催化四机组电动机保护测控系统的优化设计与实践应用

李伯豪 孙振玮

摘要：石油化工行业催化裂化装置中，主风机—烟气轮机能量回收机组的安全、平稳运行，对整个装置的运行状态起着决定性作用，而完善机组电力系统控制、保护系统的设计是保证机组安全平稳运行的前提，机组的平稳运行自然会提高生产效益。本文介绍了上世纪80年代催化四机组电动机保护测控系统的优化设计与实践应用，并针对应用过程中各方面存在的问题提出了相应的设计方案并进行论述。

关键词：机械式继电器;综合自动化装置;优化应用

引言

本文所提及的催化四机组异步电动机为上世纪80年代进口电动机，保护系统为进口机械式继电器保护。电流保护、电压保护、速度保护、温度保护均采用机械式继电器进行保护，继电器数量达到24个。继电器保护零散，接线复杂，故障点多，多数继电器已停产，运维困难;跳闸告警信号均通过吊牌实现，不满足目视化管理要求;无法监测运行状态、没有事故事件记录，不便于进行事故分析。综合自动化设备（以下简称综自设备）可靠性高，出现误动、拒动概率极低，运维方便;可以即时观测运行数据，查阅事故事件，便于总结分析;同时可以实现远端通讯功能，方便监盘人员直接观测运行状态及数据。

1综合自动化装置的选择

根据该催化四机组一次设备、及保护配置情况的统计，开关柜出线侧有一组保护、测量CT，用于速断、过流保护。在电动机出口侧和中性点侧同名相配置一组三相磁平衡电流互感器，其二次绕组分别接至磁平衡差动继电器，构成磁平衡差动保护。电动机本体有速度及温度探头作为速度和温度保护。考虑到结合国内外各类保护测控装置实现的功能，结合本次优化需要的功能，决定本次改造使用施耐德P243、P220综自设备，P243作为主要保护设备，P220只使用磁平衡差动保护。

2二次回路优化设计

2.1测量部分回路优化

2.1.1电动机开关柜由三面柜组成，柜内有PT柜，接线方式为两相∠接。不同于三相完全△接线方式可以直接测量线电压、相电压和开口∠电压。两相∠接线方式电压回路中只存在线电压，无相电压。P243综自设备电压测量部分采用两相不完全接法，ABC三相线电压接至（A-19、B-22、C-20）。此接线方式无法实现PT断线功能，经试验验证，电压变送器及保护测量的功能不受此影响。

2.2.2电流、电压、功率、功率因数角变送器均从原先的单功能变送器更换为可在线整定编程的西门子SENTRON_7KG9661变送器。由于柜内接线原因，由三个西门子变送器共计提供八路4～20mA信号至操作室。三相线电压共用一个变送器，三相线电流共用一个变送器，功率和功率因数角共用一个变送器。测量回路原理图如图1。

2.2控制部分回路优化

2.2.1该电动机开关柜真空断路器不同于新式手车式真空断路器，储能机构不可短时间多次储能，否则会烧坏储能线圈。开关柜上配置黄色指示灯为合闸允许指示。柜内有储能时间继电器，储能后间隔1min才可以进行合闸，黄色指示灯指示该功能。

2.2.2合闸回路中串入保护闭锁功能，当速断保护、磁平衡差動保护动作时，P243综自设备通过内部逻辑编程使光耦开出RL7常闭点打开，在故障原因没有查明、动作信号没有被复归前不允许电机再次起动。在P243综自设备操作面板上可以对该信号进行复位。合闸回路原理图如图2。

2.2.3跳闸回路中，将不同类型的保护跳闸分为由P220综自设备提供的磁平衡差动保护跳闸、由P243综自设备提供的综合保护跳闸（速断保护、热过负荷保护、速度保护）以及低电压保护跳闸，以上三个跳闸出口分别经过压板接至跳闸线圈。同时跳闸回路可以提供现场分闸以及本柜分闸功能。跳闸回路原理图如图3。

2.3保护部分回路优化

2.3.1电动机开关柜内有两个速度继电器，通过现场速度检测传感器将信号传至速度继电器，再将继电器结点信号传至P243综自设备，分别经延时后通过综合跳闸出口进行跳闸。速度继电器电源为交流电源，保留该继电器，起到与现场信号隔离的作用。

2.3.2原温度继电器设置115℃由继电器吊牌进行告警，135℃跳闸结点闭合。由于操作室原有对现场电机本体的温度监视，取消本柜温度跳闸功能，将温度继电器输出结点接至P243综自设备，只发出告警信号。

2.3.3合、分闸回路在原有柜的基础上，结合典型P24X系列接线方式，自主设计P243综自设备PSL逻辑图，对光耦开入量和开出量进行编程，实现控制回路、保护回路逻辑。其中P243保护开入1为断路器合闸位置，用于故障录波，起动开始的判断;开入2为工艺连锁信号，经压板控制，用于工艺连锁跳闸;开入3为P220综自设备提供的磁平衡差动保护动作信号，用于和P243装置的速断保护共同动作于光耦开出RL7;开入5为10%速度信号，收到上升沿信号延时6S后跳闸;开入6为80%速度信号，收到上升沿信号延时45S后跳闸。P243综自设备跳闸出口1为综合保护出口，速断保护、热过负荷保护、速度保护、工艺连锁信号均通过该出口动作;跳闸出口2为低电压保护;跳闸出口3为过负荷保护出口，信号经中间继电器输出至DCS系统;跳闸出口7为禁止再起动功能出口。P220综自设备设置跳闸出口1为磁平衡差动保护跳闸出口，跳闸出口2为磁平衡差动保护跳闸信号至P243开入3。P243综自设备PSL逻辑图如图4。

这种接线方式在原有的保护功能下进行了优化，接线更加简单，保护逻辑清晰，便于日后维护工作。

3电动机保护的配置与整定

该电动机参数：功率为8388kW，额定电流940A。最小运行方式下线路末端短路时的短路电流为14.38kA。CT变比为1200/5，磁平衡差动CT变比为50/5。

3.1电动机保护配置

基于国家标准与企业规范要求，结合现场设备实际要求，该电动机应设速断保护、磁平衡差动保护、热过负荷保护、低电压保护、速度保护、工艺联锁均动作于跳闸;零序保护、过负荷保护、温度保护动作与信号、只告警。

3.2电动机保护整定

3.2.1速断保护按躲过电动机正常运行时产生的最大电流进行整定，即起动电流。原定值二次27A、0S跳闸，经核算灵敏度，K1为1.92<2。为保证保护有不小于规定的灵敏度，速断保护取二次25.5A，0S。速断保护动作后禁止再起动。

3.2.2磁平衡差动保护按躲过起动时振荡电流所产生的最大不平衡电流值整定。取二次2A、0S。磁平衡差动保护动作后禁止再起动。

3.2.3原堵轉保护由GL继电器反时限进行保护。现取消GL继电器，改为设置P243综自设备热过负荷保护，热过负荷基准电流为额定电流的1.15倍，过载时间常数和启动时间常数设置为2min，冷却时间常数取下限。该电动机负载为风机，起动时间长，电动机起动过程中热过负荷保护不应动作。为躲过电机起动过程中热过负荷保护误动作，通过设置起动时间50S闭锁开机时热过负荷保护，起动状态通过断路器状态翻转且电动机电流超过1.5倍额定电流进行判断。电动机起动50S内热积累缓慢升至90%后，不再增加，待电动机起动50S后开放热过负荷保护。电动机热过负荷保护动作后，热积累值超过100%，禁止再起动节点动作，待热积累降至90%后，禁止再起动节点返回，可以重新开机。

3.2.4高压柜内自带电压互感器，接线方式为V，v接法，该方法是将两台全绝缘单相电压互感器的高低压绕组分别接于相与相间，构成不完全三角形。该方式可以节省一台电压互感器，同时能够提供线电压，但无法测量相电压。整定原则中低电压保护定值为额定电压的40%，9S跳闸。现改为48V、9S（PT二次120V）。

3.2.5保护整定原则中不设置过电压保护，将原有过电压保护功能取消。

3.2.6过负荷告警功能，超过额定电流经5S延时后告警。过负荷告警信号远传至操作室并报警。

3.2.7接地保护，原跳闸改为告警，延时1秒。原定值二次2A、1S。现按照一次10A进行整定。

3.2.8速度保护由速度继电器提供动作信号，经综自设备延时后进行跳闸。速度保护定值为10%、6S，80%、45S。相应保护功能为电动机起动6秒内转速未达到额定转速的10%，及45秒内转速未达到额定转速80%将发出跳闸命令。

3.2.9温度保护原由温度继电器提供，115℃告警，取消温度135℃跳闸。

4结束语

通过对该催化四机组电动机保护测控系统的优化，极大地提高了保护的可靠性、选择性。优化施工完毕后，经过缜密的继电保护试验，全面的模拟了可能发生的故障情况，确保综自设备该动作时准确动作，不该动作时决不误动。该催化四机组电动机两次单试电机、冲转后开机均顺利完成，未发生起动时误动作，现已平稳运行。

参考文献：[1]GB/T14285-2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S][2]GB/T50062-2008，电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S][3]MicomP24x电动机保护装置使用说明书，2009[4]高春如.发电厂厂用电及工业用电系统继电保护整定计算[M].北京：

中国电力出版社，2012.8[5]工业与民用供配电设计手册（第四版）.北京：中国电力出版社，

2016.12