点此下载——同步电动机继电保护整定分析

【摘要】通过同步电动机受电网故障影响而使速断保护误动作的事故，分析了同步电动机在电网突然短路瞬间的特性，提出了定值整定的解决方案，并进行了整改，使同类事故再没出现，确保了设备安全运行。

【关键词】同步电动机；速断保护；整定计算

同步电动机在冶金企业中得到广泛应用，随着生产规模的越来越大，所使用的高压同步电动机的容量也越来越大。如鞍钢鲅鱼圈分公司鼓风机为42000kW同步电动机拖动，制氧机为15700kW的同步电动机拖动。为保证这些大型同步电动机安全可靠运行，配置可靠的继电保护装置和进行正确的继电保护整定计算是非常重要的。

1事故分析

2011年2月25日1：35受大风和雨加雪恶劣天气影响，鞍钢鲅鱼圈电网一条66kV架空线路线路(以下都简称66kV线路1)覆冰，相间绝缘降低，线路瞬间两相短路，电流差动保护、距离I段、过流I段保护动作跳闸，同时变电所内一台42000kW的同步机速断保护动作跳闸。

当时66kV线路1在充电状态，为对侧变电所做热备用，开关2在合位，开关1在分位，66kV线路2带63MVA变压器，通过10kV线路带42000kW鼓风机同步电动机(德国制造，保护定值由德国厂家提供)，供电系统一次单线如图1所示。

1．1事故记录

66kV线路1保护动作故障记录见表1和图2。

1．2保护配置

1．2．1  66kV线路1

电流互感器变比：2000／5

保护装置：南瑞继电保护装置RCS―953A

保护配置：电流差动保护：2．75A 0s

距离I段：0．45∠74°  0s

距离II段：1．1∠76°  0．5s

距离III段：10．6∠76°  2．7s

过流I段：10A 0s

过流II段：10A 0．5s

过流III段：1．9A 2．7s

1．2．2鼓风机同步电动机

电流互感器变比：3000／5

保护装置：西门子保护装置7UM621(见表2，3，4)

1．3  同步电动机短路特性^[1]

在短路瞬间，系统中所有同步电机(包括同步电动机和补偿机)的特性由它们的次暂态参数决定(它们的次暂态电势保持着短路发生前瞬间的数值)，可以从短路前正常运行状态中计算出来。在实用计算中，汽轮发电机和有阻尼绕组的凸极发电机次暂态电抗，可以取为Xq″=Xd″=X″；对无阻尼绕组的电动机，由于转子铁心的阻尼作用，也存在着次暂态阶段，由此可见，欲求起始次暂态电流，只需求出次暂态电抗X″和次暂态电势E₀″，设起始次暂态电流的幅值为I″，根据上述则有I″=E₀″／X″。由于X″通常为已知，假设运行在稳定工作状态，根据发电机的简化向量图(见图3)，可以得出它的次暂态电势E₀″：

E₀″≈U₁₀₁+I₁₀₁X″sinφ₁₀₁    (1)_

式中：U₁₀₁——短路前发电机的电压，在额定状态下U₁₀₁=1；

I₁₀₁——短路前发电机的电流，在额定状态下I₁₀₁=1；

φ₁₀₁——短路前发电机的功率因数角，在额定状态下cosφ₁₀₁=cosφ_e。

在工程简化计算中令E₀″=1，所以在保护整定计算中，可靠系数取较大值。对于工作在过励磁状态的同步电动机(或补偿机)，其简化向量图与发电机相似。它的E″总大于电动机的端电压。因此，在系统发生短路时，相当于电势迅速衰减的发电机，向短路点送出短路电流。可用下式计算短路电流的标幺值和有名值：

I*=1／X_Σ    (2)

I=I_j/X*_∑    (3)

式中：I_j——与计算点平均电压对应的基准电流(见表5)

X*_∑——电源线到短路点的等值电抗标幺值

1．4短路电流计算

当S_j=100MVA时，同步电动机电抗标幺值计算^[2]：X*(j)=X″％／S_e=0．285 7

式中：S_e——同步电动机的额定容量，S_e=46．67MVA：

X″％——同步电动机的次暂态电抗百分值，通常取直轴次暂态电抗X_d″％=13．33％(厂家提供数值)。

标幺电抗如图4所示。

当在距离1开关600m短路瞬间，66kV线路2将有短路电流I₂流向66kV线路1，同时鼓风机同步电动机在短路瞬间向系统反馈短路电流I₁。

设定电动鼓风机至故障点的短路电流为I₁，等值标幺电抗为X₁，66kV线路2至故障点的短路电流为I₂，等值标幺电抗为X₂，至故障点的总短路电流为I，总等值标幺电抗为X(见图4)则：

X₁=0．285 7+0．01+0．249 8=0．545 5；

X₂=0．063／0．1014(最大方式／最小方式)；

X_大=X₁∥X₂=0．545 5∥0．063=0．056 4(最大方式)；

X_小=X₁∥X₂=0．545．5∥0．1014=0．085 5(最小方式)。

当故障点三相短路时，由表5可知10kV基准电流为I=5．5kA=5500A，依据式(2)可计算各线路短路电流(包括两相短路时)：

计算故障电流大于同步电动机的速断整定值(电动鼓风机的速断整定值为11．42×600=6840)，所以保护动作。

通过故障时现场故障滤波记录，当时故障点为BC相间短路，在故障点的相间故障电I=55．65×400=22 260A。因当时运行不在最大方式下，且为过渡阻抗短路，因此，证明了以上计算的正确。

2整改措施

同步电动机的电流速断应躲过电动机供电母线上短路时该电动机的反馈电流整定，反馈电流可用下式计算^[2]：

I_D。_D=E*₁″I_e。_D／X_d*″≈I_e。_D／X_d*″

式中：X_d*″——同步电动机次暂态电抗标幺值；

I_e。_D——同步电动机额定电流有名值；

I_D。_D——同步电动机反馈电流有名值。

用保护安装处的最小短路电流校验灵敏度，要求不小于2。则在实例中的反馈电流为I_D。_D=I_j10／X_同=19 251A，按照最小可靠系数1整定，I_dz=19 251A。同步电动机的母线电抗为X_同母=0．080 2+0．0212+0．249 8+0．01=0．3612。这时两相短路的灵敏系数：

灵敏度不满足要求，所以必须配置差动保护作为主保护。0秒速断保护不能作为主保护，可设定为高值过流保护，作为后备保护，定值采取与电网系统主保护配合的原则。电流定值取原定值设定为I_dz=6852A，时间配合取T_dz=0．5s。

3效果及结语

通过对同步电动机反馈电流的计算，校验了整个系统的短路电流，重新调整定值后经过近二年的运行，效果良好，保证了保护的不拒动、不误动，确保了设备的安全运行。

同步电动机属于用户，继电保护定值一般由制造厂家或委托单位计算，如单纯按照电动机的整定原则来考虑，会导致同步电动机保护误动。特别是大型同步电动机，在系统短路时，对系统的反馈电流大，极易出现问题。解决办法是在进行同步电动机的整定时，必须计算同步电动机的反馈电流，保护定值一定要和所在的电网系统定值配合，电流定值和时间定值都要配合。电网保护定值要计算接入的同步电动机的短路电流的影响；开关、电流互感器等设备选型时，校验设备的动、热稳定电流也要计算同步电动机的反馈电流。

参考文献

[1]电力系统故障分析．刘万顺．电力工业出版社．1980．

[2]电力系统继电保护．山东工学院、山东省电力工业局编写组水利电．力出版社1979