微機保護在高壓電機啟動工程設計中的應用

陸愛萍

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

微機保護在高壓電機啟動工程設計中的應用

陸愛萍

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

闡述了當前微機保護監控裝置的研究現狀和發展趨勢及高壓電動機監控保護裝置的原理，基于紫光DCAP－3010裝置，對高壓電動機微機保護在工程中的應用進行了有益的嘗試。

高壓電機;微機保護;監控保護裝置;紫光DCAP－3010

0 引言

微機保護功能的設計思想脫離不開系統保護的設計理念。隨著計算機技術與通訊技術的飛速發展，又為繼電保護不斷注入新的活力。目前，很多工礦企業的高壓變電所都采用微機保護裝置。該文微機保護的對象是電壓等級為6 kV，安裝容量280 kW的廠前回水泵。根據微機繼電保護裝置的特點:可靠性高、動作正確率高、使用及維護、調試靈活方便等，從而解決了通訊、監測及控制等等保護目的。

1 微機保護概況

電力系統繼電保護的發展經歷了機電型、整流型、晶體管型和集成電路型幾個階段后，現在發展到了微機保護階段。20世紀80年代，微機保護在硬件結構和軟件技術方面日趨成熟，并已在一些國家推廣應用。90年代，電力系統繼電保護技術發展到了微機保護時代，它是繼電保護技術發展歷史過程中的第4代。繼電保護技術發展趨勢向計算機化、網絡化、智能化、保護、控制、測量和數據通信一體化發展。在實現繼電保護裝置網絡化的條件下，整個保護裝置實際是整個變電站綜合自動化的一個智能終端。它可以從網絡上獲取電力系統運行和故障的任何信息和數據;也可將它獲得的任何保護和信息數據傳給控制中心。

傳統保護的動作特性是靠處于“靜態”的元器件或機械機構來實現的，其工作特性與完整性要通過預防性檢修維護才能確認是否完好;而微機保護的動作特性是由軟件經數學和邏輯運算得到，運行中裝置長期處于運算推理的“動態”過程，同時對裝置的硬件具有較完善的自檢功能，一旦某一“動態”環節出故障，保護裝置將告警并采用必要閉鎖措施。當然，微機保護裝置完整功能的實現，必須依賴那些正常運行時保持“靜態”的外部環節。在運行及檢修試驗中曾出現因某些“靜態”環節故障，致使保護裝置不能正確動作的現象。

2 DCAP－3010高壓電動機監控保護裝置系統原理

2.1 系統結構

系統主要有核心控制單元(DSP)、隔離變壓器、光電隔離、鍵盤等輸入設備、顯示設備等等組成。本系統結構框圖見圖1。該裝置基于32位高性能DSP(數字信號處理器)和網絡通信技術設計，主要用于6.3 kV、10 kV電壓等級電動機的保護測控。

圖1 DCAP－3010系統結構框圖Fig.1 DCAP－3010 System Structure Block Diagram

2.2 系統配置

系統裝置包括交流電壓輸入回路、交流電流輸入回路、直流電源輸入回路、開關量輸入(遙信)回路、開關量輸出(遙控)回路、斷路器操作回路以及通訊接口。

系統裝置設置有4個小PT可同時接受4個0～100 V交流電壓的輸入，設置有7個小CT，可同時接受7個額定為5 A或1 A的交流電流輸入，其中CT1接A相保護電流Ia，CT2接B相保護電流Ib，CT3接C相保護電流Ic，CT5接A相監控電流Ia，CT7接 C相監控電流 Ic，CT6接零序電流 I0，CT4備用。上述裝置內部的CT是按保護電流為三相的要求來分配的，適用于6～35 kV接地系統;對于6～35 kV不接地系統，保護電流要求為兩相時CT2不接線。裝置工作電源的接線端子為P+、P－，其中P+為正電源輸入端，P－為負電源輸入端。裝置控制回路電源的接線端子為L+、L－，其中L+為正電源端，L－為負電源端。裝置設有12個遙信開關量信號輸入端。

設有9個開關量輸出口TS1～TS8。其中，TS1～TS8輸出何種保護(或幾種保護的組合)跳閘信號由跳閘表來確定，通過跳閘表可靈活使用TS1～TS8出口。典型設計中TS1用于輸出遙控跳閘命令，TS2用于輸出保護跳閘或連鎖跳閘命令，TS3用于輸出遙控合閘命令，TS4～TS8備用。同時設有斷路器操作回路并內置防跳繼電器及跳合閘回路保持繼電器。

同時還具備高速以太網接口和 RS－485(或光纖)通訊接口，該裝置的各種信號和外部遙信信號可通過通訊網絡上傳至綜合自動化系統的監控主機。

2.3 繼電保護功能

繼電保護功能有多種，主要表現在:(1)裝置設有速斷保護;(2)定時限過流保護:包括兩段式定時限過流保護。其中過流1段相當于延時速斷保護，過流2段為延時啟動;(3)反時限過流保護，有三種方式可供選擇:①極端反時限，②非常反時限，③一般反時限;(4)負序過流保護(斷相保護):用于電動機三相電流不對稱保護;(5)負序過壓保護:當負序電壓U2大于負序過壓定值時，延時動作于出口;(6)低壓保護:以線電壓為判據，當電壓Uab、Ubc、Uca均低于整定值時，延時動作于出口;(7)零序過流保護:裝置包括兩段式零序過流保護，當零序電流大于整定值時，延時動作于出口;(8)零序過壓保護:當零序電壓大于整定值時，延時啟動出口或不啟動出口而只發信號;啟動出口時發事故信號;不啟動出口時發預告信號;(9)逆功率過流保護:在裝置通過計算發現一次回路向系統返送無功功率時，延時啟動出口;(10)過負荷;(11)PT斷線報警;(12)PT斷線閉鎖;(13)CT斷線報警;(14)控制回路斷線報警;(15)聯跳功能;(16)動作及告警報告和錄波。

3 DCAP－3010高壓電動機監控保護裝置在工程中的應用

大紅山銅礦二選廠廠前回水泵站6 kV配電系統的設計選用了DCAP－3000線路監控保護裝置，作為6 kV外電源進線的保護;選用了DCAP－3001饋出變壓器監控保護裝置對250 kVA配電變壓器進行保護;選用了DCAP－3065電壓互感器保護裝置對電壓互感器及避雷器進行保護;對于電壓為6 kV、功率為280 kW的6臺廠前回水泵的供配電回路，選用了DCAP－3010高壓電動機監控保護裝置，該裝置的二次回路裝設5個電流互感器CT1、CT3、CT5、CT6、CT7組成微機保護及測量回路。電動機選用的繼電保護功能及參數設置全部在DCAP－3010中完成。

3.1 電流速斷保護

它是整體系統的主保護，當任一相電流大于整定值時，動作于出口，可快速切斷短路故障。

式中:Krel——可靠系數，取為 1.05 ～ 1.2;Kjx——接線系數，接于相電流系數取為1.0;nTA——電流互感器變比，取為75/5;Irm——電動機額定電流，取約為32 A;Kst——電動機起動電流倍數，取約為7。計算數值Iop·k=16～18 A，提供給保護裝置。

3.2 反時限過流保護

該工程采用一般反時限過電流保護，是指動作時間隨短路電流的增大而自動減小的保護。

式中:Fs——反時限系數;

I——主回路二次電流;

IP——反時限保護啟動電流;

t——動作時間。

對于一般電動機，取 I/Ip=1.2，t=8 ～12 s，則可以得出Fs約為0.03～0.08，同時啟動電流Ip取32 A，再把Ip和Fs兩個參數值提供給保護裝置。調整Fs可得到不同的反時限特性曲線，適用范圍很廣。

3.3 過負荷保護

當任一相電流大于定值時，延時啟動出口或不啟動出口而只發信號。啟動出口時發事故信號，不啟動出口時發預告信號。保護裝置的動作電流

式中:Krel——可靠系數取為 1.05 ～1.2;

Kjx——接線系數，取為 1.0;

IrM——電動機額定電流，取為32 A;

Kr——繼電器返回系數取為 0.85 ～0.95;計算數值 Iop·K=2.36 ～ 3.01 A，提供給保護裝置。

3.4 零序保護

采用專門的零序電流互感器CT6使繼電器動作來指示接地故障線路，保護裝置的一次動作電流(按被保護元件發生單相接地時最小靈敏系數1.25整定)，對于中性點不接地方式:

式中:IC∑——電網的總單相接地電容電流;

ICM——電動機的電容電流，在本工程中可忽略不計。

對于3～10 kV系統，總單相接地故障電容電流超過10 A時就會產生電弧。因此取電容電流IC∑=10 A，計算得出一次電流Iop≤8 A，因電流互感器變比，取為75/5，所以二次側 Iop≤0.53 A，提供給保護裝置。當零序電流大于整定值時，延時動作于出口。

利用系統裝置的RS－485通訊接口和光纖接口，將采集到的數據上傳至綜合自動化系統的監控主機，達到遠方監控的目地。

該工程采用DCAP－3010高壓電動機微機保護裝置，對各種復雜的故障具有很強的綜合分析能力和判斷能力。由于軟件計算的實時性，能保證在任何時刻不斷迅速地采樣計算，反復準確校核，在發生故障的暫態期內，能正確判斷故障。并且，當故障發生變化或進一步發展時，也能及時做出判斷和自糾。由于硬件和軟件資源共享，因此，無需增加任何硬件，只需增加一些軟件即可獲得各種附加功能，例如控制回路斷線報警、連跳等功能。而且人機界面做得很好，通過操作面板上的按鍵可就地設定保護定值和修改各種參數以及各種控制操作。這些特點，在運行中已得到證實。

4 結語

隨著電力系統規模的不斷擴大，電網結構日趨復雜，現代系統對各種高壓電動機保護也提出了更高的要求，研究開發具有良好適應性的通用型高壓電動機保護裝置，對降低開發和維護成本、提高裝置的穩定性具有十分重要的作用。高壓電動機微機保護系統是一個較為完善的電力綜合自動化系統，該系統解決了大量人力所不可及的問題，避免了大量事故的發生，避免了人為錯誤操作，使設備更加安全、穩定、可靠地運行。

[1]湖南紫光測控有限公司.DCAP－3010高壓電動機監控保護裝置使用說明書[J].黑龍江科技信息，2009(24):47.

[2]劉建，倪建立.配電自動化系統[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

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[4]方大千.實用繼電保護技術[M].北京:人民郵電出版社，2003.

[5]尹星光，韓榮珍.微機繼電保護發展的歷史、現狀及其趨勢[J].廣東電力，2003，16(3):11－14.

Application of Microcomputer Protection in Engineering Design for High－Voltage Motor Startup

LU Ai－ping
(Kunming Engineering＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd.，Kunming 650051，China)

Current research situation and development trend of microcomputer protection monitoring device，and the principle of motoring and protecting device for high－voltage motor were expounded.The principle of highvoltage motor monitoring and protecting device was explanation.Based on Violet DCAP－3010 device，a beneficial try to application of microcomputer protection for high－voltage motor in engineering was carried out.

high－voltage motor;microcomputer protection;monitoring and protecting device;Violet DCAP－3010

TM81

A

1004－2660(2012)02－0043－04

2012－04－10.

陸愛萍(1969－)，女，上海人，工程師.主要研究方向:電氣自動化工程設計.