10 kV高压离心式冷水机组继电保护配置与整定计算

卢海峰, 林国明

(1.浙江省建筑设计研究院, 浙江 杭州 310006;2.浙江省台州医院, 浙江 台州 318050)

0 引 言

近年来,随着我国经济的发展,医院、展览馆等公共建筑的体量越来越大,考虑供电效率、投资与运行费用、机房面积等因素,在一些大型公共建筑中,选用了10 kV的高压电动水冷离心机组。由于高压机组本身造价高昂,如果不能通过装设保护装置及早消除故障隐患,会造成高压电机烧毁等严重后果,这就对建筑电气设计提出了更高的继电保护设计要求。本文对高压离心式冷水机组常见的故障进行分析,结合台州医院东院区项目,探讨如何在保护原理的基础上,按规范通过采用保护措施,实现对10 kV高压离心式冷水机组的有效保护。

1 常见故障类型

10 kV高压离心式冷水机组主要由异步电机组成,电磁方面可能出现的几种故障类型主要有[1]:

(1) 定子绕组出现单相接地或者相间短路的问题;

(2) 定子一相绕组当中发生匝间短路问题;

(3) 转子励磁回路产生的励磁电流消失或者出现转子绕组一点或两点接地的问题;

(4) 由于外部过负荷等原因导致的过电流问题;

(5) 电源电压过高或过低。

2 继电保护配置

2.1 速断保护

针对电机定子绕组及定子绕组相间短路故障,根据《工业与民用配电设计手册》,高压电机容量小于2 000 kW时需装设电流速断保护[2-3]。

2.2 纵联差动保护

当电流速断保护不能满足灵敏性要求或者高压电机容量不小于2 000 kW时,需装设纵联差动保护。

2.3 过负荷保护

长时间过负荷会使电机温升超过允许值,使绝缘老化甚至引起故障。故在生产过程中,发生过负荷、起动、自起动条件严重时应装设过负荷保护。

2.4 单相接地保护

高压电机的供电网络一般为小电流接地系统,发生单相接地时,仅有接地电容电流流过故障点,一般危害较小。因此,只有接地电流大于5 A时才考虑装设单相接地保护,接地电容电流为10 A及以上时,保护可带时限动作于跳闸;接地电容电流为10 A以下时,保护动作于跳闸或信号。

2.5 低电压保护

下列电动机应装设低电压保护装置:

(1) 当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时,为了保证重要电动机自起动,需要断开次要电动机;

(2) 当电源电压短时降低或短时中断后,生产过程中不允许或不需要自起动的电动机;

(3) 需要自起动,但为保证人身和设备安全,在电源电压长时间消失后需从配电网中自动断开的电动机。

除上述情况之外,电机厂家自带的起动柜会起动监视、过热保护及堵转保护等作用,确保电动机安全、可靠运行。

3 配电系统设计

以台州医院新院区项目为例,项目采用两台1 500 HP(1 171 kW)高压离心式冷水机组,额定电压为10 kV,功率因数为91.5%,额定电流为74.1 A,起动时间为7 s,假定电网短路容量为100 MVA。为减小全压起动时,对电网造成的冲击,该工程与空调厂家对接后,空调设备厂家通过增加线圈匝数和转子跨距等措施,确保机组全压直接起动电流小于342 A。

本工程从高压配电房通过放射式为两台高压冷水机组供电,其供电示意图如图1所示。

4 整定计算

本工程以1#10 kV高压离心式冷水机组为例。根据冷水机组的额定电流,选用变流比为100/5的电流互感器做继电保护用。电动机保护继电器大致分为DL型定时限过电流继电器和GL型反时限过电流继电器。用GL感应式继电器的时限特性来实现电动机的过负荷保护,其优点是随着过负荷倍数的增大,动作时限越多。但正是这个特点,在例如系统电压不稳而电机负载过重等原因造成电机起动电流过大等情况时,反时限特性使动作时限变短,导致无法躲过电机起动电流,从而造成电机无法起动。因此,需采取其他操作手段,避免此类情况。为了简化与时间继电器的配合,方便实际操作,本工程选用DL型电动机保护继电器。

4.1 电流速断保护

与空调设备厂家沟通后,保护装置的动作电流取25 A,如式(1)所示:

(1)

式中:Krel——可靠系数;

Kjx——接线系数。取于相电流时取1.0,接于相电流差时取1.05;

nTA——电流互感器变比;

IrM——电动机额定电流;

Kst——电动机起动电流倍数。

Krel用于电流速断保护时,DL型和GL型继电器取1.4～1.6和1.8～2。用于差动保护时取1.3。用于过负荷保护时动作于信号取1.05。动作于跳闸取1.2;动作时间设置为0 s,瞬时动作。

对应的一次电流为

(2)

最小运行方式下,两相短路电流为

Ik2.min=0.866×Ik3=0.866×2 492.5=

2 158.5 A

(3)

保护装置的灵敏系数为

(4)

满足要求,无需设置纵联差动保护。

4.2 过负荷保护

保护装置的动作电流为

(5)

式中:Kr——继电器返回系数,取0.85。

其中,Iop.k取6 A。

保护装置动作时限top为

top=(1.1～1.2)tst=(1.1～1.2)×7 s

(6)

式中:tst——电动机实际起动时间。

根据空调设备厂家反馈意见,取9 s。

4.3 单相接地保护

当单相接地电流大于5 A时,装设单相接地保护,根据电力部门提供的数据,接地电容电流Ic为

Ic=0.1Url=0.1×10×3.75=

3.75 A<5 A

(7)

式中:Ur——线路额定线电压,kV;

l——线路长度,km。

因此,根据式(6)计算可知,本工程无需装设单相接地保护。

4.4 低电压保护

当电源电压短时降低或短时中断后,电动水冷离心机组根据生产过程不允许自起动。因此,根据《工业与民用配电设计手册》规定,保护装置的电压整定值一般为电动机额定电压40%～50%或略高,时限一般较上一级主保护大一个时限阶段,取0.5～1.5 s,必要时保护可无选择地动作。因此,低电压保护值取5 kV,时限为1 s。

低电压保护的接线应尽可能满足以下要求:

(1) 当电压互感器一次侧及二次侧发生各种断线故障时,保护装置不应动作。

(2) 当电压互感器一次侧隔离开关因误操作被断开时,保护装置不应动作。

(3) 0.5 s和9～10 s低电压保护的工作电压应分别整定。

(4) 应采用能长期耐受电压的时间继电器。

根据上述计算,对厂家自带的起动柜内保护装置进行了重新设置,项目现已投入运行,并取得了较好的运行效果。

5 结 语

各种类型的微机综合保护设备已经在高压继电的保护系统中得到了广泛应用,给高压电动机的保护装置提供了新的选择。由于在日常民用建筑电气设计中,对10 kV高压水冷离心机组接触较少,故在工程设计时需特别注意与空调厂家及电力部门间的沟通,确保继电保护装置必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性等基本要求,从而实现对电机的有效保护。