运行情况良好。
