微机电动机过负荷保护

　　电动机是将电磁能转换为机械能的用电设备，与变压器等其它静态电气设备不同，电动机的过负荷保护不仅要考虑其电磁性能，还必须涉及其机械运动性能。微机保护以其快速的计算性、良好的存储及强大的网络功能，为电动机的综合保护提供许多常规保护装置无法完成的技术和功能，而且目前国内外电动机微机保护装置是各有千秋，至今还在不断地改进。

　　微机电动机过负荷保护充分考虑了电动机的三种状态，即启动、运行和停止状态，除了提供曲线式保护外，还可完成自定义曲线、热映像及温度传感器过负荷保护等新技术，给保护的整定、校验、运行及故障处理带来了很大的方便。

　　2 曲线式过负荷保护

　　微机曲线式过负荷保护采用输入电动机额定电流、堵转电流、堵转时间及工作系数等数据，从电动机微机保护装置的多条标准或I2t时间/过负荷等曲线中，选择一条刚好低于电动机损坏的曲线，以便更好地与电动机的热特性相匹配，不但考虑了电动机的启动与运行，而且具有描述停运时冷却状态的返回曲线。如果要求更为复杂的保护功能，可以输入测试点确定曲线，从而自定义所需要的过负荷曲线。

　　2.1 标准过负荷保护特性曲线

　　微机电动机保护装置具有多条标准过负荷保护反时限特性曲线。IEC反时限曲线计算公式：

　　当 （1）

　　当 （2）

　　式中：

　　top － 动作时间，（秒）；

　　tre － 返回时间，（秒）；

　　TM － 曲线时间倍数整定值；

　　I － 测量电流值。该值可以是一次或二次实际测量值，也可以是以电动机额定电流、整定电流或电流互感器二次额定电流为基准的标幺值；

　　Iset － 整定电流值；

　　K － 常数，见表－1；

　　α － 常数，见表－1；

　　tr － 特性常数，见表－1；

　　Kre － 返回系数，为0.96~0.98。

　　表–1 典型过负荷保护特性曲线数据表

　　IEEE反时限曲线计算公式：

　　当（3）

　　当 （4）

　　式中：

　　L － IEEE 常数，见表－1；

　　TD － IEEE 曲线时间刻度整定值。

　　GE标准过负荷保护特性曲线计算公式：

　　（5）

　　式中：

　　SCM － 标准曲线倍数；

　　Iop－ 动作电流。

　　2.2 I2t过负荷保护特性曲线

　　电动机微机保护I2t曲线计算公式：

　　 当 （6）

　　 当 （7）

　　取不同的TM和TD即可得到多条标准或I2t时间/过负荷曲线，以满足各种电动机过负荷保护的需要。

　　2.3 IAC过负荷保护特性曲线

　　电动机微机保护IAC曲线计算公式：

　　（8）

　　表–2 IAC过负荷保护特性曲线数据表

　　2.4 自定义过负荷保护特性曲线

　　如果电动机要求更为复杂的保护功能，电动机微机保护可以输入测试点确定曲线，从而可根据需要定义自己的过负荷保护特性曲线，曲线的计算公式是：

　　 当 （9）

　　 当 （10）

　　式中：

　　－ 自定义动作函数；

　　－ 自定义返回函数；

　　TDM －曲线时间刻度倍数。

　　2.5 启动过程机端电压对过负荷曲线的调整

　　如果电动机拖动的是大转动惯量的负荷，其启动时间将超过堵转允许时间。在此情况下，保护必须能够区分堵转、启动和运行。在启动过程随机端电压调整的自定义过负荷曲线可以满足这一要求。

　　电压调整自定义过负荷曲线分别由堵转、启动和运行过负荷三部分曲线组成。运行过负荷曲线与由最小允许启动电压定义的启动曲线相交，启动曲线的另一点应与额定电压的堵转曲线相交。由于电动机的启动电流是随着机端电压的不同而变化的，因此，启动曲线也随着机端电压的不同而在最小允许启动电压和额定电压之间动态变化。

　　3 热映像过负荷保护

　　微机电动机热映像过负荷保护是基于负荷电流计算得到等效电流Ieq，再计算定子和转子的热效应，在其内部复制生成一个描述电动机热状态的热映像，为各种过负荷引起的过热提供保护，也作为短路、启动时间过长、堵转等保护的后备。

　　3.1 不平衡电流法等效电流计算

　　用电动机负荷不平衡电流可计算得到等效电流：

　　 （11）

　　式中：

　　Ieq— 等效电流；

　　Iavg — 三相平均电流；

　　UB% — 不平衡百分率，可用下式计算：

　　当Iavg < IN，（12）；

　　当Iavg≥IN，（13）；

　　式中：

　　Imax — 三相最大电流；

　　IN — 电动机额定电流。

　　KUB — 不平衡因数。典型的KUB可用下式计算：

　　 （14）

　　保守的KUB可用下式计算：

　　 （15）

　　式中：

　　Ist — 电动机启动电流。

　　KUB也可以由自学习方式获得，其计算公式如下：

　　 （16）

　　ILSC — 最近五次电动机启动电流的平均值。

　　3.2 正负序电流法等效电流计算

　　综合考虑了电动机正序和负序电流所产生的热效应，等效电流可按下式计算得出：

　　 （17）

　　式中：

　　I1 － 正序电流；

　　I2 － 负序电流；

　　K1 － 正序电流系数；

　　K2 － 负序电流系数。

　　K1主要用于区分电动机启动与运行过程中正序电流分量所产生的热量；K2用于计算在热映像变化过程中由负序电流分量所产生的热量。由于国内外各公司在建立计算热映像数学模型时所采用的标准、简化的手段以及所应用的拖动设备各不相同，得到的正负序电流系数也各有差异，设置方式见下表：

　　表–3 各种方式正负序电流系数表

　　结合不平衡电流法与正负序电流法，等效电流也可按下式计算得出：

　　 （18）

　　3.3 热映像动作时间计算

　　热映像动作时间可按以下公式计算：

　　 （19）

　　或

　　 （20）

　　式中：

　　τ － 热时间常数；

　　Ipre — 预负荷电流；

　　KOL － 过负荷系数，见IEC 60255-8。

　　也可按以下公式计算：

　　 （21）

　　式中：

　　Kθ － 热映像值参数，Kθ＝Ieq/ Iset；

　　θi — 初始热映像值；

　　θset — 过负荷报警或跳闸热映像整定值。通常报警整定值θalarm.set ＝0.85～0.95，跳闸热整定值θtrip.set ＝1。

　　电动机的热承受能力受到故障前电动机绕组热映像的影响。当Ipre＝0或θi＝0即为“冷态”；当Ipre＝IN或θi＝θN即为“热态”。在正常运行方式下，微机电动机保护将运行在两种状态之间。

　　冷态时动作时间也可按以下公式计算：

　　 （22）

　　冷却时间可按以下公式计算：

　　 （23）

　　τc － 冷却时间常数。

　　3.4 热映像计算

　　电动机热映像可由如下公式计算：

　　 （24）

　　式中：

　　θn-1 － 上一次计算得到的热映像。

　　也可由如下公式计算：

　　 （25）

　　式中：

　　Δt－计算间隔时间。

　　还可由如下公式计算：

　　 （26）

　　式中：

　　θt － 当前时刻的热累积量；

　　θt-Δt － 上一时刻的热累积量。

　　另外，还可由如下公式计算：

　　 （27）

　　式中：

　　ttr － 以IN为函数的动作曲线上，Ieq的跳闸时间。

　　当θn≥θset或θt≥θset时，过负荷保护动作。

　　保护装置有将热映像小于50%定义为“冷态”,大于等于50%定义为“热态”。如果热映像大于禁止再次启动热映像θforbid start，电动机启动回路将被闭锁，但紧急情况下也可人为清除记忆的热映像。

　　3.5 热映像值降低计算

　　当电动机在热态和冷态极端值之间时，热映像值是线性关系，此时，热映像值相对于冷态时有所降低，其稳定的热映像值降低值可以用如下公式计算：

　　 （28）

　　式中：

　　TLRT.Hot － 热态堵转时间；

　　TLRT.Cold － 冷态堵转时间。

　　3.6 时间常数分段与估算

　　时间常数τ 可分为三段：

　　τOL － Iset < Ieq≤2×Iset，过负荷时间常数；

　　τst － Ieq > 2×Iset，启动时间常数；

　　τc － 电动机停运后，冷却时间常数。

　　可按下述方法之一估算时间常数τ：

　　¨ 加热时间常数按下式计算：

　　 （29）

　　式中：

　　θN — 电动机的额定温升；

　　Kst — 启动电流倍数；

　　θst — 电动机启动时的温升；

　　tst — 电动机的启动时间。

　　¨ 如果具有热曲线或一组过负荷能力的数据，则按式（18）计算，求出一组加热时间常数后取较小的值；

　　¨ 如已知堵转电流和允许堵转时间，也可由式（18）估算加热时间常数；

　　¨ 用实测电动机温度、环境温度及冷却时间按式（20）或（22）可以计算冷却时间常数。

　　4 温度传感器过负荷保护

　　由于电动机的电气与机械结构较复杂，应用场合各异，运行方式多样，发生的故障各不相同，使电动机详细的热映像关系式非常复杂，因此，无法建立一个能描述各种电动机实际发热特性的精确数学模型。温度传感器过负荷保护是采用电阻温度探测器（RTD）、热敏电阻（Thermistor）或热电偶（Thermocouple）直接检测电动机的实际温度而实现的，比基于检测相电流的热映像计算法具有更高的可靠性和准确性，并可消除环境温度变化导致的误差，不但可用于电动机的绕组过负荷保护，也可用于电动机轴承磨损或润滑不良引起的轴承局部过热保护，而且还可对热映像计算法进行环境温度的补偿。当电动机停转时，温度传感器监测定子绕组温度，可精确地跟踪冷却过程，测出冷却时间常数。微机电动机保护装置通常设有多个温度传感器输入，可以针对性地将其放置在电动机容易过热的各部位。

　　温度传感器过负荷保护的报警和跳闸动作整定值取决于电动机温度的高低，以及电动机所处的环境温度和海拔位置。当用于检测电动机外部环境温度对热映像参数进行修正时，温度传感器应安装在电动机的风冷入口附近。根据环境温度在计算热映像、检测过热报警及过热停机时对整定值做适当修正，其计算公式如下：

　　 （30）

　　式中：

　　I set.ch — 修正后的电流整定值，并以该值取代I set；

　　Kch — 环境温度修正系数；

　　Kch = 1 当40℃ > T时；

　　Kch = 1.4－0.01×T 当65℃ > T ≥ 40℃时；

　　Kch = 0.75 当T ≥65℃时。

　　由于温度传感器的反映速度较慢，因此不能代替基于检测相电流的热映像电动机过负荷保护。温度传感器对过压非常敏感且容易因过压而损坏，因此它们通常成对使用，一个作为主温度传感器，另一个作为备用温度传感器。另外，微机电动机保护还提供了温度传感器的开路和短路检测功能。如果测得的电阻值超过允许范围，保护装置将发出温度传感器故障报警。

　　5 结束语

　　在电动机的过负荷保护整定时，不要仅考虑电动机的电气性能，还应顾及其机械性能以及所拖动设备的性能。由于各企业生产工艺及所采用的设备不同，对电动机的过负荷保护要求也不尽相同，因此需要继电保护运行管理人员根据本企业电动机及其所拖动设备的特殊性，认真研究各种电动机的过负荷保护的区别，确定最合适的保护及运行方案。

　　参考文献

　　1 潘飞，SPAM150C保护装置在石化企业的应用，电工技术杂志，2004（10）

　　2 潘飞，P220电动机保护装置在石化企业的应用，电气&智能建筑，2005（1）

　　3 贺家李，宋从矩，电力系统继电保护原理（增订版），中国电力出版社，2004年9月

　　4 清大华康，μMPS 4270 微机电动机保护装置技术及使用说明书

　　5 Stanley E. Zocholl, Gabriel Benmouyal. USING THERMAL LIMIT CURVES TO DEFINE THERMAL MODELS OF INDUCTION MOTORS. Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.

　　6 ALSTOM，MiCOM P220电动机保护技术指南，TG1.1550，1999年3月

　　7 SIEMENS, Multi-Functional Protective relay with Local Control 7SJ62/63/64, V4.4

　　8 GE Industrial Systems，269Plus Motor Management Relay Instruction Manual.

　　9 GE Industrial Systems，469 Motor Management Relay Instruction Manual.