烟气能量回收机组中的同步电动机断电失步保护装置的改进

马 强 刘 杨

（中国石化股份有限公司天津分公司，天津 300271）

1 引言

同步电动机是广泛采用的重要电气设备之一，它的运行安全性和连续性对生产往往具有重大影响，但同步电动机运行过程中不可避免地会由于种种扰动而引起失步，而在工矿企业中由于断电而造成电动机失步的故障非常普遍，失步事故轻则造成生产的中断或工艺流程的混乱，重则还会造成设备损坏和其他严重事故。同步电动机的断电失步保护就是为了在遇到各种失步事故时，既保障电动机设备的安全，又保持连续运行而采取的综合性技术措施。

2 同步电动机断电失步保护在烟气能量回收机组中应用中存在的问题

烟气能量回收机组是催化装置的关键设备，它是由烟机、轴流压缩机（风机）、汽轮机和同步电动机及其辅助系统组成，高压同步电动机（6kV 3200kW）是机组中重要的电气设备，根据生产工艺的调整可以在电动和发电的工况下运行，它的运行安全性和连续性对烟气能量回收机组正常运行具有重大影响。

图1 烟气能量回收机组

同步电动机的保护设置有许多，如电流速断保护、差动保护、接地保护、断电失步保护等，由于断电而造成电动机失步的故障非常普遍，因此断电失步保护及带载再整步技术是非常必要的，但该技术在我厂烟气能量回收机组的实际应用中存在保护死区。

图2 同步电动机断电失步保护设计原理图

当两段母线中任意一段供电电源中断时（一般大于0.2s），失压段母线电压频率的下降与电动机的转速下降成正比，且比电压的幅值下降要显著得多，低周继电器（DZJ）启动，该母线的电压在电源中断期间，将由接在该母线上的同步电动机来维持，随着电动机转速的下降，两段母线同相电压向量之间（2YMC C630和1YMC C640）的相角逐渐增大。当这一相角差大于某个角度时，达到相位差继电器（CYJ）的动作整定电压值时（实际整定为70V），相位差继电器启动，利用低周继电器和相位差继电器组成与门，就能相当准确而迅速地判断出电动机失步，启动断电保护出口继电器DCJ，由DCJ继电器的一个辅助触点去跳该段母线的进线开关，DCJ的另一个辅助触点同时去灭磁，当失压段母线残压下降到40%额定电压时，低电压继电器BYJ线圈失电，则中间继电器YZJ的常闭辅助触点接通母联开关的APD回路，母联开关合闸，同步电动机再加速，拉入亚同步，励磁系统通过滑差和计时投励环节，将电动机拉入同步正常运行，即同步电动机的带载自动再整步。

我厂断电失步保护技术在实际应用中暴露以下弊端：当同步电动机在正常运行时，其所在的6kV II段母线发生波动（大于0.2s），断电失步保护不启动，造成该段进线开关不跳闸，更为严重的是，有时由于同步电动机的电压反馈作用，该站上级110kV变电站母线电压降落很小，影响APD装置的正确动作。

3 同步电动机断电失步保护烟气能量回收机组中的问题分析

经过仔细研究，我们认为，当其所在的6kV II段母线发生波动（大于0.2s）时，由于母线电压频率的下降与电动机的转速下降成正比，烟机和汽轮机做为原动力，拖着同步电动机运行在发电状态，同步电动机的转速未发生大的改变，因此两段母线同相电压向量之间的相角变化较小，故低周继电器(DZJ )和相位差继电器（CYJ）未启动，因此断电保护出口继电器DCJ也就不能启动，因此该母线的进线开关不跳闸，不仅影响APD装置的正确动作，长时间同步电动机会发生失步失励运行，不利于设备运行的安全性和连续性。

4 同步电动机失步的危害及改善断电失步保护的合理途径

同步电动机在正常运行过程中，不可避免地会受到各种各样的扰动，当这些“扰动”的幅度或最大值大到一定程度，超出电动机的稳定极限，就会引起电动机失步，造成生产中断和设备损坏的严重事故。同步电动机受到各种扰动而失步的过程，既是一个机电暂态过程，又同时伴随着电磁暂态过程。在接有旋转电动机的高压配电站母线上，当发生瞬间断电时，由于旋转电动机的惯性旋转以及转子磁场的存在，在断电段母线上将由此而呈现感应电势。当母线上接有同步电动机时，该感应电势在断电后的一段时间内，其值会高出供电电压，如此时由备用电源自投（APD）使供电恢复时，电动机会受到不同程度的非同期冲击，使电动机受到不同程度的损伤，电动机所受非同期冲击转矩的最大值，一般可高达电动机出口三相短路冲击转矩的三倍以上，即高达电动机额定转矩的二十多倍甚至三十倍左右，这是电动机所不能承受的，它将引起电动机定子和转子绕组崩裂，绝缘损坏，大轴、轴销和联轴器扭坏，并可能进一步引起电动机内部短路、起火等一系列严重事故。在工矿企业中由于断电而造成电动机失步的故障非常普遍，电源短暂中断期间，同步电动机的电压反馈作用影响APD装置的正确动作，不仅影响机组的连续运行，甚至影响电力系统继电保护的正确性。

同步电动机的失步事故，绝大多数都是由“非电动机本身故障”所引起，且造成失步危害的根本原因是定子旋转磁场和转子磁场之间的相互冲突，因此同步电动机的失步保护一般地说都没有必要跳闸停机，与励磁装置相配合，采用“快速灭磁”的方法，首先熄灭转子磁场，避免定子旋转磁场和转子磁场之间的相互冲突，消除失步危害，暂时把同步电动机转入无励异步行程，待“造成失步的扰动”已过去，带载再整步条件已满足时，重新投励，实现自动再整步，这种带载再整步的方式，既保障设备安全性，又保持运行连续性，也就是说，进一步把同步电动机的带载自动再整步，作为处理同步电动机各种失步事故的，普遍适用的保护和自动化措施或途径。

同步电动机的带载再整步机电暂态过程一般可以划分为三个发展阶段，即：失步制动阶段、异步驱动阶段和再整步阶段。

5 同步电动机断电失步保护在烟气能量回收机组中应用的改进

针对断电失步保护存在的问题和断电保护的改善途径，首先我们制定了一个整定原则，即当电网发生波动在0.4s以内时，断电失步保护不启动，对设备的安全性和生产的连续性几乎无影响。当电网发生波动在0.4～3s内时，启动断电失步保护，通过灭磁环节，降低同步电动机所在的6kV II段母线电压，待上级110kV变电站APD动作，使同步电动机重新得电继续运行。当电网发生波动在3s以上时，上级110kV变电站APD发生故障未动作，则断电失步保护动作使同步电动机所在的6kV II段进线开关跳闸，本站的APD动作，使同步电动机重新得电继续运行。我们将断电失步保护进行了如下改进：新增一个带返回的低电压继电器kV，三相电源来自励磁柜380V电源侧，低电压整定为70%额定电压，其输出触点延时0.4s动作。当同步电动机所在的6kV II段母线发生波动在0.4s以内时，低电压继电器kV的输出常开触点不动作，断电保护出口继电器DCJ线圈不得电，断电保护不启动。当电网波动超过0.4s时，低电压继电器kV的延时常开触点闭合，断电保护出口继电器DCJ线圈得电，断电保护启动，DCJ的一个常开触点闭合启动灭磁回路，灭磁后母线电压会在约1s内下降到40%额定电压，由于该站上级110kV变电站的APD时间为2s，因此同步电动机所在的6kV II段母线重新得电，电动机受电后继续运行，励磁装置在灭磁后计时8s再投励使同步电动机拉入同步。如果低电压时间超过3s以上，时间继电器SJ常开触点闭合，此时断电失步保护动作跳本段进线开关，同时本站的APD回路启动，使母联开关合闸（此时母线电压因为灭磁动作下降很快，降到额定电压的40%以内），将另一段的电源送来，起动电动机再投励，使同步电动机拉入同步，既保证了同步电动机的连续性运行，同时不影响电力系统的APD正确动作。

二次回路改造完成后，我们做了以下传动试验：

（1）对同步电动机所在的6kV II段母线的上级馈线开关进行如下操作：由合闸状态切至分闸状态，再立即由分闸状态切至合闸状态，以上的操作在2s内完成，模拟电网波动时间在0.4～3s期间。试验结果表明，低电压继电器kV动作，灭磁启动，延时约8s，励磁系统投励成功，同步电动机运行正常，同步电动机所在的6kV II段母线的进线、母联开关未动作。

（2）对同步电动机所在的6kV II段母线的上级馈线开关进行如下操作：由合闸状态切至分闸状态，模拟电网波动时间大于3s。试验结果是，低电压继电器kV动作，灭磁启动，延时约8s，励磁系统投励成功，同步电动机所在的6kV II段母线的进线开关跳闸，母联开关合闸成功，同步电动机运行正常。

6 结论

经过试验证明，改进后的断电保护在各种低电压的情况下动作正确，与励磁装置相配合，对同步电动机进行灭磁再整步，提高了生产的安全性、连续性和供电的可靠性。

综上所述，同步电动机断电失步保护设计应根据各单位同步电动机具体工艺、主接线等情况确定，在设计断电失步保护时，要考虑APD装置和自动重合闸装置的电源的配合，采取对生产、对电力系统安全运行有利的保护方式。