电动机低电压保护研究

引言

大多数电动机(尤其是大型高压电动机）均配有低电压保护装置,低电压保护作为电动机的后备保护起着保护设备、保障重要电机正常启动等重要作用。但是炼铁、炼钢、热轧、冷轧等重要生产部门中,生产装置多为一级负荷。生产一线的设备,电压波动,电机不能被切断:停电故障,电机必须尽快投入运行,把故障影响范围缩到最小。10kV供电系统操作频繁、振动大,很容易受接地、短路、断路等因素影响发生电压波动、电压信号丢失等故障,切断电机,进而扰乱正常的生产秩序,造成巨大经济损失。

本文基于实际运行中发生的一起故障案例,结合某炼钢厂大负荷生产过程中的影响因素,分析产生问题的原因,并制订具有针对性的规避措施,简单介绍措施执行后的效果。

1低电压保护故障动作现象

某日16:31:19,某厂供配电操控中心后台报警,水处理变电所10kV1段发生低电压故障报警。16:31:40,水系统配电室10kVⅡ段进线开关过流保护动作跳闸。至此,10kV1段母线所带5台水泵电机因电压低跳闸:10kV7段母线所带1台水泵电机和2#、4#、6#及8#变压器失电,影响终端设备的正常运行。

故障发生后,检查现场设备情况。发现＋段母线电容器柜(+wIMPV101）至水处理补偿室PT电压线路电缆发生相间短路放炮,水处理10kV配电室I段母线电压互感器手车上二次线路保护用空气断路器(以下简称"空开",空开额定电流为3A）跳闸。立即组织更换短路电缆。

故障处理完毕后,16:52,水处理变电所10kVI段母线所带水泵电机及Ⅱ段36个馈出线开始陆续恢复送电:11:40,水处理变电所全部恢复正常。

2故障原因分析

I段母线电容器柜(+wIMPV101）至水处理补偿室PT电压线路电缆发生相间短路放炮,水处理10kV配电室I段母线电压互感器手车上二次线路保护用空开跳闸,影响水泵综保采集到的系统电压。综保认为系统电压降低,低至整定值时,触发保护启动,进而10kVI段母线所带水泵负荷全部失电。

由于系统控制原因,10kVⅠ段母线所带水泵失电后,10kVⅡ段母线所带水泵大量启动,致使瞬间启动电流过大,进而10kVⅢ段进线开关瞬间电流过大,保护动作跳闸,10kVⅣ段所带负荷全部失电。

3低电压保护的作用

3.1保护电动机

电网电压降低时,电网所带异步电动机转速下降,电流上升。为保护电动机设备不被烧损,当电网电压低于电动机额定电压时,低电压保护动作跳闸。

3.2保持电网电压平衡

电网电压降低时,电网所带异步电动机转速下降,而当电网电压恢复时,大量电动机同时恢复转速,使母线电压恢复时间延长。

3.3切断不自启电动机

根据生产工艺流程或者所带设备特点,切断不允许自启动电机,如风机电动机、棒磨机电动机等软启电机。

4低电压保护的实现

低电压保护的实现方法有失压线圈、失压脱扣器、晶闸管结合电容电路、电压测量回路结合单片机等。通常失压线圈、失压脱扣器、晶闸管结合电容电路投用于低压电力系统甚至民用充电装置中,电压测量回路结合单片机通常投用于中高压回路中。

4.1失压线圈

系统电压波动、出现低电压时(低电压来临,低于一定值时）,其吸持线圈自动释放,不需要安装专门的低电压保护装置。它的优点是接线简单、维护方便:缺点是动作电压和时间不能根据需求整定,抗电网波动能力差。

4.2失压脱扣器

失压脱扣器是电子脱扣器的一种,通常并联在断路器的电源测,可起到欠压及零压保护的作用。电源电压正常时扳动操作手柄,断路器的常开辅助触头闭合,电磁铁得电,衔铁被电磁铁吸住,自由脱扣机构才能将主触头锁定在合闸位置,断路器投入运行。当电源侧停电或电源电压过低时,电磁铁所产生的电磁力不足以克服反作用力弹簧的拉力,衔铁被向上拉,通过传动机构推动自由脱扣机构使断路器掉闸,起到欠压及零压保护作用。

4.3电压测量回路结合单片机

通过电压测量回路将取样电压与单片机中设定值进行比较,欠压、过压等保护均可实现。该方法的电压动作值和动作时限可根据生产特点整定。

5低电压保护的整定

电网电压波动、出现低电压时,系统中所带电动机的转速下降,而当电压恢复时,大量电动机同时自启动,拉低母线电压,瞬间电流增大,延长母线电压恢复时间,甚至会使母线进线开关跳闸,自启动失败。为保证重要电动机（或设备）的自启动,在不重要电动机上（或根据生产工艺需求）加装低电压保护。通常动作电压整定为0.6～0.7倍的额定电压,0.5S延时动作,跳开电动机。

6原低电压保护逻辑分析

如图1所示,当测量线电压U_ab、U_bc、U_ac都低于整定值U_dz,开关或接触器处于合位,且有下降沿时,低电压保护动作。为防止PT断线误使保护启动,保护设置了当单相、两相或三相PT断线时闭锁低电压保护。PT断线出现低电压现象时,取低电压"非"信号,闭锁保护不动作。

该低电压保护的逻辑考虑了每一相"PT断线"情况,即其中某一相取不到电压的情况,但未考虑三相PT线路相互干扰或作用（单相接地、两相接地、两相短路、三相短路等）,引起异常情况下的"相（或线）电压不平衡"情况。故障案例中,PT取电压线路电缆间发生相间短路放炮,致使相（或线）电压不平衡,确切说是故障瞬间,相（或线）电压被拉低,但未达到"PT断线"的程度,PT断线出现低电压现象时,取低电压"非"信号,闭锁保护不动作的作用未能及时起效,最终导致前文所述故障的发生。

7低电压保护改进措施

低电压保护是高压供电系统的主保护单元,传统低电压保护方式是当电网电压低于额定电压30%时,继电保护装置动作,被保护设备开关跳闸。

保护装置更改前:电网电压低于额定电压30%,延时0.4s,电网电压仍低于额定电压30%,继电保护装置动作,被保护设备进线开关跳闸。

保护装置更改后:电网电压低于额定电压30%,如果一次电流正常 ,被保护设备进线开关不动作 ,如图2所示: 电网电压低于额定电压30% ,如果一次电流为零 ,延时4s, 电网电压仍低于额定电压30% ,被保护设备进线开关动作 跳闸。

8效果分析

所有10kv供电系统低电压保护装置进行改造后,加装电流监测装置,联系保护装置厂家更改保护程序,同时协同相关部门调整保护定值。跳闸判断逻辑为"无压有流,开关不动:无压无流,开关动作"。设备改造后取得良好效果,例如全网3#电站2#污水泵设备故障,配电系统5段母线低电压,由于电机设备加强防范低电压保护动作的措施,供电系统运行正常,电网电压波动未造成高压电机掉电,未发生断浇等生产问题。

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