高压F-C组合电器中电动机改进型过流保护

邹仕强

（中煤科工集团武汉设计研究院，武汉）

高压 F-C组合电器是指高压限流式熔断器（Fuse）和真空接触器（Contactor）构成的开关回路。其中高压限流式熔断器，具有反时限安-秒特性，能够即时切除大电流短路故障，同时由于采用了限流熔断器还能在一定程度上限制短路电流峰值[1]；高压真空接触器能承受频繁的分合闸操作、具有极长的电气和机械寿命（大部分产品机械寿命不少于30万次）[3]、维护工作量少。因此目前F-C组合电器被广泛应用于1200kW以下的电动机回路中（由于熔断器额定电流限制，1200kW 以上电机通常仍采用断路器控制）。

1 常规F-C回路过流保护配置

显然高压F-C回路中的熔断器具有保护作用。作为一次保护元件，熔断器一般具有开断电流大、动作时间短的特性，因此熔断器通常是作为短路保护元件存在。而接触器作为控制操作元件一般用来开断负荷电流或过载电流。

目前电动机F-C回路的保护配置，通常做法是微机保护装置不配置速断保护，仅设置反时限过流保护（过负荷保护），速断保护由熔断器实现[2]，保护动作配合曲线如图1所示。

图1

图中，Icn=接触器最大开断电流；F=熔断器的时间-电流特性；T=微机过流（过载）保护的反时限特性曲线；Ia=电动机起动电流曲线；Ip=电动机起动电流峰值。

但这种保护配合方式在实际应用中存在弊端，首先要满足电动机在起动中接触器不跳闸，则在电动机起动电流Ip处，反时限动作时间T不应小于电动机起动时间Tqd，然而当故障电流位于Ip与接触器额定分断电流 Icn之间时，熔断器熔断时间往往较长，不满足保护的快速性，其次也没有充分利用接触器的分断能力，增加了熔断器的熔断频率，给现场运行维护带来困难，同时也加大了运行成本。

2 过流保护配置与计算方法

为了降低熔断器的熔断频率，同时让电气设备在非短路故障（或故障电流较小）情况下也能有良好的保护性能，有必要增加一些保护配置，使 F-C回路在故障电流较小时也能快速、准确、灵敏的动作。

因此保护装置的动作电流应满足如下条件：①当动作电流小于接触器额定电流开断电流时，由接触器开断，此时应满足熔断器在接触器动作时间内不熔断；②当动作电流不小于接触器额定开断电流时，由熔断器熔断保护，此时应满足保护跳闸出口不动作即接触器不动作。

上述2个条件说明接触器的额定开断电流是关键转折点，这个电流可称之为交接电流即熔断器与接触器转换开断职能时的三相对称电流值。大于该值时，三相电流仅由熔断器开断；小于该值时，由接触器开断。

在电动机起动电流峰值与接触器额定分断电流Icn之间增加1段定时限速断保护，可以提高保护的快速性与可靠性。保护动作配合曲线如图2所示。

图2

从图2可以看出，电动机F-C回路的电流保护共3段保护组成，1段为瞬动段即熔断器熔断保护、2段为定时限速断段，3段为反时限过流保护。

2.1 无时限速断保护

无时限速断保护由熔断器实现，因此只要选择了合适的熔断器，就确定了保护动作曲线。高压限流熔断器的额定电流应按躲开电动机起动电流的影响选择，其熔件电流按以下公式确定[4]：

式中，Ip为在起动时间内的电流值；Kj为综合系数，与电动机起动频率有关，可按表1中数据选取[4]；Kq为电动机起动电流倍数； In为电动机额定电流。

表1 综合系数选择表

根据求得的 Ip和电动机起动时间，在熔断器电流-时间曲线上可确定一点P，经过P点或靠近P点右侧的曲线即是所选用的熔断器，熔断器的额定电流应大于 1.3倍电动机的满载电流。起动时间宜根据制造厂提供的数值决定，如没有所需起动时间时，一般电动机起动时间大致如下：泵类电动机，6s；研磨类电动机，10～15s；风机类电动机，60s[3]。

2.2 定时限速断保护

定时限速断按躲电动机起动电流整定，公式如下[6]：

式中， Idz为定时限速断一次电流值； Kjx为 CT接线系数，星形接线取1，三角形接线取1.732，通常均为星形； Kq为电动机起动电流倍数； Krel为可靠系数，通常取1.3； In为电动机额定电流；n为CT变比。

灵敏系数按电动机出口最小两相短路电流校验。

关于定时限t的选择：目前F-C的交接电流均可做到3.2kA，ABB的VSC-12 交接电流为4kA，但是接触器在额定开断电流时的动作寿命一般仅有20-30次[1]，因此通常控制保护交接电流不超过2kA，一方面能保证接触器寿命，另一方面超过2kA的电流，额定电流 200A及以下的熔断器熔断时间已不超过 0.2s[2]，综保及接触器固有最小动作时间与之接近；所以定时限 t通常选择 0.3s，可以保证超过2kA的故障电流时，熔断器能够先于接触器动作。

2.3 反时限过流保护

经常使用的反时限过流保护曲线主要有以下几种[6]：

IEC 标准反时限

IEC非常反时限

IEC极端反时限

IEC长时反时限

具体选用哪个曲线方程，应依据保护产品功能及动作时间配合确定。其中有2个参数需要整定，一是 It，二是TMS。It为允许长期通过的负荷电流，可按电机额定电流的 1.05～1.1倍整定。TMS为时间常数，TMS的整定通常采取反算法，即先按被保护对象的运行要求确定曲线上的一个点( KIn，T)，该点表示K倍额定电流 In时，延时T跳闸。将该点坐标带入所选取的曲线方程中，反算出TMS。

2.4 工程实例

下面以一个工程实例给出各段电流保护计算方法。

某矿井带式输煤机额定功率为 1120kW，额定电压10kV，额定电流In=76.08A，起动电流为6In，起动时间为 6s，起动频率不超过 2次/h；CT变比150/5，采用ABB VSC-12型高压组合电器供电。

1）熔断器选择

按式（1）计算起动时间内电流值

然后查询熔断器曲线可知，电流为 800A时，160A熔断器熔断时间为6s，因此选择160A熔断器满足要求。

2）定时限速断保护

按（2）公式计算动作电流

延时0.3s。

3）反时限过流

参照图2，其中 Ip=6In，取 t1= 6 .5s，由此确定曲线 T上一点（6In，6.5）即 6倍额定电流，6.5s过流保护动作。选择IEC 标准反时限方程，计算得TMS=1.69， It=1.05×76.08/30=79.88/30=2.66A。

3 结论

基于F-C回路的优越性能，我们在一些工程中采用了F-C回路，但常规的F-C回路保护仅采用熔断器速断加反时限过流保护，不能充分利用接触器的分断能力，保护的快速、可靠性较低。本文采用3段式电流保护，能显著提高保护的可靠性、快速性，减少熔断器熔断频率，降低运行维护成本。工程实践证明本文方法是可靠的，为F-C回路的正确使用奠定了基础。

[1]沈兴元.高压真空接触器-高压限流熔断器组合电器在发电厂中的应用[J].电力设备,2006,7(2),72-75.

[2]石俊、朱亚军.高压限流熔断器与真空接触器的组合应用[J].九江学院学报(自然科学版),2004,19(3),20-21.

[3]冯建兴. 真空接触器-熔断器组合电器的应用[J].电气制造,2007,6(4).

[4]杨阿东. F-C回路的设计应用[J].科技与生活,2010(6):11,19.

[5]许建安.继电保护整定计算[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[6]中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册(第三版)[M]. 北京:中国电力出版社,2005.