电力系统继电保护与二次回路课件 第7章 电动机的保护

第7章电动机的保护引言：与变压器、线路相比，电动机不是变换、传输电能的设备，但在电力系统中70%以上的电能都是通过电动机转换为机械能的。在所有电气设备中，电动机是数量最多的一种。电动机在长期使用过程中难免会遇到故障及不正常运行状态，装设相应的保护措施，及时反应不正常运行状态或切除故障，才能降低对电动机、电网、电气控制设备以及人身安全的进一步损害。电动机分高压和低压电动机，本节主要介绍高压电动机的故障状态、不正常运行状态及保护方式。7.1高压电动机的常见故障和不正常运行状态7.1.1高压电动机的故障状态及保护方式(1)定子绕组的相间短路它是电动机最严重的故障。相间短路故障不仅会引起绕组绝缘损坏，烧坏定子铁心，甚至会造成电网电压显著降低，破坏其他设备的正常工作，所以在电动机上应装设反应相间短路故障的保护。依据GB/T50062-2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定：容量在2MW以下的电动机一般装设电流速断保护；容量在2MW及以上或容量小于2MW但电流速断保护灵敏度不满足要求的电动机装设差动保护。(2)定子绕组的单相接地故障它是电动机最常见的故障。单相接地故障对电动机的危害取决于供电网络中性点接地方式及接地电流的大小。依据GB/T50062-2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定：当接地电流大于5A时，应装设有选择性的单相接地保护；当接地电流小于5A时，可装设接地检测装置。(3)定子绕组的匝间短路电动机发生匝间短路故障时，由于出现负序电流，电动机出现制动转矩，转差率增大，使定子电流增大，使电动机过热。若用表示短路匝数占一相绕组总匝数的越大时，负序电流越大，定子电流增大及电动机过热也增大；当越小时，百分数，则当负序电流也越小，定子电流增大及过热不大，但故障点的电弧会烧坏绝缘甚至铁心。因此，电动机的匝间短路故障是一种较为严重的故障，可以装设负序过电流保护。7.1.2高压电动机的不正常运行状态及保护方式7.1高压电动机的常见故障和不正常运行状态(1)过负荷保护

产生过负荷的原因有机械过负荷、供电电压降低和频率降低时造成过负荷、电动机启动和自启动时间过长、由于一相熔断器熔断造成两相运行。长时间的过负荷将使电动机温升超过允许值，从而加速绝缘的老化，甚至引起故障。对生产中易发生过负荷的电动机应装设过负荷保护，根据负荷性质带时限动作于信号、跳闸或自动减负荷。(2)低电压保护

供电电压降低时，如果负载不变，电动机转速下降，电流随之增大，供电网络阻抗上压降相应增大，为保证重要电动机的运行，在次要电动机上应装设低电压保护。另外，在不允许自启动的电动机上也应装设低电压保护。同时，高压电动机的不正常运行状态还包括，电动机在运行中过热、启动时间过长、电动机的堵转等等，为了防止电动机过热可加装电动机过热保护，为了防止电动机启动时间过长可加装电动机启动时间过长保护，为了防止电动机堵转，可以考虑加装电动机堵转保护。7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则反应相间短路故障可装设电流速断保护或差动保护1.电流速断保护容量在2MW以下的电动机上采用电流速断保护作为相间短路保护。保护可以采用两相不完全星形接线，如图7-1a所示，当灵敏度满足要求时，也可采用两相电流差接线，如图7-1b所示。为了在电动机内部及电动机与断路器之间连接电缆上发生故障时保护均能动作，电流互感器应尽可能安装在断路器侧。保护用电流继电器可以是电磁型（DL型）或感应型（GL型）的。对易产生过负荷的电动机可采用感应型电流继电器，其瞬动元件作为相间短路保护，作用于跳闸，其反时限元件作为过负荷保护，延时作用于信号、减负荷或跳闸。(a)两相不完全星形接线(b)两相差电流接线

图7-1电动机的电流速断保护原理接线图7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则电流速断保护动作电流按躲过电动机的起动电流整定，电动机的起动过程电流变化曲线如图7-2所示。图中为起动瞬间的峰值电流，为起动电流，为电动机的起动时间。图7-2电动机起动电流曲线电动机电流速断保护的动作电流按下式确定：（7-1）该电流由电动机制造厂提供曲线或参数，或由实验方法实测决定，通常是4-8。电流速断保护灵敏度校验：（7-2）7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则2.差动保护对于容量为2MW及以上的电动机或因装设电流速断保护灵敏度不够的电动机应装设差动保护作为相间短路保护。电动机的纵联差动保护可采用两相式差动接线。采用电流继电器构成的纵联差动保护原理图如图7-3所示，采用差动继电器构成的纵联差动保护原理图如图7-4所示。图7-3电流继电器构成的纵联差动保护图7-4差动继电器构成的纵联差动保护7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则电动机纵联差动保护和磁通平衡式纵差保护如果不满足灵敏性要求，可以考虑电动机比率，纵坐标为差动电流。为比率制动斜率，为差动电流启动定值，为差动特性中拐点电流，比率差动保护能保证外部短路不动作，内部故障时有较高灵敏度。制动式差动保护。电动机比率制动式差动保护动作特性曲线如图7-5所示。图中横坐标为制动电流图7-5电动机比率制动差动保护动作特性曲线差动电流的计算方法为：,制动电流的计算方法为：7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则比率制动式差动保护的整定计算：1）比率制动差动保护的最小动作电流：（7-5）2）拐点电流：

（7-6）3）比率制动斜率：（7-7）一般取0.3-0.5；4）比率制动式差动继电器的动作电流：（7-8）5）灵敏系数校验：（7-9）6）差动速断动作电流：

（7-10）7）差动速断灵敏系数：

（7-11）7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则3.单相接地保护中性点非直接接地电网中的高压电动机发生接地故障时，接地电流为电网对地电容电流之和，当单相接地电流大于5A时，应装设单相接地保护，并瞬时动作于断路器跳闸。高压电动机单相接地的零序电流保护接线如图7-6所示，保护装置由零序电流互感器TA0、电流继电器、中间继电器和信号继电器组成。图7-6电动机零序电流保护原理图7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则正常运行时，零序电流互感器TA0一次侧三相电流和接近为零，流入到电流继电器KA的电流为不平衡电流，数值较小，电流继电器不动作。本台电动机发生单相接地时，流入到电流继电器KA的电流为全系统非故障元件对地电容电流的总和，方向为由线路流向母线，电流继电器动作。其他电动机发生单相接地时，流入到电流继电器KA的电流为电动机本身的电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路，电流继电器不动作。按照上述分析，电动机单相接地保护动作电流为：躲过区外接地故障时，保护流过电动机本身的电容电流，如式（7-12）所示，还要满足区内发生单相接地故障时灵敏系数大于1.3条件，如式（7-13）所示。（7-12）（7-13）7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则4.负序过电流保护负序过电流保护对电动机断相、反相、定子绕组匝间短路、以及较严重的电压不对称等异常运行工况提供保护，并作为相间短路主保护的后备保护，保护动作于信号或跳闸。负序过流I段：（7-14）保护动作时间0.05-0.1s。负序过流II段，作为灵敏的不平衡电流保护：（7-15）保护动作时间0.5-10s。5.过负荷保护在运行中易遭受过负荷的电动机及不允许自启动的电动机应装设过负荷保护。在不能保证电动机自启动，或必须停机后才能从机械上消除过负荷时，过负荷保护应作用于跳闸，其他作用于信号。过负荷保护动作电流按躲过电动机的额定电流来整定，动作电流按下式整定：（7-16）7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则6.低电压保护电动机可分为重要电机和不重要电机，前者是指那些短时将它们断开会引起重要生产过程混乱、中断、造成严重后果的电动机。后者指将它们断开并不会造成严重后果和影响的电动机。当电源电压短时降低或中断后的恢复过程中，为了保证重要电动机的自启动，通常应将一部分不重要的电动机利用低电压保护装置将其切除。比如在发电厂厂用电的每段母线上，给水泵、循环水泵等的电动机以及引风机、送风机和给粉机的电动机，都属于重要电动机；而磨煤电动机、排灰泵的电动机等则属于不重要电动机，低电压保护就可以装设在后面这些电动机上。低电压保护的动作时限分为两级，一级是为保证重要电动机的自启动，在其他不重要电动机上装设带0.5s时限的低电压保护，保护动作电压应为额定电压65%——70%，动作于断路器跳闸；另一级是当电源电压长时间降低或消失时，对于根据生产过程和技术安全等要求不允许自启动的电动机，应装设低压保护保护，经9s时限动作于断路器跳闸，保护动作电压应为额定电压的45%——50%。低电压保护的整定计算：（1）0.5s切除的不重要电机低电压保护动作值：（7-17）（2）9s切除的需要自动断开的电机低电压保护动作值：（7-18）7.2高压电动机的保护7.2.1高压电动机保护配置原则7.过热保护电动机过热保护是为电动机各种过负荷引起的过热提供保护，也作为电动机短路、启动时间过长，堵转等的后备保护。（7-19）当电动机热积累值达到70%-80%时发出报警信号，当热积累值达到时发出跳闸信号。8.启动时间过长保护电动机启动时间过长会造成电动机过热，当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。保护的动作判据为：

（7-20）7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例【例题7-1】6kV电动机保护整定。已知条件：6kV异步电动机Y-500-4型额定功率1400kW，额定电流161.1A，，同步转速1500r/min，，启动电流倍数为6.5，启动时间6.5s。最小运行方为8700A，6kV电网的总单相接地电容电流为9.5A，配电装置至电动机端的电缆长度为0.2km。装设3个变比为300/5的电流互感器。式下电动机接线端三相短路初始值护、启动时间过长保护、堵转保护。保护配置：设置电流速断保护、过负荷保护、负序过电流保护、单相接地保护、低电压保护、过热保7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例解：1）电流速断保护：依据式（7-1）可得保护动作电流：取23A依据式（7-2）可得保护灵敏系数：2）单相接地保护：依据工业与民用供配电设计手册式（4.6-35）可得电动机回路电缆电容电流：满足要求。依据式（7-13）可得保护动作电流：取7A7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例3）负序过电流保护：依据式（7-14）可得负序过流I段保护动作电流取3A保护动作时间：取0.1s依据式（7-15）可得负序过流II段保护动作电流：取1.2A保护动作时间：取5s4）过负荷保护：依据式（7-16）可得保护动作电流：取3A保护动作时限：取9s7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例5）低电压保护：依据式（7-17）可得保护动作电压：取65V保护动作时间：取0.5s6）过热保护：依据式（7-19）可得电动机热积累定值：电动机过热报警值：7）启动时间过长保护：依据式（7-20）可得保护动作时间：取7s7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例【例题7-2】6kV同步电动机保护整定已知条件：6kV同步电动机TD/73/66-10型额定功率2500kW，额定转速600r/min，传动风机负荷。,，，，最小运行方式下电动机接线端三相短路电流为7330A，为9.5A，配电装置至电动机端的电缆长度为0.15km，电流互感6kV电网总单相接地电容电流器变比为400/5。配置比率制动差动保护、过负荷保护、负序过电流保护，请进行整定计算。【解】（1）比率制动差动保护：1）依据式（7-5）可得比率制动差动保护的最小动作电流：取1.4A2）依据式（7-6）可得拐点电流：

取3.5A7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例3）依据式（7-7）可得比率制动斜率：取0.44）依据式（7-8）可得比率差动继电器的动作电流：5）依据式（7-9）可得灵敏系数：满足要求。6）依据式（7-10）可得差动速断动作电流：7）依据式（7-11）可得差动速断灵敏系数：7.2高压电动机的保护7.2.2高压电动机保护案例（2）过负荷保护：依据式（7-16）可得：取4A取17s（3）负序过电流保护：依据式（7-14）可得负序过流I段：取3.5A保护动作时间0.05-0.1s，取0.1s。依据式（7-15）可得负序过流II段：取1.6A保护动作时间0.5-10s，取5s。7.3低压电动机的保护低压电动机应装设相间短路保护、过载保护、接地保护和低电压保护等。考虑到380V电动机的容量不大，它们的保护应力求简单、经济、可靠。笼型电动机全压启动的主回路常用接线如图7-7所示。主回路由隔离开关QS、熔断器FU、断路器QF、接触器KM、热继电器FR构成。其中图（a）采用熔断器作为相间短路和接地故障保护，图（b）采用断路器作为相间短路和接地故障保护。热继电器FR做为过载保护。a)短路和接地故障保护电器为熔断器b）短路和接地故障保护电器为断路器

图7-7笼型电动机主回路常用接线7.3低压电动机的保护7.3.1相间短路和接地故障保护1．熔断器保护电动机常用的熔断器型号有aM熔断器和gG熔断器。“aM”表示保护电动机电路部分范围分断能力的熔断器，“gG”表示一般用途全范围分断能力的熔断器。1）aM熔断器的熔断体额定电流可按同时满足下列两个条件选择：熔断器额定电流大于电动机额定电流；电动机的启动电流不超过熔断体额定电流的6.3倍。综合以上两个条件，启动电流约按7倍考虑，熔断体额定电流可取电动机额定电流的1.1倍。2）gG熔断器的选择宜按熔断体允许通过的启动电流来选择。aM和gG熔断器的熔断体允许通过的启动电流见表7-1，该表适用于电动机轻载和一般负载启动。笼型电动机直接启动时选用熔断器的参考规格见表7-2。表7-1刀形触头熔断器和圆筒帽形熔断器允许通过的启动电流熔断体额定电流/A允许通过的启动电流/AaM熔断器gG熔断器24610162025324050631325386310012515820025031539551214273963851151351952357.3低压电动机的保护7.3.1相间短路和接地故障保护1．熔断器保护电动机常用的熔断器型号有aM熔断器和gG熔断器。“aM”表示保护电动机电路部分范围分断能力的熔断器，“gG”表示一般用途全范围分断能力的熔断器。1）aM熔断器的熔断体额定电流可按同时满足下列两个条件选择：熔断器额定电流大于电动机额定电流；电动机的启动电流不超过熔断体额定电流的6.3倍。综合以上两个条件，启动电流约按7倍考虑，熔断体额定电流可取电动机额定电流的1.1倍。2）gG熔断器的选择宜按熔断体允许通过的启动电流来选择。aM和gG熔断器的熔断体允许通过的启动电流见表7-1，该表适用于电动机轻载和一般负载启动。笼型电动机直接启动时选用熔断器的参考规格见表7-2。表7-2笼型电动机直接启动时选用熔断器的参考规格电动机额定功率/kW电动机额定电流/A电动机启动电流/A熔断体额定电流/AaM熔断器gG熔断器0.5535.51518.5301.67.11231375884883225267417210163240634202550631007.3低压电动机的保护7.3.1相间短路和接地故障保护除了考虑额定电流之外，选择熔断器时还要满足短路保护的要求，即熔断器的短路分断能力应大于其流过的预期短路电流，否则需采取限流措施。TN系统中用熔断器做接地故障保护，故障切除时间不大于5s时熔断电流Id与熔断体额定电流IN最小比值见表7-3所示。表7-3熔断体熔断电流与额定电流熔断体额定电流IN/A162025324050熔断电流Id/A6480105133172220熔断电流和额定电流之比444.24.24.34.42．低压断路器仅用做相间短路和接地故障时，可采用只带瞬动脱扣器的低压断路器。瞬动脱扣器的整定电流应为电动机启动电流的2-2.5倍。当采用短延时脱扣器做保护时，短延时脱扣器的整定电流按躲过电动机起动电流考虑。7.3低压电动机的保护运行中容易过负载的电动机、启动或自启动条件困难而要求限制启动时间的电动机，应装设过负载保护。采用热继电器做过载保护时，热继电器的整定电流应接近但不小于电动机的额定电流，一般取电动机额定电流的1.1倍。也可以采用断路器的长延时脱扣器作为电动机过载保护，其整定电流应接近但不小于电动机的额定电流，且在7.2倍整定电流下的动作时间应大于电动机启动时间。7.3.2过载保护7.3低压电动机的保护电动机的低电压保护宜采用低压断路器的欠电压脱扣器、接触器或接触器式继电器的电磁线圈；也可采用低电压继电器和时间继电器或多功能控制与保护开关电器来实现。欠电压继电器或脱扣器的动作电压一般设定为当电压下降至额定电压的70%-35%范围内，欠电压继电器或脱扣器应动作。为了较全面了解电动机回路保护电器及导线型号选择，列举了不同电动机功率及回路设备选择情况，如表7-4所示。7.3.3低电压保护表7-4YX3系列电动机、保护电器及导线选择电动机型号额定功率/kW额定电流/A启动电流/A熔断器/A断路器额定电流/A接触器额定电流/A热继电器额定电流/ABV型导线根数