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趙娜
安科瑞電氣股份有限公司
摘要：以電動機過負荷保護動作造成機組停運事件為例，分析現場普遍存在的電動機過負荷保護偏重保護電動機安全，未充分釋放電動機過負荷能力，對系統造成的危害。研究電動機過負荷保護配置及過負荷保護定值設置，提出改進建議及有效措施，在保證電動機安全的基礎上，防止重要電動機過早切除導致經濟損失。
關鍵詞：電動機；過負荷；保護配置及定值設置
1三相異步電動機定子繞組過負荷的原因及危害
導致三相異步電動機定子繞組過負荷的原因是多方面的：一是電動機實際負載增加，如過度加載導致電動機超額定電流運行，或軸承損壞等設備異常導致負載增加；二是電源異常導致電動機超額定電流運行，電壓、頻率降低等。長時間的定子繞組過負荷，主要的危害是導致定子繞組線圈過熱、絕緣受損、電動機損壞。定子線圈的溫升與過電流倍數及過電流持續時間有關，過電流倍數越大則溫升速率越大，過電流持續時間越長則線圈溫升越高。電動機的過負荷保護定值應根據這一特性設定。
2常規三相異步電動機定子繞組過負荷的保護配置及定值選取
GB/T14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》及DL/T5153-2014《火力發電廠廠用電設計技術規程》對高壓電動機過負荷保護的配置要求：對于運行過程中易發生過負荷的電動機，保護應根據負荷特性，帶時限動作于信號或跳閘；對于啟動或自啟動困難，需要防止啟動或自啟動時間過長的電動機，保護動作于跳閘。
目前，針對電動機定子繞組過負荷，微機型電動機綜合保護通常配置長啟動保護、堵轉保護、過負荷保護。其中長啟動保護用于保護電動機啟動困難，或啟動時間過長工況，采用定時限，電流動作定值取1.5-~2.0倍電動機額定電流，動作時間按躲過電動機正常啟動時間整定，動作于跳閘。堵轉保護用于保護電動機運行中堵轉工況，采用定時限，電流動作定值取1.3~2.0倍電動機額定電流，動作時間按躲過電動機啟動或自啟動時間整定，動作于跳閘。過負荷保護定值按躲過電動機額定電流計算，動作時間按躲過啟動時間整定，動作于信號或跳閘。
3定子繞組過負荷保護動作案例分析
下面介紹3起電動機過負荷保護動作引起的機組非計劃停運事件，事件造成直接、間接經濟損失超過100萬元。
（1）案例1：某600MW火電機組增壓風機過負荷跳閘導致機組非停。2017年2月21日，某600MW火電機組按調度曲線加載負荷。當日9：19，機組負荷達到489.7MW，增壓風機電流為568.2A，指令為86%；當日9：45:41，機組負荷達到500MW，增壓風機電流指令為100%，過負荷保護動作，動作電流為696A，增壓風機跳閘，鍋爐MFT動作。
（2）案例2：某600MW火電機組凝結水泵變頻器過負荷跳閘導致機組非停。2016年12月17日，某600MW火電機組Ａ凝結水泵變頻器運行，B凝結水泵備用，機組負荷為463.07MW。當日12：30，運行操作Ａ凝結水泵變頻器增負荷；當日12:31:11，變頻器輸出指令為93.41%，輸出電流為178.23Ａ，21ｓ后，變頻器輸出指令為99.71%，輸出電流為207.22AＡ并維持穩定；當日12:33:15，變頻器過載保護動作跳閘，Ｂ泵聯啟不成功，機組因凝結水失去而被迫停運。
（3）案例3：某300MW火電機組引風機跳閘導致機組非停。2013年9月25日，某300MW火電機組電負荷為260.9MW。當日4:28:42，Ｂ引風機因軸承溫度高而跳閘，機組ＲＢ動作，4A引風機動葉指令由55.4%上升到100%，４Ａ引風機電流由165.2A升高到482，過流保護動作，2臺引風機全停，觸發鍋爐ＭＦＴ。對案例中電動機過負荷情況、電動機定子線圈溫升情況、電動機過負荷保護定值整定情況進行統計分析，見表1。
表１ 電動機過負荷及定子線圈溫度統計
案例1、案例2均為電動機加載過程導致電動機過負荷，案例3為B引風機跳閘導致4A引風機過載。現場所用電動機的絕緣耐熱等級為F級，溫升按B級考核，即電動機的允許溫度為130℃，繞組溫升限值為80K。由表1可知，3臺電動機跳閘時的定子線圈溫度都遠未達到電動機線圈溫度限值。案例中，電動機過負荷保護定值的取值原則均符合DL/T 1502-2016《廠用電繼電保護整定計算導則》的要求，跳閘時電動機的定子線圈溫度均在電動機正常允許范圍內，定子線圈的溫升也在安全范圍內，遠未達到電動機的過負荷能力限值。
4 三相異步電動機定子繞組過負荷的保護配置及定值設置建議
現有規程在電動機過負荷保護定值選取中，多考慮保護電動機安全，未充分考慮負荷特性和釋放電動機本身的過負荷能力。為此，應合理設置電動機加載速率，在控制系統中設置適當的限制值，這是防止電動機過流、過載的根本措施。但是，系統需求或系統工況復雜，導致的電動機過負荷情況不一定能*避免，因此在電動機保護配置及定值計算時，除需考慮軸承損壞導致過負荷等電動機自身原因外，還要考慮系統或負載原因導致的電動機過負荷。系統中某些重要電動機，一旦跳閘將直接導致機組非停，經濟損失巨大，因此針對重要電動機的過負荷保護配置及定值選取，提出以下改進建議。
4.1應充分考慮電動機負荷特性及在系統中的地位，按二段原則配置電動機過負荷保護
應充分考慮電動機負荷特性及其在系統中的地位，重要電動機的過負荷保護按二段配置，一段保護動作于信號，提醒運行人員注意，另一段保護出口跳閘。在保證電動機安全的前提下，盡量放開電動機的過負荷能力，延遲另一段保護出口跳閘的時間，給運行人員爭取
調整的時間，避免機組非停，減少損失。
定子繞組過負荷一段保護定值可取1.05倍電動機額定電流，動作時間可適當取短，按躲過電源波動整定，可取3~5ｓ，保護動作于信號。信號應上傳至主控室，提醒運行人員注意并及時做出調整。
定子繞組過負荷另一斷保護可采用定時限或反時限動作曲線，按躲過定子繞組過負荷能力整定，動作于跳閘。反時限動作曲線貼近電動機定子繞組的過負荷能力，簡單的電動機運行期間過載保護動作模型：
式中，ｔ為保護動作時間；τ為電動機定子線圈熱容量系數；Ｉ*為以電動機額定電流為基準的標幺值；Ksr為散熱系數，可取1.05~1.1。
動作曲線的啟動門檻可取1.05~1.1倍電動機額定電流，熱容量系數τ的取值應由電動機廠提供，或參照導則，根據電動機的熱限曲線、過負荷能力、允許堵轉電流及時間或啟動電流下的定子溫升進行估算。
定子繞組過負荷若按定時限保護配置，則保護電流動作值可按1.5~2.2倍電動機額定電流整定，動作時間按躲過電動機廠家提供的電動機過負荷能力整定，保護動作于跳閘。
4.2 優化電動機過負荷保護邏輯，增設定子繞組溫度輔助判據
為保證電動機的安全，可在電流型電動機過負荷保護的基礎上，引入電動機定子線圈的溫度作為輔助判據。當電動機過負荷保護動作，且電動機定子線圈溫度超過限值時，保護出口跳閘。
4.3配置電動機熱過載保護并合理設置保護定值
微機電動機綜合保護通常配置電動機熱過載保護。熱過載保護的模型，綜合考慮了電動機正序電流及負序電流對電動機發熱的不同影響，以及電機冷態、熱態、散熱等工況。應根據電動機廠家提供的電動機熱限曲線或過負荷能力，合理設置電動機熱過載保護定值并投入運行，是對電動機過負荷的有效保護手段。
5安科瑞智能電動機保護器介紹
5.1產品介紹
智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。
5.2技術參數
5.2.1數字式電動機保護器
5.2.2模塊式電動機保護器
5.3產品選型
說明：“√"表示具備，“■"表示可選。
6結束語
重要電動機的過負荷保護應充分考慮電動機負荷特性，充分釋放電動機過負荷能力，按躲過電動機過負荷能力整定，不宜太靈敏。電動機的過負荷保護按二段配置，一段發信號，信號應發至主控室提醒運行人員及時調整；另一段動作于跳閘，跳閘段定值按躲過電動機過負荷能力整定。反時限動作曲線貼近電動機定子繞組的過負荷能力，采用反時限動作曲線可為電動機提供合理的保護，同時可將電動機定子繞組溫度作為電動機過負荷的輔助判據，兩者均滿足條件時啟動跳閘。投入并合理設置電動機熱過載保護是保護電動機過負荷的有效手段。
參考文獻
[1] DL/T 684-2012大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則[S]．
[2] 于愛民，宋 巖.三相異步電動機過負荷保護的配置及定值設置分析
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：趙娜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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