海洋石油平台低压电动机的保护

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

在海洋石油平台的正常生产和生活中，低压电动机被广泛应用在很多领域。例如，工艺生产流程中的原油输送泵、污水循环泵、注水泵、天然气压缩机、化学药剂注入泵等，公用系统中的海水泵、淡水泵、热介质循环泵、空气压缩机、通风机等，大部分泵设备都是由低压电动机驱动的。由于常年受日晒雨淋、盐雾侵蚀等恶劣自然环境的影响，低压电动机在日常运行过程中经常会出现一些故障，有些是机械故障，有些是电气故障。常见的电气故障有：电动机内部及引出线上相间短路故障，电动机内部及引出线上的单相接地故障，定子绕组断相运行，电动机过载等。低压电动机本身不具有自我保护功能，或者自我保护能力较弱，造成动力设备的严重破坏，平台停产甚至威胁操作人员的人身安全。电动机保护装置的作用是把故障电动机从电网中切除，使电动机的故障停止发展，将电动机及其动力设备的损坏减小到最低的程度，同时也减小电动机故障对电网的危害。因此，正确选择保护配置方案，运用合适的保护原理和科学合理的整定计算方法，对海洋平台的正常生产和生活起着极为重要的作用。

1 海洋石油平台低压电动机常见故障及危害

1)相间短路。相间短路是低压电动机内部绕组或外部引出电缆上出现的相与相之间的短路故障。相间短路电流可以烧毁电动机、缩短电动机保护电器和控制电器的寿命；对于大容量的低压电动机，短路故障还会引起电网系统电压降低，影响其他用电设备的正常运行。

2)断相。电动机的损坏大多数是断相运行造成的。大量实践经验表明断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势给电机造成的危害远大于过热给电机造成的危害，况且断相故障又不能自动排除，因此，电动机应装设断相保护，且该保护应能瞬时动作于跳闸。

3)单相接地。单相接地故障保护用于保护电动机内部及引出线上的单相接地故障。海洋石油平台低压配电系统接地型式通常采用中性点不接地的IT系统，在发生单相接地故障时，三相线电压基本保持不变，故障电流很小，对电动机及电网的危害不大，因此也可以不切断供电电源，只保护作用于报警。

4)低电压。当线路电压低于电动机的额定电压时，电动机转矩要降低，如果电动机负载不变，由于三相异步电动机的电磁转矩与电压的二次平方成正比，则会因电磁转矩的降低而带不动负载，造成电动机堵转停车，电动机电流增大使电动机发热，严重时烧坏电动机。因此，在电源电压降低到一定值时，由于交流接触器线圈磁通减弱，电磁吸力克服不了反作用弹簧的压力，动铁心因而释放，从而使主触头断开，自动切断电动机主回路，达到低电压保护的作用。

5)过载。过载是在电动机绕组出现过电流时能切断电动机电源，使电动机停止运行的一种保护方式。电动机不正确的启动、运行中负载转矩剧烈增加、长期负载过大或启动操作频繁等原因都会引起过电流，导致电动机绕组温度过高、绝缘损坏，缩短电动机的使用寿命，严重时会烧毁电动机绕组。

2 海洋石油平台低压电动机保护装置的选择

2.1 低压电动机保护装置的使用现状

目前，我国低压电动机保护装置大体上分为两类。

一类是断路器、接触器、热过载继电器组合的传统电动机保护方式。这类保护装置功能比较简单，维护方便，价格有较大优势[1]。

另一类是采用低压电动机综合保护器取代热过载继电器，形成断路器、接触器、低压电动机综合保护器组合的电动机保护方式。低压电动机综合保护器是电子式多功能电动机综合保护装置，集保护功能和测控功能于一体，体积也较小，功能比较强大，价格比较高。

2.2 海洋石油平台低压电动机保护装置的现状

目前，海洋石油平台低压电动机保护多采用传统的电动机保护方式，保护线路由断路器QF、交流接触器KM和热继电器KH组成，见图1a)。交流接触器用来启动、停止电动机；断路器用来作电动机的短路保护；热继电器用来作电动机的过载保护和断相保护。对于额定功率较大的电动机，一般通过电流互感器，用较小的二次电流来控制较大的一次电流，即采用非直接式的小电流热继电器，见图1b)。

图1 电动机保护方式

2.2.1 低压电动机短路保护装置

海洋石油平台对一般低压电动机的短路保护器件是只带瞬动电磁式脱扣器的塑壳断路器(MCCB)，在电动机回路发生短路故障时，断路器的瞬时过电流脱扣器动作，切断故障回路。断路器的额定值应接近但不小于电动机的额定电流。

《通用用电设备配电设计规范》GB50055-2011第2.3.5条规定：当交流电动机正常运行、正常启动或自启动时，短路保护器件不应误动作。短路保护器件的选择应符合下列规定。

瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流，应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2.0～2.5倍[2]。

根据上述的规范规定，断路器的瞬动过电流脱扣器的整定值应取电动机起动电流的2.0～2.5倍，即Iset=(2.0～2.5)Ist。

2.2.2 低压电动机过载保护装置

海洋石油平台使用带断相保护功能的热继电器作为过载保护装置和断相保护装置，在电动机回路中电流值超过热继电器的整定值时，热继电器动作，电动机控制回路中的热继电器的常闭触点断开，交流接触器线圈失电，则电动机主回路中的交流接触器断开，切断故障回路。带断相保护的热继电器，是通过过电流反时限特性来保护低压电动机的，发生断相故障时，热继电器断开故障回路仍需要一定的时间，这仍然对电动机的运行存在着安全隐患。

《通用用电设备配电设计规范》(GB50055-2011)中第2.3.9条规定：当交流电动机正常运行、正常启动或自启动时，过载保护器件不应误动作。过载保护器件的选择应符合下列规定。

热过载继电器或过载脱扣器整定电流应接近但不小于电动机的额定电流。

根据上述规范规定，热过载继电器的整定值应大于等于电动机额定电流，即Iset≥Ir。

对于有温度补偿的热继电器，整定电流应不小于电动机的额定电流；对于电磁式和无温度补偿的热继电器，整定电流应不小于电动机额定电流的1.05倍[3]。

为了方便，海洋平台电气设计中热继电器通常按电动机额定电流的1.05～1.10倍进行选择。

2.2.3 过载保护装置与短路保护装置的协调配合

一般过载保护装置不具有分断短路电流的能力，一旦低压电动机在运行中发生短路，需要由串联在主电路中的塑壳断路器来切断电路。若故障电流较小，属于过载范围，则应由热继电器切断故障电路。

2.2.4 低压电动机的低电压保护与整定

海洋石油平台一般采用交流接触器作为低压电动机控制电器，交流接触器吸持线圈在低电压时能自动释放(一般降低到70%额定电压以下)，故不需另设低电压保护。

2.2.5 低压电动机的单相接地保护装置

在海洋石油平台的电气设计中，通常采用在380 V低压母线处设置绝缘监测装置，当负荷侧发生单相接地故障时，绝缘监测装置动作并驱动声光报警设备，运行人员接到报警后到现场排查故障，以避免异相接地短路故障的发生，以此来保证IT系统的持续运行。

2.3 工程应用实例

SZ36-1中心平台的污水循环泵电动机的额定功率为75 kW，额定电压为0.38 kV，额定功率因数为0.88，额定运行时效率为0.92,对此电动机进行保护配置的选择及整定。

电动机的额定电流为

1)断路器的选择与整定。断路器的额定电流为Ir≥141 A，取Ir=160 A。取电动机启动电流倍数为7。断路器短路保护的整定值为

Iset= (2～2.5)Ist=(2～2.5)×141×7=

(1 974～2 468) A，

取Iset=14×160=2 240 A。

2)热继电器的选择。

Ir=(1.05～1.1)×141=(148～155)A。

3 海洋石油平台低压电动机保护装置的发展

3.1 电动机综合保护器的原理

电动机综合保护器通过对三相交流电流、电压及零序电流等信号的采集，通过信号处理电路抗干扰、模数转换后，由CUP进行运算和处理，按照各种保护特性、测量数据、控制逻辑和数据传输等要求，通过指示灯、保护输出接口、4～20 mA模拟量输出等多种方式，实现低压电动机所需要的保护测控功能[4]。电动机综合保护器具有精度高、节电、动作灵敏、工作可靠等优点，是传统电机断路器、热继电器的理想替代产品。

3.2 电动机综合保护器的功能

1)电动机保护功能。低压电动机综合保护器可实现对电动机的综合保护，其具体功能有接地保护、断相保护、短路保护、过负荷保护、不平衡保护、杜撰保护、低电压和过电压保护。当电动机正常工作时，保护器通过面板上的液晶显示屏，实时显示电机的工作电流和电压。但故障发生时，综合保护器能自动、迅速地反应并发出跳闸信号。

2)故障判断与记忆功能。电动机综合保护器对电动机进行检测时，需正确判断电动机正常、过载、短路、断相、过压、欠压及过热等工况并作出相应处理。当电动机出现某种故障时，保护器切断电动机的电源而处于保护状态，并且保存故障类型、时间以及电机运行参数。电动机综合保护器通过识别与记忆电路对故障予以识别、记忆和指示，以便于维修。只有故障排除后，复位保护器，故障指示才消失，电动机才能再次启动[5]。

3)在线监测功能。具有通信功能的电动机综合保护器能将采集的电动机信息通过总线传输至后台微机，使控制室的操作人员可在后台微机上完成所有综合保护器的整定数据的调阅、修改和整定。同时，在线监测电机的运行负载和供电电源质量为及早发现过载和接地故障等创造了条件。此外，通过后台微机的强大信息管理功能，可有效记录各台电机的运行参数、历史故障记录、历史维护记录，为保证工艺系统的安全生产、减少生产关断提供了可靠依据。

4 结束语

综上所述，断路器的短路保护、带断相保护的热继电器的过载保护和断相保护、绝缘监测装置的单相接地保护基本能够满足海洋石油平台生产对低压电动机的保护需求，这种保护配置方式也是目前海洋石油平台应用最为广泛的保护形式。从技术方面考虑，这种保护装置技术成熟、可靠，从经济方面考虑，这种保护装置成本低廉，从操作维护方面考虑，这种保护装置简单，易于维护。但是这种保护装置和低压电动机综合保护器相比也有很多缺陷。因此，随着海洋石油平台规模的扩大，工艺流程更加复杂，越来越多的低压电动机参与到工艺流程的运行中，广泛地使用电动机综合保护器，可以极大地提高海洋石油平台的自动化水平，并且可以提高工艺流程控制的准确性，降低事故率，对海洋石油平台的平稳运行起到积极的作用。

[1] 魏惠滨,李希泌,徐 莉.浅谈电动机保护器的应用[J].应用能源技术,2001(5):46-47.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.通用用电设备配电设计规范[S].北京：中国计划出版社,2012.

[3] 任元会,卞铠生,姚家袆,等.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社,2005.

[4] 刘顺田.浅谈电动机综合保护器[J].纯碱工业,2008(3):30-33.

[5] 张风平,刘 辉.浅谈低压电动机智能保护器的应用[J].化学工程与装备,2011(3):117-119.