摘要：10kV压缩机是化工装置中的关键负荷，其保护继电器定值将关系到保护继电器是否能及时安全可靠地切除电机运行过程中出现的故障,对于整个化工装置的正常运行至关重要。本文以10kV压缩机的工程设计为实例，阐述了10kV电动机保护配置与继保定值计算的工程应用。
关键词：10kV压缩机；保护配置；定值整定计算
Protection Configuration and Relay Setting Calculation for 10kV Compressor in AChemical Plant of Shanghai Caojing
Rao Lihua
(ShanghaiLBTEngineering&Technology Co.,Ltd,shanghai 201101)
Abstract：10kV compressor is the key load in the chemical plant. The setting of its protection relay setting will affect whether the protection relay can cut off the faults occurred during the motor operation safely and timely, which is very important for the normal operation of the whole chemical plant. Taking the engineering design of 10kV compressor as an example, this paper expounds the engineering application of 10kV motor protection configuration and relay setting calculation.
Keywords：10kV compressor; Protection configuration; Relay setting calculation
上海漕泾化工园区某化工装置中有10kV盐酸和氯气压缩机若干台，最大的电动机负荷为盐酸压缩机，为异步电动机，额定功率为3600kW。此压缩机采用西门子中压柜8BK20空气绝缘柜供电，柜内为双母线系统，并装有几乎免维护及加强绝缘强度的3AH型真空断路器，继电保护模块采用西门子7SJ635和7UT612。本文将以此压缩机为例，阐述中压异步电动机相关的保护配置要求和继电保护整定计算。保护配置要求遵循GB/T 50062《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》[2]，继电保护整定计算参照《工业与民用配电设计手册》第四版[1]。
1 10kV电动机保护配置
按照规范[2]要求对于额定电压在3kV及以上的电动机包括同步电动机和异步电动机，当发生以下故障和异常运行方式，应装设相应的保护装置：①定子绕组相间短路；②定子绕组单相接地；③定子绕组过负荷；④定子绕组低电压；⑤同步电动机失步；⑥同步电动机失磁；⑦同步电动机出现非同步冲击电流（断电失步）⑧相电流不平衡及断相。
对于额定功率为3600kW的10kV异步电动机，保护配置方案如下图1所示。
纵联差动保护（ANSI 87）
2MW及以上的电动机，或电流速断保护灵敏系数不符合要求的2MW以下电动机，应装设纵联差动保护。保护装置可采用两相或三相接线，并应瞬时动作于跳闸。
过电流保护（ANSI 50，51）
过电流保护作为纵联差动保护的后备保护。保护装置可采用两相或三相接线，并应延时动作于跳闸。
电动机启动保护（ANSI 48）
电动机重启抑制保护（ANSI 66）
热过负荷保护（ANSI 49）
生产过程中易发生过负荷的电动机应装设过负荷保护。保护装置应根据负荷特性，带时限作用于信号或跳闸。
启动或自启动困难、需要防止启动或自启动时间过长的电动机，应装设过负荷保护，并应动作于跳闸。
负序保护（相电流平衡保护）（ANSI 46）
负序过电流保护分别对电动机反相、断相、匝间短路以及较严重的电压不对称等异常运行工况提供保护。
欠压保护（ANSI 27）
敏感接地故障保护（ANSI 50Ns-1）
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图1保护配置方案
2 10kV异步电动机（2MW以上）保护整定计算
2.1 定值计算相关参数
本计算中的盐酸压缩机为异步电动机，额定电压为10kV，额定功率为3600kW，额定功率因素为0.89，效率为0.969，额定电流=额定功率/(1.732*额定电压*额定功率因素*效率)=3600/(1.732*10*0.89*0.969)=241.01A，电机启动电流倍数为5，最大允许启动时间为20s，相序电流互感器变比为300/1，零序互感器变比为60/1，电压互感器变比为10/3，0.1/3，10kV母线最大运行方式下三相短路电流为17.74kA，母线最小运行方式下相间短路电流为11.60kA。纵联差动保护由西门子继电保护模块7UT612实现，其它保护模块由西门子继电保护模块7SJ635实现。数字差动保护装置7UT612配备了强大的微处理器系统，可以实现所有功能的完全数字处理，从获取测量值到向断路器发出指令，可为变压器，电动机，发电机，单母线核短引线等提供差动主保护。数字化保护继电器7SJ635具有控制和监视功能，为用户提供了有效的电力系统管理，保证用户供电的可靠性，用作电动机保护时，7SJ635适用于各种类型的异步电动机。
2.2 定值计算
2.2.1 纵联差动保护（ANSI 87）
（1）比率制动差动保护的最小动作电流应躲过电动机正常运行时差动回路的不平衡电流。
ID,st=Iopmin=(0.2~0.4)*In*nTA，取系数0.325，则ID,st=0.325*241.01*（1/300）=0.26A（保护模块内代码1221，I-DIFF>）
ID,st为差动保护的启动电流，A；Iop min为最小动作电流，A。
（2）折线1基点Base Point1=1*In*nTA=1*241.01*（1/300）=0.8A，（保护模块内代码1242A）。
（3）折线2基点Base Point2=2*In*nTA=2*241.01*（1/300）=1.6A，（保护模块内代码1244A）。
（4）折线1斜率Slope1=0.25，（保护模块内代码1241A）。
（5）折线2斜率Slope2=0.5，（保护模块内代码1243A）。
（6）差动速断动作电流I-DIFF>>：一般取3~8倍额定电流的较低值，取4倍的二次额定电流。
I-DIFF>>=4*In*nTA=4*241.01*（1/300）=3.2A（保护模块内代码1231）
（7）差动速断保护动作时间Time Delay=0.0S（保护模块内代码1236A）。
2.2.2 过电流保护（ANSI 50）
此保护为相过电流高定值，动作于跳闸。
（1）过电流保护二段定值（50-2 Pickup），应躲过电机的额定启动电流。取1.6倍的电机启动电流。
50-2 Pickup=1.6*Is=1.6*5* In*nTA=1.6*5*241.01*（1/300）=6.4A（保护模块内代码1202）。
（2）过电流延时二段时间（Time Delay）=0.1S（保护模块内代码1203）。
2.2.3过电流保护（ANSI 51）
此保护为相过电流低定值，动作于跳闸。
（1）过电流保护定值应大于电机额定电流，取1.4倍的电机额定电流。
51 Pickup=1.4* In*nTA=1.4*241.01*（1/300）=1.12A（保护模块内代码1207）。
（2）IEC曲线采用长反时限（保护模块内代码1211）。
（3）反时限时间因子Time Dial=0.52S（保护模块内代码1208）。
（4）过电流保护时间（电机启动后）Time Delay (at the motor start-up current)=24S。
2.2.4 电动机启动保护（ANSI 48）
电动机启动时间不宜过长，否则将造成电动机过热故障。故当保护装置测量到的实际启动时间超过整定的允许启动时间时，保护动作于跳闸。
（1）马达开始启动电流IMotor Start，取2倍的额定电流，即当IMotor Start=2*In*nTA=2*241.01*（1/300）=1.6A，当电流达到此值时，即认为电机开始启动。
（2）马达启动电流设定值IStartup=5*In*nTA=4.0A
（保护模块内代码4102）。
（3）马达启动时间设定值值TStartup=20S（保护模块内代码4103）。
2.2.5 电动机重启抑制保护（ANSI 66）
如果连续频繁启动，则电机，特别是转子铜棒的边缘会遭受热过负荷而损坏。
（1）制动关闭电流最小值BrkClosed IMIN.取0.1倍的电机额定电流。
BrkClosed IMIN.=0.1*In*nTA=0.1*241.01*（1/300）=0.08A
（2）电机启动电路倍数IStart/IMOTnom=5（保护模块内代码4302）。
（3）电机额定电流（二次侧）IMOTOR NOMIAL= In*nTA=241.01*（1/300）=0.8A（保护模块内代码4305）。
（4）最长允许启动时间TSTART MAX=20S（保护模块内代码4303）。
（5）最大热启动次数MAX. WARM STARTS=2（保护模块内代码4306）。
（6）冷启动次数-热启动次数#COLD-#WARM=1（保护模块内代码4307）。
（7）温度平衡时间TEqual=1min（保护模块内代码4304）。
（8）禁止重启最短时间TMIN.INHIBIT=10min（保护模块内代码4310）。
（9）停止时间常量范围KT at STOP=5（保护模块内代码4308）。
（10）运行时间常量范围KT at RUNNING=2（保护模块内代码4309）。
2.2.6 热过负荷保护（ANSI 49）
对于电动机（尤其是定子）的热过负荷保护，可以设定一个时间常数。这样，当转子运行和停止时，可以正确地检测其热比率系数。通过外部温度检测盒（RTD盒）可以连续检测到环境温度和冷却溶液温度。过负荷功能中的热影像会根据环境情况自动调整。若没有RTD盒，假定环境温度是不变的。
（1）49K-因子49K-factor取1.1倍的电机额定电流，即49K-factor=1.1* In*nTA=1.1*241.01*（1/300）=0.88A（保护模块内代码4202）。
（2）时间常数Time Constant=20min（保护模块内代码4203）。
（3）49报警定值49θAlarm/θTrip=90%（保护模块内代码4204）。
（4）电流过负荷报警定值Ialarm取1.1倍的额定电流，即Ialarm=1.1* In*nTA=1.1*241.01*（1/300）=0.88A（保护模块内代码4205）。
2.2.7 负序保护（相电流平衡保护）（ANSI 46）
（1）46-1负序保护一段启动电流定值46-1PICKUP取0.1倍的电机额定电流，即46-1PICKUP=0.1*In*nTA=0.1*241.01*（1/300）=0.08A（保护模块内代码4002）。
（2）46-1负序保护一段延时时间46-1Time Delay=30S（保护模块内代码4003）。
（3）46-2负序保护二段启动电流定值46-2PICKUP取0.2倍的电机额定电流，即46-1PICKUP=0.2*In*nTA=0.2*241.01*（1/300）=0.16A（保护模块内代码4004）。
（4）46-2负序保护二段延时时间46-2Time Delay=15S（保护模块内代码4005）。
2.2.8 欠压保护（ANSI 27）
（1）欠电压保护二段启动定值U<<Pickup=75V（sec.）（保护模块内代码5111）。
（2）欠电压保护二段延时时间TU<<Pickup=2S（保护模块内代码5112）。
2.2.9 灵敏接地故障保护（ANSI 50Ns-1）
保护装置动作于报警信号。所有类型的接地故障的零序电压（ANSI64）。
（1）零序/接地偏移电压64-1 VGND=30V（sec.）
（保护模块内代码3109）。
（2）启动延时T-DELAY Pickup=1S（保护模块内代码3111）。
（3）接地电流启动50Ns-1 PICKUP=Krel*Ic，Krel取2，Ic为电机馈线电容电流，Ic=0.1 * UN* L (A)=0.1 * 10kV * 0.003km=0.003A，故50Ns-1 PICKUP=2*0.003=0.006A（保护模块内代码3117）。
（4）接地电流延时50Ns-1 DELAY=1S（保护模块内代码3118）。
3结论
本文通过对上海漕泾某化工装置中3600kW异步电动机的定值计算，与保护模块本身的性能相配合，从而确保保护继电器能及时有效地切除电动机运行过程中可能出现的故障，实现了其对电动机的有效保护，最终为整个化工装置的正常安全运行提供了强有力的保障。当然，针对不同的负荷运行特点，可以选择不同的保护配置，比如还可以配置堵转保护，磁平衡差动保护，同步电动机失步保护等。合理正确地选择保护配置，进行正确的定值计算，是电气设计中至关重要部分，在工程设计中应予以足够的重视。
参考文献
[1]中国航空规划设计研究总院有限公司组编.工业与民用配电设计手册[M]. 4版.北京:中国电力出版社,2017.
[2]中国电力企业联合会.GB/T50062-2008 电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009：24-26.
[3]张君善，李强.10kV高压电机保护原理及整定计算[J].电气技术，2013(11)：79-81.
[4]王炳国.国外某油田中压电动机保护配置与整定计算[J]. 中国石油大学胜利学院学报, 2015,29(3):19-21.
[5]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].下册.北京:冶金工业出版社,1996.
作者介绍：
饶丽华（1984.10.07–）；女；江西；汉族；硕士；中级工程师；电气工程师；电力系统及其自动化；上海利柏特工程技术有限公司。
论文作者:饶丽华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6