电动机综合保护之过热保护

电动机过热保护
川煤化范钰
一、引言
2011年9月6日，公司环己酮车间10kV355kW高压制氢压缩机跳闸，综保装置SOE报告过热保护跳闸出口动作。

经检查，属于过热保护定值整定不恰当造成。

经过重新整定后，电动机未再出现误跳。

鉴于此，运行人员有必要对过热保护进行更深入的了解。

综保装置采用南京钛能电气有限公司TDR934电动机综合保护装置。

二、过热保护方式
电动机过热保护主要有两种方案：
采用直接测绕组温度，要在电机的绕组中预埋热电偶，直接测量温度值，实现保护。

采用三选二冗余，即三相绕组中每相有三个热电阻，各相电阻反映的温度如有二个超温，就认为是超温。

信号送到工艺的自控DCS 系统，DCS发停机信号到高压柜（压板是工艺故障）。

采用热继电器或者热模型的过热保护：生产厂家根据各自的算法：基于采样的电流值（分析其正序、负序分量），建立一个所谓的热存储桶，可以理解为一个用于存储热量的容器，在某个电流水平下，这个热存储桶开始积累热量，当这个桶的热量积累满的时候，就出口过热保护。

热量积累的速度，或者说这个桶要多长时间才可以积累满，取决于等效发热电流值的大小，整定时需综合考虑电动机使用系数、转子锁定的电流水平（堵转电流）、在转子锁定电流水平下的允许时间常数（堵转时限）等。

普通小电机一般只采用第二种，就是只根据电流来设置保护。

大功率电机通常二种方案同时采用，一般在DCS中实现第一种方案，在综保装置内实现第二种方案。

过电流保护、过负荷报警、过热保护联合实现完整的电动机过负荷保护。

三、过热保护原理
过热保护综合考虑了电动机正序、负序电流所产生的热效应，为电动机各种过负荷引起的过热提供保护，也可作为电动机短路、起动时间过长、堵转等的后备保护。

因为正序电流和负序电流所产生的发热量是不相同的，负序电流在转子中产生2倍工频电流，使转子发热。

所以引入了等值发热电流Ieq，表达式如下：
2
2
2
2
1
1
2I
k
I
k
I eq+
=
热保护反时限动作方程：
2
2
05
.1
-
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
e
eq
I
I
Td
t
由上式可转换为：
2
2
2
2
2
1
1
05
.1
-
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
+
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
e
e
I
I
K
I
I
K
Td
t
式中：
Ieq——发热等效电流（A）；
t ——动作时间(s)；
Td——热积累时间定值（s）；
I1——电动机运行电流的正序分量（A）；I2——电动机运行电流的负序分量（A）；
I e——电动机的额定电流（实际运行额定电流反应到CT二次侧的值，A）；
K1——正序电流发热系数，为防止电机在启动时误动作，所以该值在启动时间内为0.5，起动时间过后自动变为1，且不可整定；K2——负序电流发热系数，可在3～10的范围内整定，无特殊说明为6。

当Ieq≤1.05Ie时，t=∞，即保护不动作。

Td 一般由电动机制造厂提供，在电机厂家无法提供时，可通过计算获得一个大概值。

本保护中，设置两段保护，Ⅰ段为告警，Ⅱ段为跳闸或告警，一般情况下Ⅰ段定值取70%~80%Ⅱ段定值。

四、过热禁止再启动保护
过热保护跳闸后，装置的热记忆功能起动，禁止电动机再启动。

跳闸接点和过热动作信号接点保持动作状态，直到热积累衰减到规定值才返回。

紧急情况下要求立即起动，可通过装置的热复归开入量强制将热积累值清零。

电动机热量衰减的速度，通过散热常数决定，可整定，由于电动机的散热和电动机散热条件有关，有时很难确定，一般取为4。

电动机的热积累曲线如上图所示。

电动机起动后，H （积累的热量）过大超过H1时电动机跳闸；电动机跳闸后，H 值以散热时间常数t’衰减，当H 值减小到过热保护闭锁值H 2以下时，电动机可以再次起动。

过热保护闭锁值一般取50%动作值，即H2=50％H1。

五、定值计算
以南京钛能电气有限公司TDR934电动机综合保护装置为例： 与该保护有关的定值 1、过热告警定值
此值可取70%~80%Td 。

2、过热跳闸定值
Td 的整定有几种方法：
方法一：电动机制造厂家提供。

方法二：如果厂家提供过负荷能力的数据，如在x 倍过负荷情况下运行t 秒，可根据公式：
2
205
.1-=
x Td t 即：()t x Td 2
205.1-= 方法三：可由启动状态下的定子温升决定：
启动温升
启动时间启动电流倍数稳定温升⨯⨯=
2Td 方法四（推荐使用此方法，因为这种方法所需的数值容易获得，计算结果较准确）：按电动机最多可连续起动二次考虑，假设
e I I =1, 02=I 时，热保护动作时间
t s t t tan 2⨯>秒，即热保护动作时间应大于
两倍电机启动时间，则：
)
05.1)/()/((2222211-+⨯=s s I I K I I K t Td
式中，I S 为电动机实际运行额定电流反应到CT 二次侧的值。

以上四种方法，可计算出四个Td 值，应先选用较小值进行试运行。

3、过热闭锁定值 此值可取50%Td 。

4、电机散热系数 电机正常运转时，电机散热时间常数等于发热时间常数T ，但是当电机停机后，由于散热条件变差，引入电机散热系数，对散热时间常数进行修正，该值一般取Ke=4。

5、负序电流发热系数
由于一般情况下电动机负序阻抗与正序阻抗之比为6，故一般情况下设为6。

也可根据具体实例正序阻抗之比来整定。

6、电动机启动时间
关系到电机启动时的热积累计算，按电动机起动时间乘1.2可靠系数整定：
t s dz t t tan 2.1⨯=秒
7、电动机额定电流
此数值即上式中的Ie ，由电动机铭牌获得。

六、投退字 1、过热保护
2、二相式TA 接入（本保护装置电流采用三相电流接线，当使用两相式电流保护时，只需将A 相和C 相接入即可，B 相电流不接入装置。

如果采用两相式保护，过热保护和负序电流保护元件使用的负序电流需要通过IA 和IC 计算产生，因此，必须将定值“两相式TA 方式”置为“投入”。

如果采用三相
式保护，负序电流通过IA 、IB 和IC 计算产生，必须将定值“两相式TA 方式”置为“退出”。

七、拓展阅读
高压异步电动机的绕组温升决定其容量，而运行中，电动机的发热与散热过程同时存在，导致其温升过程呈现非线性的特点。

所以如何合理的监视电动机的绕组温升是电动机、特别是大容量电动机保护的一个很重要的方面。

电动机的热平衡方程式
dt
Cd Qdt ταττ+= (1)
式中Q ——电动机单位时间内的发热量，J ／s
C ——电动机的热容量，即电动机温度升高1℃时所需的热量，J ／℃
τ
α——电动机的散热系数，即电动机比环
境高1℃时，每秒散发的热量，J ／(℃·s) τ——电动机的温升，℃
τd ——在dt 时间内温升的增量，℃
由式(1)可得电动机的温升微分方程为
∞=+τττ
dt
d T
(2) 式中τ
αC
T =
——电动机发热时间常数，s
τ
ατQ
=
∞——电动机的稳态温升，℃
解式(2)，可得到电动机的温升表达式
T T
e e τττττ--∞+⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-=01 (3)
式中0τ——电动机的起始温升
同样，当电动机负荷降低时，其散热方程为
T T
e e τττττ--∞+⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-=0'1' (4)
式中0''ττ<∞；
对于自冷式电动机，当断电时，由于风扇停转，散热性能将变坏，这时可取
()T T 3~20=，【式中2~3就是散热系数，
一般取的是4倍，此值越大，电机停止后所需的散热时间越长。

所以4倍比2~3倍稳妥】，同时不再考虑电动机的发热。

此时散热方程变为
0'T e
τ
ττ-
= (5)
参考资料：
高压电动机过热保护整定计算研究——周广利、李博
高压异步电动机的微机式过热保护——袁甄 TDR 系列电动机综合保护装置说明书——南京钛能电气有限公司
2011年9月10日。