馬 強(qiáng) 劉 楊

（中國(guó)石化股份有限公司天津分公司，天津 300271）

1 引言

同步電動(dòng)機(jī)是廣泛采用的重要電氣設(shè)備之一，它的運(yùn)行安全性和連續(xù)性對(duì)生產(chǎn)往往具有重大影響，但同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)由于種種擾動(dòng)而引起失步，而在工礦企業(yè)中由于斷電而造成電動(dòng)機(jī)失步的故障非常普遍，失步事故輕則造成生產(chǎn)的中斷或工藝流程的混亂，重則還會(huì)造成設(shè)備損壞和其他嚴(yán)重事故。同步電動(dòng)機(jī)的斷電失步保護(hù)就是為了在遇到各種失步事故時(shí)，既保障電動(dòng)機(jī)設(shè)備的安全，又保持連續(xù)運(yùn)行而采取的綜合性技術(shù)措施。

2 同步電動(dòng)機(jī)斷電失步保護(hù)在煙氣能量回收機(jī)組中應(yīng)用中存在的問題

煙氣能量回收機(jī)組是催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它是由煙機(jī)、軸流壓縮機(jī)（風(fēng)機(jī)）、汽輪機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)組成，高壓同步電動(dòng)機(jī)（6kV 3200kW）是機(jī)組中重要的電氣設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)工藝的調(diào)整可以在電動(dòng)和發(fā)電的工況下運(yùn)行，它的運(yùn)行安全性和連續(xù)性對(duì)煙氣能量回收機(jī)組正常運(yùn)行具有重大影響。

圖1 煙氣能量回收機(jī)組

同步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)設(shè)置有許多，如電流速斷保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、接地保護(hù)、斷電失步保護(hù)等，由于斷電而造成電動(dòng)機(jī)失步的故障非常普遍，因此斷電失步保護(hù)及帶載再整步技術(shù)是非常必要的，但該技術(shù)在我廠煙氣能量回收機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用中存在保護(hù)死區(qū)。

圖2 同步電動(dòng)機(jī)斷電失步保護(hù)設(shè)計(jì)原理圖

當(dāng)兩段母線中任意一段供電電源中斷時(shí)（一般大于0.2s），失壓段母線電壓頻率的下降與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降成正比，且比電壓的幅值下降要顯著得多，低周繼電器（DZJ）啟動(dòng)，該母線的電壓在電源中斷期間，將由接在該母線上的同步電動(dòng)機(jī)來維持，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，兩段母線同相電壓向量之間（2YMC C630和1YMC C640）的相角逐漸增大。當(dāng)這一相角差大于某個(gè)角度時(shí)，達(dá)到相位差繼電器（CYJ）的動(dòng)作整定電壓值時(shí)（實(shí)際整定為70V），相位差繼電器啟動(dòng)，利用低周繼電器和相位差繼電器組成與門，就能相當(dāng)準(zhǔn)確而迅速地判斷出電動(dòng)機(jī)失步，啟動(dòng)斷電保護(hù)出口繼電器DCJ，由DCJ繼電器的一個(gè)輔助觸點(diǎn)去跳該段母線的進(jìn)線開關(guān)，DCJ的另一個(gè)輔助觸點(diǎn)同時(shí)去滅磁，當(dāng)失壓段母線殘壓下降到40%額定電壓時(shí)，低電壓繼電器BYJ線圈失電，則中間繼電器YZJ的常閉輔助觸點(diǎn)接通母聯(lián)開關(guān)的APD回路，母聯(lián)開關(guān)合閘，同步電動(dòng)機(jī)再加速，拉入亞同步，勵(lì)磁系統(tǒng)通過滑差和計(jì)時(shí)投勵(lì)環(huán)節(jié)，將電動(dòng)機(jī)拉入同步正常運(yùn)行，即同步電動(dòng)機(jī)的帶載自動(dòng)再整步。

我廠斷電失步保護(hù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中暴露以下弊端：當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，其所在的6kV II段母線發(fā)生波動(dòng)（大于0.2s），斷電失步保護(hù)不啟動(dòng)，造成該段進(jìn)線開關(guān)不跳閘，更為嚴(yán)重的是，有時(shí)由于同步電動(dòng)機(jī)的電壓反饋?zhàn)饔?，該站上?jí)110kV變電站母線電壓降落很小，影響APD裝置的正確動(dòng)作。

3 同步電動(dòng)機(jī)斷電失步保護(hù)煙氣能量回收機(jī)組中的問題分析

經(jīng)過仔細(xì)研究，我們認(rèn)為，當(dāng)其所在的6kV II段母線發(fā)生波動(dòng)（大于0.2s）時(shí)，由于母線電壓頻率的下降與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降成正比，煙機(jī)和汽輪機(jī)做為原動(dòng)力，拖著同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速未發(fā)生大的改變，因此兩段母線同相電壓向量之間的相角變化較小，故低周繼電器(DZJ )和相位差繼電器（CYJ）未啟動(dòng)，因此斷電保護(hù)出口繼電器DCJ也就不能啟動(dòng)，因此該母線的進(jìn)線開關(guān)不跳閘，不僅影響APD裝置的正確動(dòng)作，長(zhǎng)時(shí)間同步電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生失步失勵(lì)運(yùn)行，不利于設(shè)備運(yùn)行的安全性和連續(xù)性。

4 同步電動(dòng)機(jī)失步的危害及改善斷電失步保護(hù)的合理途徑

同步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行過程中，不可避免地會(huì)受到各種各樣的擾動(dòng)，當(dāng)這些“擾動(dòng)”的幅度或最大值大到一定程度，超出電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定極限，就會(huì)引起電動(dòng)機(jī)失步，造成生產(chǎn)中斷和設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。同步電動(dòng)機(jī)受到各種擾動(dòng)而失步的過程，既是一個(gè)機(jī)電暫態(tài)過程，又同時(shí)伴隨著電磁暫態(tài)過程。在接有旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的高壓配電站母線上，當(dāng)發(fā)生瞬間斷電時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的慣性旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的存在，在斷電段母線上將由此而呈現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)母線上接有同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，該感應(yīng)電勢(shì)在斷電后的一段時(shí)間內(nèi)，其值會(huì)高出供電電壓，如此時(shí)由備用電源自投（APD）使供電恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)受到不同程度的非同期沖擊，使電動(dòng)機(jī)受到不同程度的損傷，電動(dòng)機(jī)所受非同期沖擊轉(zhuǎn)矩的最大值，一般可高達(dá)電動(dòng)機(jī)出口三相短路沖擊轉(zhuǎn)矩的三倍以上，即高達(dá)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的二十多倍甚至三十倍左右，這是電動(dòng)機(jī)所不能承受的，它將引起電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組崩裂，絕緣損壞，大軸、軸銷和聯(lián)軸器扭壞，并可能進(jìn)一步引起電動(dòng)機(jī)內(nèi)部短路、起火等一系列嚴(yán)重事故。在工礦企業(yè)中由于斷電而造成電動(dòng)機(jī)失步的故障非常普遍，電源短暫中斷期間，同步電動(dòng)機(jī)的電壓反饋?zhàn)饔糜绊慉PD裝置的正確動(dòng)作，不僅影響機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行，甚至影響電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的正確性。

同步電動(dòng)機(jī)的失步事故，絕大多數(shù)都是由“非電動(dòng)機(jī)本身故障”所引起，且造成失步危害的根本原因是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相互沖突，因此同步電動(dòng)機(jī)的失步保護(hù)一般地說都沒有必要跳閘停機(jī)，與勵(lì)磁裝置相配合，采用“快速滅磁”的方法，首先熄滅轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，避免定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相互沖突，消除失步危害，暫時(shí)把同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入無(wú)勵(lì)異步行程，待“造成失步的擾動(dòng)”已過去，帶載再整步條件已滿足時(shí)，重新投勵(lì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)再整步，這種帶載再整步的方式，既保障設(shè)備安全性，又保持運(yùn)行連續(xù)性，也就是說，進(jìn)一步把同步電動(dòng)機(jī)的帶載自動(dòng)再整步，作為處理同步電動(dòng)機(jī)各種失步事故的，普遍適用的保護(hù)和自動(dòng)化措施或途徑。

同步電動(dòng)機(jī)的帶載再整步機(jī)電暫態(tài)過程一般可以劃分為三個(gè)發(fā)展階段，即：失步制動(dòng)階段、異步驅(qū)動(dòng)階段和再整步階段。

5 同步電動(dòng)機(jī)斷電失步保護(hù)在煙氣能量回收機(jī)組中應(yīng)用的改進(jìn)

針對(duì)斷電失步保護(hù)存在的問題和斷電保護(hù)的改善途徑，首先我們制定了一個(gè)整定原則，即當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)在0.4s以內(nèi)時(shí)，斷電失步保護(hù)不啟動(dòng)，對(duì)設(shè)備的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性幾乎無(wú)影響。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)在0.4～3s內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)斷電失步保護(hù)，通過滅磁環(huán)節(jié)，降低同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線電壓，待上級(jí)110kV變電站APD動(dòng)作，使同步電動(dòng)機(jī)重新得電繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)在3s以上時(shí)，上級(jí)110kV變電站APD發(fā)生故障未動(dòng)作，則斷電失步保護(hù)動(dòng)作使同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段進(jìn)線開關(guān)跳閘，本站的APD動(dòng)作，使同步電動(dòng)機(jī)重新得電繼續(xù)運(yùn)行。我們將斷電失步保護(hù)進(jìn)行了如下改進(jìn)：新增一個(gè)帶返回的低電壓繼電器kV，三相電源來自勵(lì)磁柜380V電源側(cè)，低電壓整定為70%額定電壓，其輸出觸點(diǎn)延時(shí)0.4s動(dòng)作。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線發(fā)生波動(dòng)在0.4s以內(nèi)時(shí)，低電壓繼電器kV的輸出常開觸點(diǎn)不動(dòng)作，斷電保護(hù)出口繼電器DCJ線圈不得電，斷電保護(hù)不啟動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)超過0.4s時(shí)，低電壓繼電器kV的延時(shí)常開觸點(diǎn)閉合，斷電保護(hù)出口繼電器DCJ線圈得電，斷電保護(hù)啟動(dòng)，DCJ的一個(gè)常開觸點(diǎn)閉合啟動(dòng)滅磁回路，滅磁后母線電壓會(huì)在約1s內(nèi)下降到40%額定電壓，由于該站上級(jí)110kV變電站的APD時(shí)間為2s，因此同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線重新得電，電動(dòng)機(jī)受電后繼續(xù)運(yùn)行，勵(lì)磁裝置在滅磁后計(jì)時(shí)8s再投勵(lì)使同步電動(dòng)機(jī)拉入同步。如果低電壓時(shí)間超過3s以上，時(shí)間繼電器SJ常開觸點(diǎn)閉合，此時(shí)斷電失步保護(hù)動(dòng)作跳本段進(jìn)線開關(guān)，同時(shí)本站的APD回路啟動(dòng)，使母聯(lián)開關(guān)合閘（此時(shí)母線電壓因?yàn)闇绱艅?dòng)作下降很快，降到額定電壓的40%以內(nèi)），將另一段的電源送來，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)再投勵(lì)，使同步電動(dòng)機(jī)拉入同步，既保證了同步電動(dòng)機(jī)的連續(xù)性運(yùn)行，同時(shí)不影響電力系統(tǒng)的APD正確動(dòng)作。

二次回路改造完成后，我們做了以下傳動(dòng)試驗(yàn)：

（1）對(duì)同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線的上級(jí)饋線開關(guān)進(jìn)行如下操作：由合閘狀態(tài)切至分閘狀態(tài)，再立即由分閘狀態(tài)切至合閘狀態(tài)，以上的操作在2s內(nèi)完成，模擬電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)間在0.4～3s期間。試驗(yàn)結(jié)果表明，低電壓繼電器kV動(dòng)作，滅磁啟動(dòng)，延時(shí)約8s，勵(lì)磁系統(tǒng)投勵(lì)成功，同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常，同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線的進(jìn)線、母聯(lián)開關(guān)未動(dòng)作。

（2）對(duì)同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線的上級(jí)饋線開關(guān)進(jìn)行如下操作：由合閘狀態(tài)切至分閘狀態(tài)，模擬電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)間大于3s。試驗(yàn)結(jié)果是，低電壓繼電器kV動(dòng)作，滅磁啟動(dòng)，延時(shí)約8s，勵(lì)磁系統(tǒng)投勵(lì)成功，同步電動(dòng)機(jī)所在的6kV II段母線的進(jìn)線開關(guān)跳閘，母聯(lián)開關(guān)合閘成功，同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。

6 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的斷電保護(hù)在各種低電壓的情況下動(dòng)作正確，與勵(lì)磁裝置相配合，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行滅磁再整步，提高了生產(chǎn)的安全性、連續(xù)性和供電的可靠性。

綜上所述，同步電動(dòng)機(jī)斷電失步保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各單位同步電動(dòng)機(jī)具體工藝、主接線等情況確定，在設(shè)計(jì)斷電失步保護(hù)時(shí)，要考慮APD裝置和自動(dòng)重合閘裝置的電源的配合，采取對(duì)生產(chǎn)、對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有利的保護(hù)方式。