P220电动机保护装置在石化企业的应用

    摘要： MiCOM P220电动机综合保护控制装置是ALSTOM公司的综合保护装置之一，不但有常规的过负荷、电流速断及接地保护，而且还具有不平衡、超时起动及堵转等保护，比较适合作为石化企业电动机的保护。本文根据对MiCOM P220电动机综合保护控制装置的实验摸索和理论研究，在设计、安装、整定、检验及运行管理方面做出了较为详细的叙述，并提供了一些石化企业应用的数据，为该保护装置应用提供了一定的实践经验。 
　　
　　关键词： 词电动机 继电保护 石化企业
　　
　　引言 
　　电动机是石化企业的主要用电设备，如何用综合保护装置在即确保平稳生产操作又要维护设备安全的基础上，对电动机的电气及机械部分进行全面地保护是电气技术人员需要认真解决的问题。
　　
　　MiCOM P220电动机保护装置采用数字技术完成电动机所需的各项保护、控制、监视和记录功能，可以通过编程将投入的保护和控制功能分配至输出继电器上。利用保护装置前面板上的LED指示灯、液晶显示屏或键盘，运行人员可以获取各序电流、发热状态、运行时间等各种数据。连接后部的RS485通讯端子，远方运行人员也能阅读存储在保护装置中的数据、分配给各个输出继电器不同的功能、修改定值及传输远端跳闸命令。在MiCOM S1软件的支持下，PC机可以通过位于前面板的RS232通讯端口直接与数字监控系统连接，在输入密码后完成数据的设置和修改，显示事件记录及故障波形。
　　
　　该保护装置是近几年应用的电动机综合保护装置之一，与早期的SPAM 150C电动机综合保护装置[1]相比，更适合作为石化企业2MW以下中压电动机的保护。
　　
　　MiCOM P220电动机保护装置设计安装
　　
　　在设计安装前必须认真阅读ALSTOM提供的《MiCOM P220电动机保护技术指南》。设计安装时应当注意：
　　
　　保护装置辅助电源的电压范围； 
　　由于保护装置的辅助电源丧失可引起部分运行数据丢失，因此保护装置的辅助电源应与电动机控制电源分开控制，采用独立的辅助电源控制小母线为保护装置供电，便于在直流电源系统接地时的故障查找，而且各电源控制元件应分别布置在端子排的两端，以防误操作； 
　　各相电流和零序电流输入的极性，如极性错误将引起保护装置误动； 
　　保护装置的外壳及29端子必须可靠接地； 
　　断路器的常开辅助接点必须接至L1（22 – 24）端子上； 
　　可编程的输入端必须接入辅助电源，并应注意辅助电源的极性； 
　　可编程跳闸输出应接到RL1（2 – 4或2 – 6）端子上； 
　　保护装置的安装高度不宜高于1.8米以便观察数据及整定检验； 
　　安装时必须严格按设计图配线。 
　　MiCOM P220电动机保护装置整定
　　
　　基础数据整定 
　　整定值组的整定 
　　应当注意，在MiCOM S1软件中的整定值组与在MiCOM P220保护装置中的整定值组有不对应的现象，为确保电动机保护装置安全可靠地动作，在保护装置投入运行前必须对其进行检验。
　　
　　选择缺省显示值 
　　由于电动机的发热状态难以从常规仪表中得到，因此，液晶显示屏上缺省显示的测量值宜整定为THERM_ST以便观察。
　　
　　电动机起动检测整定 
　　从断路器检修及保护装置检验等方面考虑，电动机起动检测断路器闭合状态宜整定为52A方式。
　　
　　电流互感器变比输入 
　　相电流互感器的变比应按实际值输入，而当零序电流输入是通过三个相电流互感器作零序接线完成时，则零序电流互感器的一次和二次侧的额定电流应与相电流互感器相同数值。当采用专用零序电流互感器时，则零序电流互感器的一次和二次侧的额定电流宜输入相同数值（例如1/1）。
　　
　　可编程LED指示灯整定 
　　通常将可编程LED指示灯整定如下：
　　
　　LED5 过负荷保护动作；
　　
　　LED6 电流速断保护动作；
　　
　　LED7 低电压保护动作；
　　
　　LED8 接地保护动作。
　　
　　将两个可编程LED指示灯同时使用指示其它保护的动作：
　　
　　LED5和LED6 超时起动保护动作；
　　
　　LED7和LED8 堵转保护动作；
　　
　　LED5和LED7 不平衡保护动作；
　　
　　LED6和LED8 起动次数保护动作。
　　
　　过负荷保护整定 
　　与其他电动机综合保护装置不同，MiCOM P220保护装置的过负荷保护功能[49]是基于电动机负荷电流的正序和负序分量计算得到一个热映像[2]，该热映像的曲线分为三段，通过调整参数Te1、Te2及Tr可改变各段曲线参数，用这种方式可以计算定子和转子的热效应，定子绕组中的电流负序分量会在转子中感应出幅值很大的电流，这将在转子绕组中产生很高的温升。过负荷动作时间通过下式计算得到：
　　
　　t = T ln [((Ieq / Iq)2 – qi) / [((Ieq / Iq)2 – qthresh) 
　　
　　= T ln [(K2 – qi) /(K2 – qthresh)]（1）
　　
　　其中：
　　
　　t—动作时间，秒；
　　
　　T—热时间常数，秒；
　　
　　Ieq—热等效电流值，=[I12+KeI22]开平方，其中：
　　
　　I1—正序电流分量；
　　
　　I2—负序电流分量；
　　
　　Ke—负序电流识别因子。
　　
　　Iq—过负荷整定值；
　　
　　K—Ieq / Iq的比值；
　　
　　qi—初始热状态值；
　　
　　qthresh—过负荷报警整定值或过负荷跳闸整定值。
　　
　　过负荷电流Iq的整定 
　　过负荷电流整定值计算公式：
　　
　　Iq = KrelIrM / IpIn（2）
　　
　　式中：
　　
　　Krel—可靠系数，通常取1.05～1.08，在石化企业中电动机多为防爆电动机[3]，为确保生产装置的连续运行，参考其它电动机保护装置宜取1.05。
　　
　　IrM—电动机额定电流值，A；
　　
　　Ip—电流互感器一次电流，A；
　　
　　In—电流互感器二次侧和继电保护装置的额定电流值，A。
　　
　　负序电流的识别因子Ke的整定 
　　负序电流的识别因子通常取Ke = 3。
　　
　　热时间常数Te1的整定 
　　当热等效电流Ieq位于0和2倍的Iq之间，电动机正常运行时采用该时间常数。参照其他形式电动机保护的曲线及整定值，不仅仅考虑定子线圈，还应顾及电动机的机械故障，可取Te1 = 6 mn。
　　
　　起动热时间常数Te2的整定 
　　当热等效电流Ieq大于2倍的Iq时，电动机处于起动阶段或堵转时采用该时间常数。在石化企业中电动机多数均参加再起动[4]，因此，整定该时间常数时必须考虑躲过电动机热态再起动时间。当电动机负载为普通机泵时通常取Te2 = 12 mn（热态允许再起动时间约4秒）。当电动机负载为风机时通常取Te2 = 18～48 mn（热态允许再起动时间约6～16秒）。
　　
　　冷却热时间常数Tr的整定 
　　当电动机停止运行时采用该时间常数。根据防爆电动机的散热特性通常取Tr = 60 mn。
　　
　　在石化企业中通常不采用过负荷报警功能、起动时闭锁过负荷跳闸功能、环境温度修正过负荷保护及热状态闭锁起动功能。
　　
　　电流速断保护整定 
　　考虑非周期电流分量，参照其他形式电动机保护装置的整定方法，根据对多台电动机的实验摸索，石化企业中电动机电流速断保护功能[50/51]适用的整定值为：
　　
　　I>> = 1.5KmstIrM / IpIn（3）
　　
　　式中Kmst电动机起动电流倍数。tI>> = 0 ms。
　　
　　接地保护整定 
　　在石化企业中接地故障保护功能[51N]通常动作于信号。宜采用专用的零序电流互感器来测得接地故障产生的零序电流。对于中性点不接地系统可采用试验的方法确定整定值。在零序电流互感器一次加入电流（如0.8A），从MEASUREMENTS菜单下读出IN。接地保护整定值计算公式：
　　
　　Io> = IN/Ien（4）
　　
　　式中：
　　
　　IN—读出电流值，A；
　　
　　Ien—零序电流互感器二次电流，A。
　　
　　动作时间通常为tIo> = 0.0 s。
　　
　　不平衡保护整定 
　　不平衡功能[46]根据测量电流的负序分量动作。考虑补偿电容器及其它电子设备影响，石化企业通常采用报警整定值I2> = 0.15IrM / Ip，延迟时间tI2> = 起动时间的120%，机泵通常为6秒，风机通常为8～16秒。
　　
　　超时起动保护整定 
　　石化企业的防爆电动机多数采用直接起动方式，超时起动保护功能[48]典型的整定为：
　　
　　Istart等于2Iq，tIstart应于不平衡保护的整定时间tI2>相同。
　　
　　堵转保护整定 
　　电动机“抱轴”事故是石化企业电动机的主要事故，也是困扰石化企业电气人员的一个难题。堵转保护功能[50S]仅在电动机运行时发挥作用，如与允许再起动功能配合时典型的[51S]整定可为tIstall = 1.5秒，Istall = 2 Iq。
　　
　　如不与允许再起动功能配合时，典型的tIstall整定也应于不平衡保护的整定时间tI2>相同。
　　
　　在石化企业中防爆电动机安装速度开关非常困难，因此，堵转保护功能[51LR]通常不使用。
　　
　　欠电流/负荷丢失保护整定 
　　从电动机运行管理等方面考虑，在石化企业中不宜采用欠电流/负荷丢失保护功能[37]。
　　
　　起动次数整定 
　　在石化企业中电动机多为防爆电动机驱动的机泵，通常起动次数[66]整定可采用数据如下：
　　
　　参考周期的持续时间Treference = 60 mn
　　
　　热状态起动次数HOT START NB = 2 
　　
　　冷状态起动次数COLD START NB = 3 
　　
　　禁止重起动的延时时Tinterdiction = 20 mn
　　
　　在MiCOM P220中，热状态高于50%的定义为热态模式，低于50%的定义为冷态模式。
　　
　　两次起动间的最小时间间隔 
　　该控制应设为自动恢复，但与其他保护功能同时使用时无法实现，故在采用事故跳闸闭锁合闸回路时不宜启用该控制。如启用该功能宜将最小时间间隔“T betw 2 start”整定为5分钟。
　　
　　允许再起动整定 
　　在石化企业中当启用了允许电动机再起动功能时，Treacc延时对应于变配电系统电压骤降（Voltage Dip）的最长时间。与堵转功能配合，可将延时Treacc整定为9秒。
　　
　　输入接点整定 
　　P220保护装置有三个用户可以整定的逻辑输入。在石化企业中通常分别将逻辑输入L3设为电压骤降信号，分配给VOLT._DIP；将逻辑输入L4设为低电压保护，分配EXT 1，并EXT 1 = 9.0 s；将逻辑输入L5设为工艺连锁，分配EXT 2，并EXT 2 = 0.0 s。引入VOLT._DIP的目的主要是为了缩短转子失速保护的动作时间，如将转子失速保护[51S]的动作时间整定的与不平衡保护的整定时间tI2>相同，即可不必引入该输入接点。
　　
　　辅助输出继电器整定 
　　辅助输出继电器RL1应动作于电动机跳闸。辅助输出继电器RL2通常为合闸闭锁，RL3为事故跳闸信号，RL4为事故预报信号，RL5为掉牌未复归。
　　
　　跳闸输出继电器整定 
　　用于控制输出继电器的信号可以在跳闸输出继电器。通常是tI>>、THERM OVERLOAD、EXCES LONG START、tIbloq、EXT 1及EXT2。
　　
　　跳闸命令自保持整定 
　　在石化企业中通常只使用延时定值tI>>短路输出继电器自保持的保护功能。
　　
　　当该保护功能通过输出继电器发出跳闸命令时，相应的继电器将在命令复归后仍自保持。若要使这些输出继电器复位，则需要对P220保护装置做确认操作。
　　
　　断路器监视整定 
　　开关设备开断时间、跳闸命令延时Ttrip与合闸命令的延时Tclose宜整定为0.6秒。
　　
　　记录和录波整定 
　　在故障记录（FAULT RECORD）子菜单中的故障记录次数设为5次。
　　
　　在故障录波（DISTURB RECORD）子菜单中设为：
　　
　　PRE TIME =2.0 s
　　
　　POST TIME =1.0 s
　　
　　DISTURB REC TRIG = ON TRIP. 
　　
　　整定实例 
　　催化裂化装置原料油泵（P1201），PN = 400 KW，IrM = 44.2 A，Kmst = 6.5，Ip = 100 A。
　　
　　过负荷保护整定 
　　Iq = KrelIrM / Ip = 1.05 * 44.2 / 100 = 0.464 In
　　
　　取Iq = 0.47 In，Ke = 3，Te1 = 6 mn，Te2 = 12 mn。
　　
　　电流速断保护整定 
　　I>> = 1.5KmstIrM / Ip = 1.5 * 6.5 * 44.2 / 100 = 4.3 In
　　
　　tI>> = 0 ms。
　　
　　接地保护整定 
　　Io> = 0.016 Ien，tIo> = 0.0 s。
　　
　　不平衡保护整定 
　　I2> = 0.15IrM / Ip = 0.15 * 44.2 / 100 = 0.066 In
　　
　　取I2> = 0.075 In，tI2> = 6 s。
　　
　　其他保护整定按上述给出即可。
　　
　　MiCOM P220电动机保护装置检验
　　
　　技术部门应提供的定值和检验数据 
　　技术部门应提供的定值数据如下：
　　
　　Iq—过负荷电流整定值In； 
　　T1—当运行电流处于Iq和2Iq之间时的过负荷时间常数，分； 
　　T2—当运行电流大于2Iq时的过负荷时间常数，分； 
　　Tr—当电动机停止时的冷却时间常数，分； 
　　Ke—负序电流识别因子； 
　　I>>—电流速断整定值，In； 
　　tI>>—电流速断动作时间，秒； 
　　Io>—接地整定值，Ien； 
　　tIo>—接地动作时间，秒； 
　　I2>—负序过电流整定值，Iq； 
　　tI2>—负序过电流动作时间，秒； 
　　Istart—超时起动电流定值倍数； 
　　tIstart—超时起动动作时间，秒； 
　　Istall—转子失速定值倍数； 
　　tIstall—转子失速动作时间，秒； 
　　Tre—参考周期的持续时间，分； 
　　HOTsn—热起动次数； 
　　COOLsn—冷起动次数； 
　　Tin—禁止重起动的延时时间，分。 
　　技术部门可为检验人员提供的检验数据如下：
　　
　　IT1_3—三相1.8Iq热态T1时间检验电流，A； 
　　IT2_3—三相6Iq热起动T2时间检验电流，A； 
　　IT1_1—单相1.8Iq热态T1时间检验电流，A； 
　　IT2_1—单相6Iq热起动T2时间检验电流，A； 
　　I0.95>>—电流速断0.95倍整定值，A； 
　　I1.1>>—电流速断1.1倍整定值，A； 
　　I2_0.95>—负序过电流0.95倍整定值，A； 
　　I2_1.1>—负序过电流1.1倍整定值，A； 
　　Ist—超时起动和转子失速检验电流，为2.2Iq，A。 
　　由于需要提供的数据较多，宜采用计算机程序（例如EXCEL）计算。
　　
　　检验前的准备 
　　首先应关闭负序电流、超时起动、堵转及起动次数保护。在检验前请务必检查输入的电流是否与相应端子的要求相符。将断路器合闸，检查22-24端子是否有电压。在整定记录上写入相和零序电流互感器的参数值。给MiCOM P220保护装置上电。给保护装置的每个电流输入端加入电流，在LCD液晶显示屏上检查数值是否正确。检验各动作值与整定值是否相符，并将检验结果写入检验报告中。
　　
　　过负荷保护检验 
　　为了检验方便，建议将所有的热时间常数都整定为6分钟。在PROCESS过程菜单中，将电动机的热状态值复位为0。确认断路器处于闭合状态。
　　
　　热时间常数Te1的检验 
　　输入IT1_3或IT1_1检验电流，检查此时RL1的动作时间是否等于133秒。
　　
　　热时间常数Te2的检验 
　　输入IT2_3或IT2_1检验电流，检查RL1的动作时间是否等于10.14秒。
　　
　　热时间常数Tr的检验 
　　再注入电流至保护装置，使电动机热状态值达到90%。然后取消电流注入，确认断路器必须一直处于断开状态，等待热状态减小至60%，注意记录是否等于146秒。
　　
　　如果保护装置整定的热时间常数不为6分钟时可用如下公式计算：
　　
　　t = t6Tset / 6（5）
　　
　　其中：
　　
　　t—动作时间，秒；
　　
　　t6—当Tset = 6 时，过负荷动作时间，秒；
　　
　　Tset—保护装置整定的热时间常数值。
　　
　　电流速断保护检验 
　　直接注入I0.95>>电流，然后检查保护装置在tI>>时是否没有跳闸输出，然后再注入I1.1>>，检查是否在tI>>时有跳闸输出，逐渐减小注入电流，注意记录电流降至多少时I>>信号可复归。
　　
　　接地保护检验 
　　石化企业典型的中性点不接地系统可采用的检验方法是在零序互感器一次直接注入0.95 A的电流，然后检查是否没有报警动作，然后注入1.1 A的电流，检查是否在tIo>时有报警动作，逐渐减小注入电流，注意记录电流降至多少时Io>信号复归。
　　
　　负序过电流保护检验 
　　首先启用负序电流保护功能，并对保护装置A相输入一单相电流，则：Ib = 0 且Ic= 0，因此负序电流为I2 = 1/3 Ia。
　　
　　直接注入I2_0.95>电流，然后检查是否在tI2>时没有报警动作。然后注入I2_1.1>电流，检查是否在tI2>时有报警动作。逐渐减小注入电流，注意记录电流降至多少时I2>信号复归。
　　
　　超时起动保护检验 
　　再启用超时起动保护功能，并对保护装置输入Ist电流，同时将断路器合闸，检查在tIstart时是否跳闸断路器。再注入IT1_3电流，同时将断路器重新合闸，检查是否在tIstart时无跳闸断路器。
　　
　　堵转保护检验 
　　最后启用堵转保护功能，将断路器合闸，然后对保护装置输入Ist电流，检查在tIstall时是否跳闸断路器。重新将断路器合闸，再注入IT1_3电流，检查是否在tIstall时无跳闸断路器。
　　
　　跳闸输出自保持及低电压功能检验 
　　向逻辑输入L3加入有源开关量输入，然后检查是否跳闸输出。取消逻辑输入L3开关量输入，检查输出继电器是否仍然保持动作。
　　
　　通过清除报警信息复归跳闸输出继电器。
　　
　　最后应再次检查负序电流、超时起动、堵转及起动次数保护是否启用，并重新设好过负荷保护的热时间常数。
　　
　　MiCOM P220电动机保护装置运行管理
　　
　　人员培训及说明 
　　在P220保护装置安装运行前应对有关技术人员、检验人员及电工班长进行培训，还要对操作及维护人员讲解操作要求，明确保护装置运行后的注意事项，对于该保护装置新功能也应对有关领导说明。
　　
　　密码管理 
　　由于通过密码可以修改保护装置中的任何整定值，因此必须对保护装置的密码进行严格管理。仅机动部门、技术部门、试验班及维护班班长可了解该密码。密码应设计的即便于记忆又不易被破译，而且宜设运行与检验两个密码。
　　
　　电动机运行时间管理 
　　通过PROCESS菜单下的MOT OPERAT HOURS子菜单可读出电动机的运行时间，但P220保护装置的辅助电源消失后该运行时间也同时清零，因此应对每台电动机的运行时间进行定期记录。
　　
　　保护装置内部的日期和时间管理 
　　对于孤立运行的MiCOM P220电动机保护装置，其内部的日期和时间应定期进行检查和校对，以确保事件和故障记录时间的准确性。
　　
　　断路器跳、合闸回路的检测问题 
　　在MiCOM P220中，电动机的运行状态是通过L1（22 – 24）回路检测的，如该回路出现断路故障，即使断路器已合闸，MiCOM P220也不能判定电动机已运行。此时，超时起动和堵转保护将失效，而过负荷保护的动作时间也只能按Tr时间常数动作，由于Tr远大于T1与T2，因此，过负荷保护也基本失效。如在断路器合闸过程中发生断路器辅助接点抖动等现象时，还会影响电动机合闸次数的正确记录，使起动次数保护误动。
　　
　　不能检测断路器跳、合闸回路完整性是MiCOM P220的一个缺憾，日常维护时必须注重定期对运行电动机L1（22 – 24）回路的检测。
　　
　　起动次数保护误动作的原因及处理 
　　试行中发现催化P1209C循环油浆泵电动机每次起动时起动次数保护都动作。用PC机将故障记录调出发现，每次断路器合闸MiCOM P220保护装置都会接收到数次合闸信号。经检查发现是保护装置L1回路的断路器辅助常开接点内有锈蚀，造成断路器合闸时保护装置L1回路多次通断使保护装置误动。将断路器辅助常开接点除锈后问题得到解决。
　　
　　运行一段时间又发现催化P2001C中压给水泵电动机每次起动时起动次数保护也出现误动作现象。用PC机将故障记录调出发现，每次断路器合闸MiCOM P220保护装置都会接收到数十次合闸信号。检查保护装置L1回路的断路器辅助常开接点未发现任何问题。经仔细检查保护装置L1回路，发现是该回路在高压开关柜端子排上的一个螺丝松动，断路器合闸时造成高压开关柜上的端子排抖动，保护装置L1回路数十次通断使保护装置误动。将高压开关柜端子排上的螺丝拧紧问题又得到了解决。
　　
　　从上述两起故障可以看出，在综合保护装置运行中会发生机电式继电器难以遇到的问题。因此，必须对综合保护装置的设计、安装、整定、检验及运行管理方面有深入的了解，才能使综合保护装置得到更好地应用。
　　
　　结束语
　　
　　目前，我国石化企业在各种综合保护装置应用中，普遍情况是过分依赖综合保护装置销售公司的技术人员，而这些技术人员又对石化企业的生产工艺、变配电系统及运行管理等方面不慎了解，仅能靠说明书参照机电式继电器的保护功能整定，因此造成了综合保护装置的许多功能没有得到充分利用，虽然目前的电气规程对这些功能没有明确的要求，但却没有将保护装置唾手可得的功能物尽其用。望本文能够为石化企业的电气人员在MiCOM P220电动机保护装置的应用方面提供一定的参考。