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微机保护装置在大型同步电动机自动再起动中的应用
王崇正
吴 旭
昊华西南化工有限责任公司 四川自贡
643000
摘要：电网系统电压闪变，将造成运转中的同步电动机失步或跳闸，采用微机监控保护装置对大型同步电动机实现自动再起动，可有效提高同步电动机运行的安全可靠性，在石化、化工企业中应用对提高生产连续性很有利。本文主要介绍微机监控保护装置在大型同步电动机自动再起动中应用的方法、注意事项及有关问题。
关键词：电压闪变
微机监控保护 同步电动机
自动再起动 剩余电压检测
同步电动机具有效率高，转速恒定、可以改变负荷的功率因数等优点，因此在石化、化工企业中大量使用。特别是要求转速恒定或者是低转速（一般转速低于500转/分）的设备都宜选用同步电动机来拖动。
大型石化、化工企业生产连续性强，对供电可靠性要求高，用电负荷等级属一、二级居多，供电电源按规范要求起码是要采取双电源供电。但是，在高压电网中由于雷击或电网系统内的短路故障造成电压闪变（短时电压大幅度降低或瞬时电压消失）难以避免。为提高供电可靠性，在电网的高压供电系统中（尤其是对高压架空输电线路），广泛采用线路自动重合闸装置（简称ZCH）；在双电源供电的变配电所中，采用备用电源自动投入装置（简称BZT）可以缩短电源的切换时间，以保证供电的连续性。上述装置如果与电动机自起动配合使用可以得到较好的效果。
同步电动机由于构造和原理与异步电动机有所不同，它能否采用自起动必须具备一定的条件，这里我们专门研究大型同步电动机实施自动再起动的有关问题。
1、电压闪变对同步电动机的影响
1.1电源电压的瞬间消失。
供电系统由于外部或内部原因致使电源电压瞬间消失，经配电设备的自动装置（ZCH）或（BZT）动作，一般在0.5~1S时间内可恢复供电。此时，如果同步电动机供电的开关还未断开，同步电动机立即自起动，它将可能对供电系统造成大的冲击，同时对同步电动机造成损伤。
根据同步电机原理知道，同步电机具有可逆性，当它在外作用力的带动旋转时同步电机呈发电机方式运行；而对同步电机供电它即呈电动机方式旋转。
在石化、化工企业使用的同步电动机，当外供电压突然消失，断电后同步电动机由于转动惯量的作用仍然继续旋转，电机机械动能和转子励磁能量仍然存在的情况下，这时同步电机由电动机工况转变为发电机工况运转。当处在发电机工况下运行的同步电机并处于较高电压时突然恢复供电，电机将遭受非同期冲击，其受冲击的程度与同步电机剩余电压值，电网电压与同步电机剩余电压相角有关。在最严重的情况下，非同期冲击转矩可高达电机出口三相短路转矩的三倍，相应的非同期冲击电流也可高达短路冲击电流的1.5倍。对于中小型同步电动机由于转动惯量小，电机电动势衰减快，电机本身机械强度的裕度大，从而对电机的危害较轻，但对大型同步电动机将可能造成严重损坏。因此，对运行中的同步电动机当电源突然中断，为保护电机安全，要求在（ZCH）和（BZT）动作前电机的失电保护装置应动作跳闸将同步电动机退出运行。
1.2供电电源较大幅度和较长时间降低
供电系统中在近处有短路故障会造成短时间电压下降，下降时间长短取决于故障线路保护动作断开短路点的时限。此时，尽管在同步电动机电机带有正常的直流励磁甚至强行励磁的情况下，电机转矩不能克服拖动设备的阻力转矩、导致电机失步，长时间失步运转会使电机受到交替脉振转距作用而引起疲劳效应，使电机受到暗伤，以致在某些条件下引起机械的或电气的共振而扩大事故。因此同步电动机的保护装置一般均设有低电压保护跳闸，当电源电压下降到≤50%额定值时，在0.5—1S时间内将电机电源断开。
2、微机保护在同步电动机自动再起动中的应用
2.1同步电动机实现自动再起动的重要意义
大型石化、化工企业供电电压高，供电网络复杂，用电负荷重、生产连续性强，而供电系统中由于雷击或短路故障造成的电压闪变难以避免，自动装置（ZCH）或（BZT）的设置可有效缩短停电时间。如果我们设法在整个生产工艺流程尚未中断时对大型同步电动机和其它一些重要设备的电机采取自动再起动的措施，将有可能避免生产工艺流程的中断或者缩短因瞬间断电影响生产的恢复时间，从节能、降耗、安全等方面都有较大的意义，其经济价值也巨大。
2.2实现同步电动机自动再起动的可行性
从前面的分析我们知道，同步电动机在电压闪变时为保护电机安全应退出运行。电源电压在短时间内恢复正常，采取措施避既免非同期冲击损伤同步电机又实现同步电动机自动再起动是可行的。
正确掌握好同步电动机自起动的时间点是关键。根据理论计算及实践经验证明，当同步电机的剩余电压<40%额定电压值时对同步电机实施自动再起动，此时电机承受的电流冲击对电机安全不构成威胁。
2.3如何用微机保护装置进行同步电动机自动再起动
目前我们已经了解国内外生产的同步电动机微机保护测控装置型号很多，它们的技术成熟、功能齐全（大约归纳为带有保护、测量、监视、控制、统计及通讯功能），但是到目前为止还未发现具有同步电动机自动再起动功能的微机保护装置的产品。
据此情况今年年初，我们与微机保护生产的专业厂家共同研发了具有同步电动机自动再起动功能的新产品，该产品除保留了原有的全部功能外，新增加了断电和低电压跳闸自动再起动功能，这里介绍它们的有关流程和逻辑图。
2.3.1同步电动机失压、低电压自起动流程图：
低电压自起动流程图与电动机失压流程图同
2.3.2同步电机失压、低电压自起动逻辑图：
低电压自起动逻辑图与同步电机失压逻辑图同
2.3.3同步电动机剩余电压的取样方法
前面已经谈到过同步电动机要作到自动再起动且不受到大的冲击和损伤，关键的条件是要在同步电动机跳闸后处于发电机工况时的剩余电压衰减到一定的幅值时方进行自起动。按此原则我们在控制同步电动机的高压开关柜的出口处（即高压断路器下桩头）或者在电机端增设一只干式电压互感器（6KV/100V或10KV/100V），当电机的开关跳闸后，同步电动机的剩余电压通过电压互感器的二次侧反馈到微机保护装置。其动作电压值可按30—40%额定电压值取。如果电压互感器接在电机端最好接相电压值，动作电压也取30—40%相电压值。
2.3.4同步电动机自起动时间的确定
同步电动机失压、低电压自起动功能除采用检测剩余电压值方式之外，作为后备措施增加了一个起动时间判别延时功能。运行中的同步电动机由于负荷大小不等，转动惯量衰减的时间也不相同，要确定延时时间，可以对每台同步电动机进行模拟带负荷停车时间测试，取开始停车到完全停止需要时间的1/3作为自起动时间的定值。两种方式可同时投入也可单独投入，有些老型号的开关柜和同步电动机,在电压互感器内安装有困难时，延时时间判别方式也是一种可取的唯一方法，不过必须每台都要作停车时间测定稍显麻烦。
3、同步电动机自动再起动的条件及有关注意事项
3.1上级供电电源的主变压器容量
对电压瞬间中断又恢复供电的瞬间，所有由高压母线供电的设备如变压器、高压电动机，只要是未设置有低电压或失压跳闸保护的电气设备均同时通电，会形成一个很大的冲击电流，严重时又可能致使保护动作造成第二次停电事故，因此应考虑对电源允许自起容量的限制。一般情况在自起动容量＜30%主变容量时可以不用验算。
这里特别强调的是采用检测剩余电压法作为控制同步电动机自起动条件的方法，由于电机的剩余电压衰减的时间不同，自起动的时间也不会相同，更不可能与没有失压保护跳闸的电机变压器同时起动，这种方法对错开大容量设备的自起动时间、减少同期起动的冲击电流是有利的。
3.2同步电动机自起动能力的校验
一般情况来看同步电动机带负荷起动与空载起动相比较需要的力矩要大些，当采用自起动方式应该校验同步电动机带载自起动的能力。值得说明的是我们采用剩余电压法和时间延时法的自起动方式，由于电机不是在完全静止的情况下自起动，这时的同步电动机仍在运转，还具有一定的转动惯量，这时自起动的起动冲击电流和需要的起动力矩都小于静止状况下的自起动冲击电流、起动力矩。
3.3对同步电动机励磁装置的要求
随着晶闸管直流励磁装置的技术进步，现代的同步电动机直流励磁装置功能都比较齐全，自动灭磁、失步再整步、自动投励功能是实现同步电动机自动再起动必须要求具备的，对一些企业仍在使用的老式硅整流元件的励磁装置必须更换。
3.4同步电动机附属的低压设备如润滑油泵、励磁电源等必须在同步电动机自起动前通电运行，其它允许开车连接的工艺等结点不能断开。
3.5对电网保护的要求
电网或配电装置中设有（ZCH）或（BZT）装置的其动作时间应与同步电动机失压和低电压保护跳闸时间配合，同步电动机保护动作时间应早于（ZCH）或（BZT）动作时间，中间时间差为0.5S为好。因此（ZCH）或（BZT）装置的动作时间可定为1—1.5S时间过长对同步电动机自起动不利。原因是石化、化工生产连续性很强，这些企业使用的大型同步电动机拖动的设备都是关键或重要设备，如果电源恢复时间过长，当生产工艺流程已经中断，同步电动机再自起动已失去意义，况且带有重载的同步电动机在完全停止转动的情况下要自起动也相当困难。
3.6其它
（1）对一个供电系统有多台大型同步电动机的，其自起动台数需根据工艺要求和主变容量确定。如果每台同步电动机全部均改为了带有自动再起动功能的微机保护装置时，可根据机组运行状况将不需要投自动再起动功能的微机保护的投入压板断开。
（2）为了设备安全微机保护的自动再起动装置只能允许动作一次。
（3）较长时间的断电不也许再自起动，自起动延时解除时间可选为5-10秒。
（4）高压断路器的操作机构应选用瞬间动作的电磁机构，有预储能的要考虑预储能时间。
4、结束语
采用单台剩余电压检测法，利用微机保护监控装置进行同步电动机自动再起动的方法是目前行业内的一种全新方法，它在我公司合成氨厂已首先采用。它的成功有助于在石化、化工、大化肥及相关行业推广应用，对防止高压供电系统的电压闪变影响生产工艺流程的中断提供了一种有效的防范措施。
参考文献：
⑴
炼油化工电力设计手册.化工部电气设计技术中心站。1979年
⑵
同步电动机保护测控装置使用说明书。重庆新世纪电气有限公司 2007年
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