微機電動機過負(fù)荷保護_secret

1、微機電動機過負(fù)荷保護摘 要：除了短路保護之外，過負(fù)荷保護是電動機在啟動和運行期間的主要保護，隨著微機在繼電保護的應(yīng)用，電動機過負(fù)荷保護除了傳統(tǒng)的曲線式保護，出現(xiàn)了自定義曲線、熱映像及溫度傳感器等新技術(shù)，而且至今還在不斷地進行改進，給保護的整定、校驗、運行及故障處理帶來了很大的方便。本文博采眾長，綜合性地介紹了目前國內(nèi)外電動機微機保護裝置所采用的過負(fù)荷保護。關(guān)鍵字：微機 電動機 過負(fù)荷保護1 引 言電動機是將電磁能轉(zhuǎn)換為機械能的用電設(shè)備，與變壓器等其它靜態(tài)電氣設(shè)備不同，電動機的過負(fù)荷保護不僅要考慮其電磁性能，還必須涉及其機械運動性能。微機保護以其快速的計算性、良好的存儲及強大的網(wǎng)絡(luò)功能，為電動機

2、的綜合保護提供許多常規(guī)保護裝置無法完成的技術(shù)和功能，而且目前國內(nèi)外電動機微機保護裝置是各有千秋，至今還在不斷地改進。微機電動機過負(fù)荷保護充分考慮了電動機的三種狀態(tài)，即啟動、運行和停止?fàn)顟B(tài)，除了提供曲線式保護外，還可完成自定義曲線、熱映像及溫度傳感器過負(fù)荷保護等新技術(shù)，給保護的整定、校驗、運行及故障處理帶來了很大的方便。2 曲線式過負(fù)荷保護微機曲線式過負(fù)荷保護采用輸入電動機額定電流、堵轉(zhuǎn)電流、堵轉(zhuǎn)時間及工作系數(shù)等數(shù)據(jù)，從電動機微機保護裝置的多條標(biāo)準(zhǔn)或I2t時間/過負(fù)荷等曲線中，選擇一條剛好低于電動機損壞的曲線，以便更好地與電動機的熱特性相匹配，不但考慮了電動機的啟動與運行，而且具有描述停運時冷卻

3、狀態(tài)的返回曲線。如果要求更為復(fù)雜的保護功能，可以輸入測試點確定曲線，從而自定義所需要的過負(fù)荷曲線。2.1標(biāo)準(zhǔn)過負(fù)荷保護特性曲線微機電動機保護裝置具有多條標(biāo)準(zhǔn)過負(fù)荷保護反時限特性曲線。IEC反時限曲線計算公式：當(dāng) （1）當(dāng) （2）式中：top 動作時間，（秒）；tre 返回時間，（秒）；TM 曲線時間倍數(shù)整定值；I 測量電流值。該值可以是一次或二次實際測量值，也可以是以電動機額定電流、整定電流或電流互感器二次額定電流為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值；Iset 整定電流值；K 常數(shù)，見表1； 常數(shù)，見表1；tr 特性常數(shù)，見表1；Kre 返回系數(shù)，為0.960.98。表1 典型過負(fù)荷保護特性曲線數(shù)據(jù)表曲線形式標(biāo)準(zhǔn)K

4、Ltr極端反時限IEEE28.220.121729.1非常反時限IEEE19.6120.49121.6適度反時限IEEE0.05150.020.1144.85短反時限C020.003420.020.002420.02394極端反時限IEC802058.2非常反時限IEC13.51043.2標(biāo)準(zhǔn)反時限IEC0.140.0209.7短時反時限IEC0.050.0400.50長時反時限UK12010長時反時限US5.9520.18短時反時限US0.023940.020.01694IEEE反時限曲線計算公式：當(dāng)（3）當(dāng) （4）式中：L IEEE 常數(shù)，見表1；TD IEEE 曲線時間刻度整定值。GE標(biāo)

5、準(zhǔn)過負(fù)荷保護特性曲線計算公式：（5）式中：SCM 標(biāo)準(zhǔn)曲線倍數(shù)；Iop 動作電流。2.2I2t過負(fù)荷保護特性曲線電動機微機保護I2t曲線計算公式： 當(dāng) （6） 當(dāng) （7）取不同的TM和TD即可得到多條標(biāo)準(zhǔn)或I2t時間/過負(fù)荷曲線，以滿足各種電動機過負(fù)荷保護的需要。2.3IAC過負(fù)荷保護特性曲線電動機微機保護IAC曲線計算公式：（8）表2 IAC過負(fù)荷保護特性曲線數(shù)據(jù)表曲線形式ABCDE反時限0.2080.8630.800-0.4180.1950.297非常反時限0.0900.7950.100-1.2887.9580.165極端反時限0.0040.6380.6201.7870.2460.0922

6、.4自定義過負(fù)荷保護特性曲線如果電動機要求更為復(fù)雜的保護功能，電動機微機保護可以輸入測試點確定曲線，從而可根據(jù)需要定義自己的過負(fù)荷保護特性曲線，曲線的計算公式是： 當(dāng) （9） 當(dāng) （10）式中： 自定義動作函數(shù)； 自定義返回函數(shù)；TDM 曲線時間刻度倍數(shù)。2.5啟動過程機端電壓對過負(fù)荷曲線的調(diào)整如果電動機拖動的是大轉(zhuǎn)動慣量的負(fù)荷，其啟動時間將超過堵轉(zhuǎn)允許時間。在此情況下，保護必須能夠區(qū)分堵轉(zhuǎn)、啟動和運行。在啟動過程隨機端電壓調(diào)整的自定義過負(fù)荷曲線可以滿足這一要求。電壓調(diào)整自定義過負(fù)荷曲線分別由堵轉(zhuǎn)、啟動和運行過負(fù)荷三部分曲線組成。運行過負(fù)荷曲線與由最小允許啟動電壓定義的啟動曲線相交，啟動曲線的

7、另一點應(yīng)與額定電壓的堵轉(zhuǎn)曲線相交。由于電動機的啟動電流是隨著機端電壓的不同而變化的，因此，啟動曲線也隨著機端電壓的不同而在最小允許啟動電壓和額定電壓之間動態(tài)變化。3 熱映像過負(fù)荷保護微機電動機熱映像過負(fù)荷保護是基于負(fù)荷電流計算得到等效電流Ieq，再計算定子和轉(zhuǎn)子的熱效應(yīng)，在其內(nèi)部復(fù)制生成一個描述電動機熱狀態(tài)的熱映像，為各種過負(fù)荷引起的過熱提供保護，也作為短路、啟動時間過長、堵轉(zhuǎn)等保護的后備。3.1不平衡電流法等效電流計算用電動機負(fù)荷不平衡電流可計算得到等效電流： （11）式中：Ieq 等效電流；Iavg 三相平均電流；UB% 不平衡百分率，可用下式計算：當(dāng)Iavg IN，（12）；當(dāng)IavgI

8、N，（13）；式中：Imax 三相最大電流；IN 電動機額定電流。KUB 不平衡因數(shù)。典型的KUB可用下式計算： （14）保守的KUB可用下式計算： （15）式中：Ist 電動機啟動電流。KUB也可以由自學(xué)習(xí)方式獲得，其計算公式如下： （16）ILSC 最近五次電動機啟動電流的平均值。3.2正負(fù)序電流法等效電流計算綜合考慮了電動機正序和負(fù)序電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，等效電流可按下式計算得出： （17）式中：I1 正序電流；I2 負(fù)序電流；K1 正序電流系數(shù)；K2 負(fù)序電流系數(shù)。K1主要用于區(qū)分電動機啟動與運行過程中正序電流分量所產(chǎn)生的熱量；K2用于計算在熱映像變化過程中由負(fù)序電流分量所產(chǎn)生的熱量。由

9、于國內(nèi)外各公司在建立計算熱映像數(shù)學(xué)模型時所采用的標(biāo)準(zhǔn)、簡化的手段以及所應(yīng)用的拖動設(shè)備各不相同，得到的正負(fù)序電流系數(shù)也各有差異，設(shè)置方式見下表：表3 各種方式正負(fù)序電流系數(shù)表采用方式電流系數(shù)啟動過程正常運行方式1K131K235方式2K10.51K2310可取6方式3K11K236可取3方式4K1011K2010方式5K11K2KUB結(jié)合不平衡電流法與正負(fù)序電流法，等效電流也可按下式計算得出： （18）3.3熱映像動作時間計算熱映像動作時間可按以下公式計算： （19）或 （20）式中： 熱時間常數(shù)；Ipre 預(yù)負(fù)荷電流；KOL 過負(fù)荷系數(shù)，見IEC 60255-8。也可按以下公式計算： （21）

10、式中：K 熱映像值參數(shù)，KIeq / Iset；i 初始熱映像值；set 過負(fù)荷報警或跳閘熱映像整定值。通常報警整定值alarm.set0.850.95，跳閘熱整定值trip.set 1。電動機的熱承受能力受到故障前電動機繞組熱映像的影響。當(dāng)Ipre0或i0即為“冷態(tài)”；當(dāng)IpreIN或iN即為“熱態(tài)”。在正常運行方式下，微機電動機保護將運行在兩種狀態(tài)之間。冷態(tài)時動作時間也可按以下公式計算： （22）冷卻時間可按以下公式計算： （23）c 冷卻時間常數(shù)。3.4熱映像計算電動機熱映像可由如下公式計算： （24）式中：n-1 上一次計算得到的熱映像。也可由如下公式計算： （25）式中：t計算間隔時

11、間。還可由如下公式計算： （26）式中：t 當(dāng)前時刻的熱累積量；t-t 上一時刻的熱累積量。另外，還可由如下公式計算： （27）式中：ttr 以IN為函數(shù)的動作曲線上，Ieq的跳閘時間。當(dāng)nset或tset時，過負(fù)荷保護動作。保護裝置有將熱映像小于50%定義為“冷態(tài)”,大于等于50%定義為“熱態(tài)”。如果熱映像大于禁止再次啟動熱映像forbid start，電動機啟動回路將被閉鎖，但緊急情況下也可人為清除記憶的熱映像。3.5熱映像值降低計算當(dāng)電動機在熱態(tài)和冷態(tài)極端值之間時，熱映像值是線性關(guān)系，此時，熱映像值相對于冷態(tài)時有所降低，其穩(wěn)定的熱映像值降低值可以用如下公式計算： （28）式中：TLRT.

12、Hot 熱態(tài)堵轉(zhuǎn)時間；TLRT.Cold 冷態(tài)堵轉(zhuǎn)時間。3.6時間常數(shù)分段與估算時間常數(shù) 可分為三段：OL Iset 2Iset，啟動時間常數(shù)；c 電動機停運后，冷卻時間常數(shù)?？砂聪率龇椒ㄖ还浪銜r間常數(shù)：加熱時間常數(shù)按下式計算： （29）式中：N 電動機的額定溫升；Kst 啟動電流倍數(shù)；st 電動機啟動時的溫升；tst 電動機的啟動時間。如果具有熱曲線或一組過負(fù)荷能力的數(shù)據(jù)，則按式（18）計算，求出一組加熱時間常數(shù)后取較小的值；如已知堵轉(zhuǎn)電流和允許堵轉(zhuǎn)時間，也可由式（18）估算加熱時間常數(shù)；用實測電動機溫度、環(huán)境溫度及冷卻時間按式（20）或（22）可以計算冷卻時間常數(shù)。4 溫度傳感器過負(fù)荷保

13、護由于電動機的電氣與機械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，應(yīng)用場合各異，運行方式多樣，發(fā)生的故障各不相同，使電動機詳細的熱映像關(guān)系式非常復(fù)雜，因此，無法建立一個能描述各種電動機實際發(fā)熱特性的精確數(shù)學(xué)模型。溫度傳感器過負(fù)荷保護是采用電阻溫度探測器（RTD）、熱敏電阻（Thermistor）或熱電偶（Thermocouple）直接檢測電動機的實際溫度而實現(xiàn)的，比基于檢測相電流的熱映像計算法具有更高的可靠性和準(zhǔn)確性，并可消除環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的誤差，不但可用于電動機的繞組過負(fù)荷保護，也可用于電動機軸承磨損或潤滑不良引起的軸承局部過熱保護，而且還可對熱映像計算法進行環(huán)境溫度的補償。當(dāng)電動機停轉(zhuǎn)時，溫度傳感器監(jiān)測定子繞組溫度，

14、可精確地跟蹤冷卻過程，測出冷卻時間常數(shù)。微機電動機保護裝置通常設(shè)有多個溫度傳感器輸入，可以針對性地將其放置在電動機容易過熱的各部位。溫度傳感器過負(fù)荷保護的報警和跳閘動作整定值取決于電動機溫度的高低，以及電動機所處的環(huán)境溫度和海拔位置。當(dāng)用于檢測電動機外部環(huán)境溫度對熱映像參數(shù)進行修正時，溫度傳感器應(yīng)安裝在電動機的風(fēng)冷入口附近。根據(jù)環(huán)境溫度在計算熱映像、檢測過熱報警及過熱停機時對整定值做適當(dāng)修正，其計算公式如下： （30）式中：I set.ch 修正后的電流整定值，并以該值取代I set；Kch 環(huán)境溫度修正系數(shù)；Kch = 1 當(dāng)40 T時；Kch = 1.40.01T 當(dāng)65 T 40時；Kc

15、h = 0.75 當(dāng)T 65時。 由于溫度傳感器的反映速度較慢，因此不能代替基于檢測相電流的熱映像電動機過負(fù)荷保護。溫度傳感器對過壓非常敏感且容易因過壓而損壞，因此它們通常成對使用，一個作為主溫度傳感器，另一個作為備用溫度傳感器。另外，微機電動機保護還提供了溫度傳感器的開路和短路檢測功能。如果測得的電阻值超過允許范圍，保護裝置將發(fā)出溫度傳感器故障報警。5 結(jié)束語在電動機的過負(fù)荷保護整定時，不要僅考慮電動機的電氣性能，還應(yīng)顧及其機械性能以及所拖動設(shè)備的性能。由于各企業(yè)生產(chǎn)工藝及所采用的設(shè)備不同，對電動機的過負(fù)荷保護要求也不盡相同，因此需要繼電保護運行管理人員根據(jù)本企業(yè)電動機及其所拖動設(shè)備的特殊性

16、，認(rèn)真研究各種電動機的過負(fù)荷保護的區(qū)別，確定最合適的保護及運行方案。參考文獻1 潘飛，SPAM150C保護裝置在石化企業(yè)的應(yīng)用，電工技術(shù)雜志，2004（10）2 潘飛，P220電動機保護裝置在石化企業(yè)的應(yīng)用，電氣&智能建筑，2005（1）3 賀家李，宋從矩，電力系統(tǒng)繼電保護原理（增訂版），中國電力出版社，2004年9月4 清大華康，MPS 4270 微機電動機保護裝置技術(shù)及使用說明書5 Stanley E. Zocholl, Gabriel Benmouyal. USINGTHERMAL LIMIT CURVES TO DEFINE THERMAL MODELS OF INDUCTION MOTORS. SchweitzerEngineering Laboratories, Inc.6 ALSTOM，MiCOM