10KV电动机保护

10(6)kV同步电动机断电失步保护及同ZCH和BZT装置的配合

作者：尹世华/张铁锴

摘要：介绍了大型同步电动机断电失步保护及同ZCH，BZT装置的配合实施方案及解决办法。论述了电源短时中断时同步电动机的过渡过程及对ZCH和BZT的影响；介绍了同步电动机断电失步保护的典型接线。

关键词：同步电动机功率因数ZCH BZT 失步保护

大型同步电动机有许多优点，尤其是能发送无功功率，提高功率因数，节约电能。它的运行安全性和连续性对于生产具有重大影响。同步电动机的控制相对异步机来讲也复杂一些，主要体现在电机起动过程控制以及运行时的控制。起动控制主要是异步运行牵入同步的过程，而运行的控制主要体现在同步机受到各种扰动后的控制。影响同步机正常运行的扰动主要体现在：①带励失步。电机带有正常或接近正常的直流励磁，而定转子磁场又不同步。这主要是因为相邻线路短路后母线电压大幅度瞬间降低或母线电压长时间降低以及电机负荷突增等因素。②欠励失步。直流励磁系统失去直流励磁或严重欠励而使电机失步。③断电失步。当供电系统故障或电源切换时，使同步机的电源出现短时间中断而致使电机失步。

1 电源短时中断时同步电动机的过渡过程及对ZCH，BZT的影响

(1) 断电时同步电动机的过渡过程

断电失步易使同步机遭受到严重损伤的主要原因是在电源恢复瞬间电机遭受到的非同期冲击，此时的非同期冲击包括非同期电流和非同期转矩，其值往往远大于电机出口短路时的冲击电流和冲击转矩，是电机设备所不能承受的。在实际生产中断电失步往往是由于短路故障造成的，图1 所示为一典型的电气系统接线。

当K1或K2点发生短路时，在切除短路故障的同时，同步机的电源就中断了，在ZCH或BZT装置动作后，供电电源将重新恢复。若电源中断时间过长(一般大于0.2 s) ，超出同步机的稳定极限，同步电动机就会失步。从短路开始至电源恢复这一过程中，同步机的各项参数变化见图2，其中| u| =f (t) 为电压幅值随时间变化的曲线；n = f(t) 为同步机转速随时间变化的曲线，fu=f(t) 为同步机机端电压频率随时间变化的曲线。

在电源中断的短时间内，依靠同步机本身的惯性以及直流励磁，同步机将由电动工况转为发电工况，向系统发送无功功率，此时机端母线电压不但不会降低，反而会有一定程度的上升，而其频率会随电机转

速的下降而降低，随着时间的加长，母线电压才会逐渐下降。

(2) 对ZCH ，BZT的影响

图1所示，短路引起的电源短时中断后，ZCH装置会动作，但由于同步机在电源中断后的特性，ZCH 装置动作的成功率往往很低，特别对由于雷击引起的系统线路的瞬间短路。这是因为系统发生短路后，虽然系统的电源已经断开，不向短路点供电，但用户系统的同步机以发电机的形式继续向短路点供电，仍在相当长的一段时间内维持着短路点的电弧，严重影响着短路点的空气介质去游离过程，从而导致ZCH 装置的动作失败。如在ZCH装置加延时环节来解决，那么延时的时间越长，ZCH 动作的意义也就越低。而对于目前使用的BZT 装置，一般均采用“低电压元件”来反映母线的失压，并加以一定的延时，以躲过其他线路的出线故障。事实证明，目前使用的这种BZT 装置，往往由于同步电动机的反馈作用，母线电压衰减缓慢而不能快速动作，即使动作，也是经过较长时间，大部分电机的转速也已经降至很低，自起动困难，电机的运行和生产的连续性将遭到破坏。

为解决上述问题，首先需从根本上改进BZT装置的启动环节和同步电动机的“断电失步保护”敏感环节。其次需正确解决“电源短暂中断时如何正确处理同步电动机的问题”。对此，主要有以下两种处理方法：①当变配电所某一段母线的供电电源中断时，由“断电失步保护”装置快速动作，跳开该母线上所带的全部同步电动机，然后由BZT或ZCH 装置动作，恢复对该母线的供电。事后再由人工启动被迫跳闸停转的同步电动机，以恢复正常的生产。由于断电后同步电动机都被迅速切断，电机设备的安全得到了保护，同时也消除了同步电动机的反馈作用对BZT 及ZCH 等自动化装置的影响，保证了它们的正确动作。这种方法的缺点是：在保证了电机设备安全和自动化装置正确动作的同时，牺牲了电机运行的连续性，甚至引起工艺生产流程的被迫中断，可能导致巨大的经济损失。②在电源短暂中断，BZT 或ZCH 装置动作时，同步电动机不跳闸，允许承受一定程度的非同期冲击，以保持电机运行的连续性。但是这种方法只适用于那些电网容量很小、供电变压器阻抗较大等少数特殊情况。

综上所述，对于同步电动机来讲，只要能合理解决在电源中断期间快速切除发电状态，使母线电压快速衰减，使ZCH 装置或BZT 装置快速可靠地动作，并且避免同步机的非同期冲击。在电源恢复后通过对同步电动机进行带载的失步再整步，保持同步电动机的连续运行，不停机、不卸载，并在短时间内自动恢复同步电动机的正常运行。这就是同步电动机“断电失步保护及带载自动再整步”。这对提高电网供电的可靠性和生产的连续性将具有重大意义。

2同步电动机断电失步保护的设置

首先，断电失步保护装置必须能快速准确地检测到同步电动机的断电失步。

⑴采用低周波继电器。在电源中断期间，失电母线的电源频率是即刻下降的，其频率与同步电动机的

转速成正比，由图2 可知，失电母线电源频率的变化比母线电压幅值的变化显著得多，因此，可以采用低周波继电器作为断电失步的一个敏感元件，通过检测母线频率的变化来确定同步电动机的断电失步。低周波继电器作为断电失步的敏感元件的特点是：简单、可靠、电机的负载越重其动作速度越快；但对于负载较轻或变化较大的负载，其动作的速度就不够理想，所以经常同其它失步敏感环节共同使用。

⑵采用电压相位差继电器。对于一般的生产用户来讲，其供电系统接线均如图1 所示：采用单母线分段结线，每段母线的供电电源均取自不同的配电回路，但其电压向量的相位角都相同，或由于两段母线的负荷不同而略有差异，但其差异很小，一般不会超过10°～15°。由此便可以通过一个电压相位差继电器来判断同步电机的断电失步。它实际上是利用一个“过电压继电器”，跨接在两段母线的电压互感器二次侧的同名小母线上，在正常运行方式时，加在相位差继电器线圈上的电压接近于零，或很低，继电器不动作。当两段母线中任一段供电失去电源时，该母线的电压将由接在该母线上的同步机来维持，随电机转速的下降，两段母线的同名相电压向量之间相位角出现差异，相位差逐渐增大，大于90°时，同步机对于即将恢复供电的电源系统来说，即已失步。此时，加在相位差继电器线圈上的电压为相电压的/¯2倍。随相位差的继续增大，加在相位差继电器线圈上的电压也继续增大，达到180°时，加在相位差继电器线圈上的电压也增大到最大值：相电压的2 倍。因此，当相位差继电器的整定值为相电压的/¯2倍时，即相当于相差为90°时便可以相当准确而迅速地判别出“断电失步”。需要指出，在同步电动机已失步，而电源尚未恢复的暂态过程中，加到相位差继电器线圈上的电压将是一个差拍电压，其包络线的脉动频率与同步电动机的转差频率相对应，而其幅值是一个由0 伏到2 倍额定电压幅值之间周期性脉动变化的量，则相位差继电器的输出将是脉冲。

相位差继电器实质上反映了已失步同步电动机的反馈电压与将要重新恢复的电网电压之间的电气分离角，即相位角的变化，因而对于同步电动机的失步判断准确，灵敏度高，动作速度快，这些都是它的显著特点，但是差拍电压的出现，只反映了两段母线电压间的相位角出现了不断发展的差异，并根据此判断它们之间已失步，但到底是哪一段母线断了电，即哪一段母线上的同步电动机失步却无法区分，因此相位差继电器只能做为闭锁元件或启动元件，还须与其他敏感检测环节“相与”后，共同组成断电失步的敏感检测环节。

⑶采用有功功率方向继电器。同步电动机在正常运行时从电网吸收有功功率，发送无功功率，而在断电期间转为发电机，同时向电网发送有功功率和无功功率。从有功功率的方向来看是改变了方向，发生了突变，由此可以用有功功率方向继电器(逆功率继电器) 来检测有功功率方向的变化，从而判断出同步电动机是否失步。为避免其误动作，其整定值应加以延时以躲过同步电动机启动过程以及同步电动机正常运行过程中的“同步振荡“过程。因为在电机正常运行时受到不足以引起失步的扰动时，将发生迅速衰减的“同步振荡”，此时有功功率和无功功率将在原有的基础上增加一个迅速衰减的交变分量，当振荡较大时，有可能