高压大功率同步电动机的保护问题

高压大功率同步电动机的保护问题
襄樊学院(襄樊441003) 何友全
［摘要］本文介绍了为某钢厂高压大功率同步电动机所设计和已投入运行的各种保护措施以及继电保护装置整定值的计算方法。

1 引言
高压大功率同步电动机在起动和运行过程中，会发生一些异常情况，如过流、过压、低压、失步、电动机内部线圈绕组短路、开路、接地等，因此，对电动机的运行状态，必须进行实时监控，并且要采取一系列的保护措施，来保证电动机的安全和整个系统的正常运行。

下面是为某钢厂使用的同步电动机所设计并已投入运行的一些保护措施。

该同步电动机的参数如下：
P
e =5000kW,p=3,N
e
=1 000rpm,U
e
=10kV,I
e
=330A cosφ=0.9(超前)，f=50Hz，空
载励磁电流149A，空载励磁电压39V，满载励磁电流270A，满载励磁电压92V 等。

2 几种保护措施的工作原理及参数整定
2.1 过电压保护
为了安全起见，在电动机的进线端要设置过电压保护装置，这主要是为了防止雷击产生的高压对电动机造成破坏。

一般的防护措施有装设避雷器、R-C吸收回路、配有过电压继电器的电压互感器等。

过电压有内部过电压、雷击过电压两类。

内部过电压由操作或系统内部谐振所产生，一般不会超过系统正常运行时单相额定电压的3～4倍，因此采用电压互感器加过电压继电器进行保护比较合适；对于雷电过电压，由于其电压幅值高、电流大，以采用避雷器为宜。

由于高压电动机的定子绕组是采用固体介质绝缘的，其冲击耐压试验值约比同级电力变压器低1/3左右。

加之长期运行后，固体绝缘介质因受潮、腐蚀和老化，会进一步降低其耐压水平，因此对雷电侵入的防护，应采用专用于保护旋转电动机的FCD型磁吹阀式避雷器，或带有串联间隙的金属氧化物避雷器。

对于定子绕组中性点能引出的高压电动机，应在中性点装设避雷器；对于定子绕组中性点不能引出的高压电动机，可在电动机前面加一段100～150m的引入电缆，并在电缆前装设排气式避雷器或阀式避雷器，而在电动机入口母线上安装一级并联有电容器(0.25～0.5μF)的FCD型磁吹阀式避雷器，以降低沿线路侵入的雷电波波头陡度，减轻其对电动机绕组绝缘的危害。

一般地说，避雷器虽能有效地防止雷击高压，但会在电动机端口留下残压，因此现在较多的是采用R-C吸收回路，它能有效地防止雷击高压。

2.2 低电压保护
当同步电动机的端电压比其额定电压低10%时，由于转矩与电压的平方成正比，因此其实际转矩只有额定电压的80%，而此时负荷电流将增大5～10%，温升将提高10～15%，绝缘老化速度将增加一倍，这将明显地缩短电机的使用寿命。

根据现场的实际要求，当电源电压短时降低或短时中断后，生产过程不允许电动机自起动，因此必须加装低电压保护装置。

将三个电压继电器接于电压互感器不同的相间电压，当三个电压继电器均动作时才起动时间继电器。

这种接线的优点是在任何一相断线时不会误动。

为防止两个熔断器熔断时发生误动，因而三个熔断器的额定电流不宜相同。

由于电动机起动时，电网电压会陡然下降很多(大约10～15%)，低电压保护应躲过起动初始时的低电压，因此采用反时限继电器，其延迟时间约为2～8s。

保护装置的动作电压整定为：
式中U
min
——保证电动机自起动的供电母线最低容许电压，一般取(0.55～
0.65)U
e ，这里U
e
为额定电压；
K
k
——可靠系数，取1.2；
K
f
——返回系数，取1.15；
n
TV
——电压互感器电压比。

2.3 过流、过载保护
过流保护采用两个电流继电器按两相式接线构成，而过载保护则采用反时限特性的电流继电器，按两相式接线构成，亦可采用接于相电流之差的两相一继电器的接线。

本文的保护中将两种保护功能合二为一。

保护装置的动作电流整定为：
式中：K
k
——计及电动机起动时非周期分量影响的可靠因数，对电磁型电流继电器取1.4～1.6，对反时限电流继电器的瞬时元件取1.8～2.0；
K
jx
——电流互感器的接线因数，采用两相式接线时为1，采用相电流之差接线时为3；
I
qd
——电动机的起动电流(周期分量)，一般电动机的起动电流为额定电流的5～8倍；
n
TA
——电流互感器的电流比过负荷保护的动作时间按大于电动机起动时间来整定，取10～16s。

2.4 零序保护
它也可作为单相接地保护，将电流互感器套在电缆的外面，从其铁心中穿过的电
缆就是电流互感器的一次绕组，因此，互感器的一次电流就是三相电流之和I
A I B
I C 。

当发生单相接地故障时，一次侧出现零序电流I
，在互感器二次侧有相应的
I0输出。

与采用零序电流过滤器相比，采用零序互感器的优点主要是没有不平衡电流，同时接线也简单。

保护装置的动作电流整定为：
式中：K
k
—可靠因数，取3～4；
I
jd.max
——外部发生接地故障时，流经本设备的最大接地电容电流。

当单相接地电流为10A及以上时，应瞬时作用于断路器跳闸。

2.5 差动保护
按有关规定，对电动机容量在2 000kW及以上，或容量虽然小于2000kW但具有六个引出端子的重要电动机，当电流速断保护不能满足灵敏度要求时，应装设纵差保护，纵差保护主要是为了防止电动机发生相间短路。

纵差保护装置的动作电流整定为：
式中：I
e
——电动机的额定电流；
n
TA
——电流互感器的电流比。

电流互感器应具有相同的伏安特性，并在通过电动机起动电流时仍能满足10%误差的要求。

2.6 失步保护
当环境参数发生变化(如电源电压急剧下降、电机过载、励磁系统故障等)时，会引起同步电动机励磁失步，继而造成损坏，因此必须对同步电动机进行失步保护。

在电动机励磁回路中串接电流互感器，它的二次绕组接电流继电器，正常运行时，转子回路流过直流，电流互感器二次侧没有电流输出，电流继电器不动作，在失步时，转子内感应交流电流，电流继电器动作，使电动机断电。

除了上述各种保护以外，还增加了绝缘监测保护等功能。