王炳國(guó)

(勝利石油管理局 電力管理總公司,山東 東營(yíng) 257000)

國(guó)外某油田中壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置與整定計(jì)算

王炳國(guó)

(勝利石油管理局 電力管理總公司,山東 東營(yíng) 257000)

中壓電動(dòng)機(jī)作為油氣田負(fù)荷的重要組成部分,在油氣生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,其保護(hù)配置尤其重要。通過(guò)采用對(duì)比法,比較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)手冊(cè)與IEEE規(guī)范的異同,確定國(guó)外某油田中心處理站11 kV異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置,并在此基礎(chǔ)上采用IEEE規(guī)范完成整定計(jì)算,得出中壓電動(dòng)機(jī)各種保護(hù)的整定值。

中壓電動(dòng)機(jī);保護(hù)配置;整定計(jì)算

作為油氣田常見(jiàn)的負(fù)荷類型,電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于各種場(chǎng)所,中壓電動(dòng)機(jī)常作為站場(chǎng)的主要負(fù)荷來(lái)運(yùn)行,一般為二級(jí)及以上負(fù)荷,在進(jìn)行配電設(shè)計(jì)及保護(hù)配置時(shí),要重點(diǎn)、區(qū)別對(duì)待。國(guó)外某油田中心處理站有11 kV電動(dòng)機(jī)若干臺(tái),最大的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷為壓縮機(jī)用異步電動(dòng)機(jī),額定功率7 000 kW,兩用一備,采用真空斷路器保護(hù)并配置微機(jī)綜合保護(hù)模塊。筆者以該電動(dòng)機(jī)為例,系統(tǒng)講述中壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置及整定計(jì)算。保護(hù)配置參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版[1],《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50062-2008[2]及IEEE Std C37.96 IEEE Guide for AC Motor Protection[3],整定計(jì)算采用IEEE Std C37.96推薦的數(shù)值及曲線。

1 保護(hù)配置

1.1 國(guó)內(nèi)手冊(cè)及規(guī)范要求

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版[1]表7-21, 2 MW及以上的異步電動(dòng)機(jī)可能裝設(shè)的保護(hù)有:

(1)差動(dòng)保護(hù);

(2)過(guò)負(fù)荷保護(hù)(生產(chǎn)過(guò)程中易發(fā)生過(guò)負(fù)荷時(shí),或起動(dòng)、自起動(dòng)條件嚴(yán)重時(shí)裝設(shè));

(3)單相接地保護(hù)(單相接地電流>5 A時(shí)裝設(shè),≥10 A時(shí)一般動(dòng)作于跳閘,5～10 A時(shí)可動(dòng)作于跳閘或信號(hào));

(4)低電壓保護(hù)(根據(jù)需要裝設(shè))。

根據(jù)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50062-2008[2]要求:

(1)2 MW及以上的電動(dòng)機(jī),應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù),并應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘;

(2)作為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的后備,宜裝設(shè)過(guò)電流保護(hù);

(3)對(duì)電動(dòng)機(jī)單相接地故障,當(dāng)接地電流大于5 A時(shí),應(yīng)裝設(shè)有選擇性的單相接地保護(hù);接地電流為10 A及以上時(shí),保護(hù)裝置應(yīng)動(dòng)作于跳閘;單相接地電流為10 A及以下時(shí),保護(hù)裝置宜動(dòng)作于信號(hào);

(4)對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)負(fù)荷應(yīng)裝設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù);

(5)對(duì)母線電壓短時(shí)降低或中斷,應(yīng)裝設(shè)電動(dòng)機(jī)低電壓保護(hù);

(6)2 MW及以上的重要電動(dòng)機(jī),可裝設(shè)負(fù)序過(guò)流保護(hù),保護(hù)裝置應(yīng)動(dòng)作于跳閘或信號(hào)。

鑒于規(guī)范對(duì)保護(hù)的要求比較詳細(xì),本文中僅列出主要內(nèi)容。通過(guò)對(duì)比手冊(cè)和規(guī)范的要求可以看出,規(guī)范的內(nèi)容比手冊(cè)要詳盡得多,并且提出了宜裝設(shè)過(guò)電流保護(hù)作為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的后備。

1.2 國(guó)際規(guī)范要求

IEEE Std C37.96 IEEE Guide for AC Motor Protection[3]對(duì)斷路器保護(hù)的異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置進(jìn)行了推薦,如圖1所示。

圖1 電機(jī)保護(hù)配置原理圖

綜上所述,IEEE規(guī)范所推薦的保護(hù)配置,涵蓋了設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范GB50062-2008所有要求,并有所擴(kuò)展。鑒于本文中所提及的中心處理站地處國(guó)外,需要遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)7 000 kW電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置如下:縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、單相接地速斷保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、負(fù)序過(guò)流保護(hù)、低電壓保護(hù)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)本體的定子、轉(zhuǎn)子溫度保護(hù),以及震動(dòng)檢測(cè)等,由電動(dòng)機(jī)廠家配置完成。

2 整定計(jì)算

2.1 輸入數(shù)據(jù)

2.2 整定計(jì)算

2.2.1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

(1)啟動(dòng)電流。根據(jù)IEEE C37.96-2012啟動(dòng)電流應(yīng)為10%到 20%的電動(dòng)機(jī)額定電流,差動(dòng)保護(hù)電流互感器采用自平衡式,誤差小,因此取啟動(dòng)電流為10%的電動(dòng)機(jī)額定電流。計(jì)算如下:

Iset=10%IM=10%×423.5 A=42.35 A.

式中，IM為電動(dòng)機(jī)額定電流,423.5 A。

則繼電器動(dòng)作值為

式中，nCT為電流互感器變比。

(2)動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間設(shè)為0.1s。

2.2.2 速斷保護(hù)

(1)啟動(dòng)電流。根據(jù)IEEE C37.96-2012啟動(dòng)電流可設(shè)為165%～250%的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流,則有

Iset=180%ILr=180%×6.5×423.5,

A=4 954.95 A，

式中，ILr為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，6.5×423.5 A。

繼電器動(dòng)作值為

(2)靈敏度檢驗(yàn)。

(3)動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間設(shè)為0 s。

2.2.3 過(guò)電流保護(hù)

(1)啟動(dòng)電流。根據(jù)IEEE C37.96-2012啟動(dòng)電流可設(shè)為150%～175%的電動(dòng)機(jī)額定電流,則有

Iset=150%IM=150%×423.5 A=635.3 A，

繼電器動(dòng)作值為

(2)動(dòng)作時(shí)間。采用IEEE推薦的極端反時(shí)限曲線,根據(jù)保護(hù)模塊VAMP本身的公式設(shè)定動(dòng)作時(shí)間,有

式中，Ipickup為電流整定值;A、B、C為IEEE中針對(duì)不同繼電器型所選取的常數(shù)，A=28.2,B=0.121 7,C=2。

兩組自我護(hù)理情況比較:在自我護(hù)理技能、自我護(hù)理責(zé)任感、自我護(hù)理能力等方面,觀察組效果要明顯優(yōu)于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)表2。

所測(cè)量故障電流為

I=ILr=6.5×423.5 A=2 752.8 A,

Ipickup=Iset=653.3 A.

以躲過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流為準(zhǔn)，將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間(t=12.5 s)帶入上式，得k=6.94。根據(jù)VAMP保護(hù)配合曲線，k的值取7，從而得到過(guò)電流保護(hù)的反時(shí)限曲線。根據(jù)反時(shí)限曲線，就可以查出不同故障電流下的動(dòng)作時(shí)間。故障電流大時(shí)動(dòng)作時(shí)間短，故障電流小時(shí)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)。

2.2.4 單相接地速斷保護(hù)

繼電器動(dòng)作值為

(2)動(dòng)作時(shí)間:動(dòng)作時(shí)間設(shè)為0s。

2.2.5 過(guò)負(fù)荷保護(hù)

(1)啟動(dòng)電流。根據(jù)IEEE C37.96-2012啟動(dòng)電流可設(shè)為115%～125%的電動(dòng)機(jī)額定電流,當(dāng)利用系數(shù)為1時(shí),應(yīng)乘以0.9的系數(shù),則有

Iset=0.9×115%IM=0.9×115%×423.5 A=438.3 A，

繼電器動(dòng)作值為

(2)報(bào)警信號(hào)動(dòng)作值設(shè)定為90%;熱態(tài)時(shí)間常數(shù),根據(jù)電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)表,設(shè)為58 min;冷態(tài)時(shí)間常數(shù)系數(shù)采用默認(rèn)值1;40 ℃時(shí)允許帶負(fù)荷100%;環(huán)境溫度52 ℃。

2.2.6 負(fù)序過(guò)流保護(hù)

(1)啟動(dòng)電流。根據(jù)IEEE C37.96-2012啟動(dòng)電流可設(shè)為15%左右的電動(dòng)機(jī)額定電流,則有

Iset=15%IM=15%×423.5 A=63.5 A，

繼電器動(dòng)作值為

式中，nCT為電壓互感器變比。

(2)動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間設(shè)為10 s。

2.2.7 低電壓保護(hù)

(1)啟動(dòng)電壓。根據(jù)IEEE C37.96-2012啟動(dòng)電壓常設(shè)置為80%的額定電壓,則有

Uset=80%Un=80%×11 kV=8.8 kV,

繼電器動(dòng)作值為

(2)動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間設(shè)為2 s。

至此整定完畢。

3 結(jié)束語(yǔ)

中壓電動(dòng)機(jī)是油氣田負(fù)荷的重要組成部分,其保護(hù)配置根據(jù)負(fù)荷功能有所差異,例如用于消防水泵的電動(dòng)機(jī),不需要配置過(guò)負(fù)荷保護(hù)等。國(guó)內(nèi)規(guī)范與國(guó)際規(guī)范對(duì)中壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置規(guī)定大致相同,但國(guó)外規(guī)范的配置更直觀、全面。進(jìn)行整定計(jì)算時(shí),除了要遵循選定的規(guī)范中的公式外,要與微機(jī)保護(hù)模塊本身的性能相配合。

[1] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:中國(guó)電力出版社,2005:294-380.

[2] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T50062-2008電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009:24-27.

[3] IEEE Std C37.96-2012. IEEE guide for AC motor protection [S]. New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2012:54- 67.

[責(zé)任編輯] 董大偉

2015-06-13

王炳國(guó)(1968—),男,山東壽光人,勝利石油管理局電力管理總公司高級(jí)工程師,主要從事國(guó)內(nèi)外油氣田地面工程電力專業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.03.006

TM32

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1673-5935(2015)03- 0019- 03