陸愛萍

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

微機(jī)保護(hù)在高壓電機(jī)啟動(dòng)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陸愛萍

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

闡述了當(dāng)前微機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及高壓電動(dòng)機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置的原理，基于紫光DCAP－3010裝置，對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。

高壓電機(jī);微機(jī)保護(hù);監(jiān)控保護(hù)裝置;紫光DCAP－3010

0 引言

微機(jī)保護(hù)功能的設(shè)計(jì)思想脫離不開系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)理念。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，又為繼電保護(hù)不斷注入新的活力。目前，很多工礦企業(yè)的高壓變電所都采用微機(jī)保護(hù)裝置。該文微機(jī)保護(hù)的對(duì)象是電壓等級(jí)為6 kV，安裝容量280 kW的廠前回水泵。根據(jù)微機(jī)繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn):可靠性高、動(dòng)作正確率高、使用及維護(hù)、調(diào)試靈活方便等，從而解決了通訊、監(jiān)測(cè)及控制等等保護(hù)目的。

1 微機(jī)保護(hù)概況

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)電型、整流型、晶體管型和集成電路型幾個(gè)階段后，現(xiàn)在發(fā)展到了微機(jī)保護(hù)階段。20世紀(jì)80年代，微機(jī)保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面日趨成熟，并已在一些國(guó)家推廣應(yīng)用。90年代，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展到了微機(jī)保護(hù)時(shí)代，它是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展歷史過程中的第4代。繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化的條件下，整個(gè)保護(hù)裝置實(shí)際是整個(gè)變電站綜合自動(dòng)化的一個(gè)智能終端。它可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù);也可將它獲得的任何保護(hù)和信息數(shù)據(jù)傳給控制中心。

傳統(tǒng)保護(hù)的動(dòng)作特性是靠處于“靜態(tài)”的元器件或機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，其工作特性與完整性要通過預(yù)防性檢修維護(hù)才能確認(rèn)是否完好;而微機(jī)保護(hù)的動(dòng)作特性是由軟件經(jīng)數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算得到，運(yùn)行中裝置長(zhǎng)期處于運(yùn)算推理的“動(dòng)態(tài)”過程，同時(shí)對(duì)裝置的硬件具有較完善的自檢功能，一旦某一“動(dòng)態(tài)”環(huán)節(jié)出故障，保護(hù)裝置將告警并采用必要閉鎖措施。當(dāng)然，微機(jī)保護(hù)裝置完整功能的實(shí)現(xiàn)，必須依賴那些正常運(yùn)行時(shí)保持“靜態(tài)”的外部環(huán)節(jié)。在運(yùn)行及檢修試驗(yàn)中曾出現(xiàn)因某些“靜態(tài)”環(huán)節(jié)故障，致使保護(hù)裝置不能正確動(dòng)作的現(xiàn)象。

2 DCAP－3010高壓電動(dòng)機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)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(shè)備、顯示設(shè)備等等組成。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。該裝置基于32位高性能DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計(jì)，主要用于6.3 kV、10 kV電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)測(cè)控。

圖1 DCAP－3010系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 DCAP－3010 System Structure Block Diagram

2.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)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(guān)量輸入(遙信)回路、開關(guān)量輸出(遙控)回路、斷路器操作回路以及通訊接口。

系統(tǒng)裝置設(shè)置有4個(gè)小PT可同時(shí)接受4個(gè)0～100 V交流電壓的輸入，設(shè)置有7個(gè)小CT，可同時(shí)接受7個(gè)額定為5 A或1 A的交流電流輸入，其中CT1接A相保護(hù)電流Ia，CT2接B相保護(hù)電流Ib，CT3接C相保護(hù)電流Ic，CT5接A相監(jiān)控電流Ia，CT7接 C相監(jiān)控電流 Ic，CT6接零序電流 I0，CT4備用。上述裝置內(nèi)部的CT是按保護(hù)電流為三相的要求來分配的，適用于6～35 kV接地系統(tǒng);對(duì)于6～35 kV不接地系統(tǒng)，保護(hù)電流要求為兩相時(shí)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(fù)電源輸入端。裝置控制回路電源的接線端子為L(zhǎng)+、L－，其中L+為正電源端，L－為負(fù)電源端。裝置設(shè)有12個(gè)遙信開關(guān)量信號(hào)輸入端。

設(shè)有9個(gè)開關(guān)量輸出口TS1～TS8。其中，TS1～TS8輸出何種保護(hù)(或幾種保護(hù)的組合)跳閘信號(hào)由跳閘表來確定，通過跳閘表可靈活使用TS1～TS8出口。典型設(shè)計(jì)中TS1用于輸出遙控跳閘命令，TS2用于輸出保護(hù)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(shí)設(shè)有斷路器操作回路并內(nèi)置防跳繼電器及跳合閘回路保持繼電器。

同時(shí)還具備高速以太網(wǎng)接口和 RS－485(或光纖)通訊接口，該裝置的各種信號(hào)和外部遙信信號(hào)可通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)。

2.3 繼電保護(hù)功能

繼電保護(hù)功能有多種，主要表現(xiàn)在:(1)裝置設(shè)有速斷保護(hù);(2)定時(shí)限過流保護(hù):包括兩段式定時(shí)限過流保護(hù)。其中過流1段相當(dāng)于延時(shí)速斷保護(hù)，過流2段為延時(shí)啟動(dòng);(3)反時(shí)限過流保護(hù)，有三種方式可供選擇:①極端反時(shí)限，②非常反時(shí)限，③一般反時(shí)限;(4)負(fù)序過流保護(hù)(斷相保護(hù)):用于電動(dòng)機(jī)三相電流不對(duì)稱保護(hù);(5)負(fù)序過壓保護(hù):當(dāng)負(fù)序電壓U2大于負(fù)序過壓定值時(shí)，延時(shí)動(dòng)作于出口;(6)低壓保護(hù):以線電壓為判據(jù)，當(dāng)電壓Uab、Ubc、Uca均低于整定值時(shí)，延時(shí)動(dòng)作于出口;(7)零序過流保護(hù):裝置包括兩段式零序過流保護(hù)，當(dāng)零序電流大于整定值時(shí)，延時(shí)動(dòng)作于出口;(8)零序過壓保護(hù):當(dāng)零序電壓大于整定值時(shí)，延時(shí)啟動(dòng)出口或不啟動(dòng)出口而只發(fā)信號(hào);啟動(dòng)出口時(shí)發(fā)事故信號(hào);不啟動(dòng)出口時(shí)發(fā)預(yù)告信號(hào);(9)逆功率過流保護(hù):在裝置通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)一次回路向系統(tǒng)返送無功功率時(shí)，延時(shí)啟動(dòng)出口;(10)過負(fù)荷;(11)PT斷線報(bào)警;(12)PT斷線閉鎖;(13)CT斷線報(bào)警;(14)控制回路斷線報(bào)警;(15)聯(lián)跳功能;(16)動(dòng)作及告警報(bào)告和錄波。

3 DCAP－3010高壓電動(dòng)機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置在工程中的應(yīng)用

大紅山銅礦二選廠廠前回水泵站6 kV配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了DCAP－3000線路監(jiān)控保護(hù)裝置，作為6 kV外電源進(jìn)線的保護(hù);選用了DCAP－3001饋出變壓器監(jiān)控保護(hù)裝置對(duì)250 kVA配電變壓器進(jìn)行保護(hù);選用了DCAP－3065電壓互感器保護(hù)裝置對(duì)電壓互感器及避雷器進(jìn)行保護(hù);對(duì)于電壓為6 kV、功率為280 kW的6臺(tái)廠前回水泵的供配電回路，選用了DCAP－3010高壓電動(dòng)機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置，該裝置的二次回路裝設(shè)5個(gè)電流互感器CT1、CT3、CT5、CT6、CT7組成微機(jī)保護(hù)及測(cè)量回路。電動(dòng)機(jī)選用的繼電保護(hù)功能及參數(shù)設(shè)置全部在DCAP－3010中完成。

3.1 電流速斷保護(hù)

它是整體系統(tǒng)的主保護(hù)，當(dāng)任一相電流大于整定值時(shí)，動(dòng)作于出口，可快速切斷短路故障。

式中:Krel——可靠系數(shù)，取為 1.05 ～ 1.2;Kjx——接線系數(shù)，接于相電流系數(shù)取為1.0;nTA——電流互感器變比，取為75/5;Irm——電動(dòng)機(jī)額定電流，取約為32 A;Kst——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)，取約為7。計(jì)算數(shù)值Iop·k=16～18 A，提供給保護(hù)裝置。

3.2 反時(shí)限過流保護(hù)

該工程采用一般反時(shí)限過電流保護(hù)，是指動(dòng)作時(shí)間隨短路電流的增大而自動(dòng)減小的保護(hù)。

式中:Fs——反時(shí)限系數(shù);

I——主回路二次電流;

IP——反時(shí)限保護(hù)啟動(dòng)電流;

t——?jiǎng)幼鲿r(shí)間。

對(duì)于一般電動(dòng)機(jī)，取 I/Ip=1.2，t=8 ～12 s，則可以得出Fs約為0.03～0.08，同時(shí)啟動(dòng)電流Ip取32 A，再把Ip和Fs兩個(gè)參數(shù)值提供給保護(hù)裝置。調(diào)整Fs可得到不同的反時(shí)限特性曲線，適用范圍很廣。

3.3 過負(fù)荷保護(hù)

當(dāng)任一相電流大于定值時(shí)，延時(shí)啟動(dòng)出口或不啟動(dòng)出口而只發(fā)信號(hào)。啟動(dòng)出口時(shí)發(fā)事故信號(hào)，不啟動(dòng)出口時(shí)發(fā)預(yù)告信號(hào)。保護(hù)裝置的動(dòng)作電流

式中:Krel——可靠系數(shù)取為 1.05 ～1.2;

Kjx——接線系數(shù)，取為 1.0;

IrM——電動(dòng)機(jī)額定電流，取為32 A;

Kr——繼電器返回系數(shù)取為 0.85 ～0.95;計(jì)算數(shù)值 Iop·K=2.36 ～ 3.01 A，提供給保護(hù)裝置。

3.4 零序保護(hù)

采用專門的零序電流互感器CT6使繼電器動(dòng)作來指示接地故障線路，保護(hù)裝置的一次動(dòng)作電流(按被保護(hù)元件發(fā)生單相接地時(shí)最小靈敏系數(shù)1.25整定)，對(duì)于中性點(diǎn)不接地方式:

式中:IC∑——電網(wǎng)的總單相接地電容電流;

ICM——電動(dòng)機(jī)的電容電流，在本工程中可忽略不計(jì)。

對(duì)于3～10 kV系統(tǒng)，總單相接地故障電容電流超過10 A時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電弧。因此取電容電流IC∑=10 A，計(jì)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(cè) Iop≤0.53 A，提供給保護(hù)裝置。當(dāng)零序電流大于整定值時(shí)，延時(shí)動(dòng)作于出口。

利用系統(tǒng)裝置的RS－485通訊接口和光纖接口，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)，達(dá)到遠(yuǎn)方監(jiān)控的目地。

該工程采用DCAP－3010高壓電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置，對(duì)各種復(fù)雜的故障具有很強(qiáng)的綜合分析能力和判斷能力。由于軟件計(jì)算的實(shí)時(shí)性，能保證在任何時(shí)刻不斷迅速地采樣計(jì)算，反復(fù)準(zhǔn)確校核，在發(fā)生故障的暫態(tài)期內(nèi)，能正確判斷故障。并且，當(dāng)故障發(fā)生變化或進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，也能及時(shí)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(bào)警、連跳等功能。而且人機(jī)界面做得很好，通過操作面板上的按鍵可就地設(shè)定保護(hù)定值和修改各種參數(shù)以及各種控制操作。這些特點(diǎn)，在運(yùn)行中已得到證實(shí)。

4 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，現(xiàn)代系統(tǒng)對(duì)各種高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)也提出了更高的要求，研究開發(fā)具有良好適應(yīng)性的通用型高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，對(duì)降低開發(fā)和維護(hù)成本、提高裝置的穩(wěn)定性具有十分重要的作用。高壓電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)較為完善的電力綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了大量人力所不可及的問題，避免了大量事故的發(fā)生，避免了人為錯(cuò)誤操作，使設(shè)備更加安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

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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(dòng)化工程設(shè)計(jì).