摘要： MiCOM P220電動機綜合保護控制裝置是ALSTOM公司的綜合保護裝置之一，不但有常規的過負荷、電流速斷及接地保護，而且還具有不平衡、超時起動及堵轉等保護，比較適合作為石化企業電動機的保護。本文根據對MiCOM P220電動機綜合保護控制裝置的實驗摸索和理論研究，在設計、安裝、整定、檢驗及運行管理方面做出了較為詳細的敘述，并提供了一些石化企業應用的數據，為該保護裝置應用提供了一定的實踐經驗。 　　 　　關鍵詞： 詞電動機 繼電保護 石化企業 　　 　　引言 　　電動機是石化企業的主要用電設備，如何用綜合保護裝置在即確保平穩生產操作又要維護設備安全的基礎上，對電動機的電氣及機械部分進行全面地保護是電氣技術人員需要認真解決的問題。 　　 　　MiCOM P220電動機保護裝置采用數字技術完成電動機所需的各項保護、控制、監視和記錄功能，可以通過編程將投入的保護和控制功能分配至輸出繼電器上。利用保護裝置前面板上的LED指示燈、液晶顯示屏或鍵盤，運行人員可以獲取各序電流、發熱狀態、運行時間等各種數據。連接后部的RS485通訊端子，遠方運行人員也能閱讀存儲在保護裝置中的數據、分配給各個輸出繼電器不同的功能、修改定值及傳輸遠端跳閘命令。在MiCOM S1軟件的支持下，PC機可以通過位于前面板的RS232通訊端口直接與數字監控系統連接，在輸入密碼后完成數據的設置和修改，顯示事件記錄及故障波形。 　　 　　該保護裝置是近幾年應用的電動機綜合保護裝置之一，與早期的SPAM 150C電動機綜合保護裝置[1]相比，更適合作為石化企業2MW以下中壓電動機的保護。 　　 　　MiCOM P220電動機保護裝置設計安裝 　　 　　在設計安裝前必須認真閱讀ALSTOM提供的《MiCOM P220電動機保護技術指南》。設計安裝時應當注意： 　　 　　保護裝置輔助電源的電壓范圍； 　　由于保護裝置的輔助電源喪失可引起部分運行數據丟失，因此保護裝置的輔助電源應與電動機控制電源分開控制，采用獨立的輔助電源控制小母線為保護裝置供電，便于在直流電源系統接地時的故障查找，而且各電源控制元件應分別布置在端子排的兩端，以防誤操作； 　　各相電流和零序電流輸入的極性，如極性錯誤將引起保護裝置誤動； 　　保護裝置的外殼及29端子必須可靠接地； 　　斷路器的常開輔助接點必須接至L1（22 – 24）端子上； 　　可編程的輸入端必須接入輔助電源，并應注意輔助電源的極性； 　　可編程跳閘輸出應接到RL1（2 – 4或2 – 6）端子上； 　　保護裝置的安裝高度不宜高于1.8米以便觀察數據及整定檢驗； 　　安裝時必須嚴格按設計圖配線。 　　MiCOM P220電動機保護裝置整定 　　 　　基礎數據整定 　　整定值組的整定 　　應當注意，在MiCOM S1軟件中的整定值組與在MiCOM P220保護裝置中的整定值組有不對應的現象，為確保電動機保護裝置安全可靠地動作，在保護裝置投入運行前必須對其進行檢驗。 　　 　　選擇缺省顯示值 　　由于電動機的發熱狀態難以從常規儀表中得到，因此，液晶顯示屏上缺省顯示的測量值宜整定為THERM_ST以便觀察。 　　 　　電動機起動檢測整定 　　從斷路器檢修及保護裝置檢驗等方面考慮，電動機起動檢測斷路器閉合狀態宜整定為52A方式。 　　 　　電流互感器變比輸入 　　相電流互感器的變比應按實際值輸入，而當零序電流輸入是通過三個相電流互感器作零序接線完成時，則零序電流互感器的一次和二次側的額定電流應與相電流互感器相同數值。當采用專用零序電流互感器時，則零序電流互感器的一次和二次側的額定電流宜輸入相同數值（例如1/1）。 　　 　　可編程LED指示燈整定 　　通常將可編程LED指示燈整定如下： 　　 　　LED5 過負荷保護動作； 　　 　　LED6 電流速斷保護動作； 　　 　　LED7 低電壓保護動作； 　　 　　LED8 接地保護動作。 　　 　　將兩個可編程LED指示燈同時使用指示其它保護的動作： 　　 　　LED5和LED6 超時起動保護動作； 　　 　　LED7和LED8 堵轉保護動作； 　　 　　LED5和LED7 不平衡保護動作； 　　 　　LED6和LED8 起動次數保護動作。 　　 　　過負荷保護整定 　　與其他電動機綜合保護裝置不同，MiCOM P220保護裝置的過負荷保護功能[49]是基于電動機負荷電流的正序和負序分量計算得到一個熱映像[2]，該熱映像的曲線分為三段，通過調整參數Te1、Te2及Tr可改變各段曲線參數，用這種方式可以計算定子和轉子的熱效應，定子繞組中的電流負序分量會在轉子中感應出幅值很大的電流，這將在轉子繞組中產生很高的溫升。過負荷動作時間通過下式計算得到： 　　 　　t = T ln [((Ieq / Iq)2 – qi) / [((Ieq / Iq)2 – qthresh) 　　 　　= T ln [(K2 – qi) /(K2 – qthresh)]（1） 　　 　　其中： 　　 　　t—動作時間，秒； 　　 　　T—熱時間常數，秒； 　　 　　Ieq—熱等效電流值，=[I12+KeI22]開平方，其中： 　　 　　I1—正序電流分量； 　　 　　I2—負序電流分量； 　　 　　Ke—負序電流識別因子。 　　 　　Iq—過負荷整定值； 　　 　　K—Ieq / Iq的比值； 　　 　　qi—初始熱狀態值； 　　 　　qthresh—過負荷報警整定值或過負荷跳閘整定值。 　　 　　過負荷電流Iq的整定 　　過負荷電流整定值計算公式： 　　 　　Iq = KrelIrM / IpIn（2） 　　 　　式中： 　　 　　Krel—可靠系數，通常取1.05～1.08，在石化企業中電動機多為防爆電動機[3]，為確保生產裝置的連續運行，參考其它電動機保護裝置宜取1.05。 　　 　　IrM—電動機額定電流值，A； 　　 　　Ip—電流互感器一次電流，A； 　　 　　In—電流互感器二次側和繼電保護裝置的額定電流值，A。 　　 　　負序電流的識別因子Ke的整定 　　負序電流的識別因子通常取Ke = 3。 　　 　　熱時間常數Te1的整定 　　當熱等效電流Ieq位于0和2倍的Iq之間，電動機正常運行時采用該時間常數。參照其他形式電動機保護的曲線及整定值，不僅僅考慮定子線圈，還應顧及電動機的機械故障，可取Te1 = 6 mn。 　　 　　起動熱時間常數Te2的整定 　　當熱等效電流Ieq大于2倍的Iq時，電動機處于起動階段或堵轉時采用該時間常數。在石化企業中電動機多數均參加再起動[4]，因此，整定該時間常數時必須考慮躲過電動機熱態再起動時間。當電動機負載為普通機泵時通常取Te2 = 12 mn（熱態允許再起動時間約4秒）。當電動機負載為風機時通常取Te2 = 18～48 mn（熱態允許再起動時間約6～16秒）。 　　 　　冷卻熱時間常數Tr的整定 　　當電動機停止運行時采用該時間常數。根據防爆電動機的散熱特性通常取Tr = 60 mn。 　　 　　在石化企業中通常不采用過負荷報警功能、起動時閉鎖過負荷跳閘功能、環境溫度修正過負荷保護及熱狀態閉鎖起動功能。 　　 　　電流速斷保護整定 　　考慮非周期電流分量，參照其他形式電動機保護裝置的整定方法，根據對多臺電動機的實驗摸索，石化企業中電動機電流速斷保護功能[50/51]適用的整定值為： 　　 　　I>> = 1.5KmstIrM / IpIn（3） 　　 　　式中Kmst電動機起動電流倍數。tI>> = 0 ms。 　　 　　接地保護整定 　　在石化企業中接地故障保護功能[51N]通常動作于信號。宜采用專用的零序電流互感器來測得接地故障產生的零序電流。對于中性點不接地系統可采用試驗的方法確定整定值。在零序電流互感器一次加入電流（如0.8A），從MEASUREMENTS菜單下讀出IN。接地保護整定值計算公式： 　　 　　Io> = IN/Ien（4） 　　 　　式中： 　　 　　IN—讀出電流值，A； 　　 　　Ien—零序電流互感器二次電流，A。 　　 　　動作時間通常為tIo> = 0.0 s。 　　 　　不平衡保護整定 　　不平衡功能[46]根據測量電流的負序分量動作。考慮補償電容器及其它電子設備影響，石化企業通常采用報警整定值I2> = 0.15IrM / Ip，延遲時間tI2> = 起動時間的120%，機泵通常為6秒，風機通常為8～16秒。 　　 　　超時起動保護整定 　　石化企業的防爆電動機多數采用直接起動方式，超時起動保護功能[48]典型的整定為： 　　 　　Istart等于2Iq，tIstart應于不平衡保護的整定時間tI2>相同。 　　 　　堵轉保護整定 　　電動機“抱軸”事故是石化企業電動機的主要事故，也是困擾石化企業電氣人員的一個難題。堵轉保護功能[50S]僅在電動機運行時發揮作用，如與允許再起動功能配合時典型的[51S]整定可為tIstall = 1.5秒，Istall = 2 Iq。 　　 　　如不與允許再起動功能配合時，典型的tIstall整定也應于不平衡保護的整定時間tI2>相同。 　　 　　在石化企業中防爆電動機安裝速度開關非常困難，因此，堵轉保護功能[51LR]通常不使用。 　　 　　欠電流/負荷丟失保護整定 　　從電動機運行管理等方面考慮，在石化企業中不宜采用欠電流/負荷丟失保護功能[37]。 　　 　　起動次數整定 　　在石化企業中電動機多為防爆電動機驅動的機泵，通常起動次數[66]整定可采用數據如下： 　　 　　參考周期的持續時間Treference = 60 mn 　　 　　熱狀態起動次數HOT START NB = 2 　　 　　冷狀態起動次數COLD START NB = 3 　　 　　禁止重起動的延時時Tinterdiction = 20 mn 　　 　　在MiCOM P220中，熱狀態高于50%的定義為熱態模式，低于50%的定義為冷態模式。 　　 　　兩次起動間的最小時間間隔 　　該控制應設為自動恢復，但與其他保護功能同時使用時無法實現，故在采用事故跳閘閉鎖合閘回路時不宜啟用該控制。如啟用該功能宜將最小時間間隔“T betw 2 start”整定為5分鐘。 　　 　　允許再起動整定 　　在石化企業中當啟用了允許電動機再起動功能時，Treacc延時對應于變配電系統電壓驟降（Voltage Dip）的最長時間。與堵轉功能配合，可將延時Treacc整定為9秒。 　　 　　輸入接點整定 　　P220保護裝置有三個用戶可以整定的邏輯輸入。在石化企業中通常分別將邏輯輸入L3設為電壓驟降信號，分配給VOLT._DIP；將邏輯輸入L4設為低電壓保護，分配EXT 1，并EXT 1 = 9.0 s；將邏輯輸入L5設為工藝連鎖，分配EXT 2，并EXT 2 = 0.0 s。引入VOLT._DIP的目的主要是為了縮短轉子失速保護的動作時間，如將轉子失速保護[51S]的動作時間整定的與不平衡保護的整定時間tI2>相同，即可不必引入該輸入接點。 　　 　　輔助輸出繼電器整定 　　輔助輸出繼電器RL1應動作于電動機跳閘。輔助輸出繼電器RL2通常為合閘閉鎖，RL3為事故跳閘信號，RL4為事故預報信號，RL5為掉牌未復歸。 　　 　　跳閘輸出繼電器整定 　　用于控制輸出繼電器的信號可以在跳閘輸出繼電器。通常是tI>>、THERM OVERLOAD、EXCES LONG START、tIbloq、EXT 1及EXT2。 　　 　　跳閘命令自保持整定 　　在石化企業中通常只使用延時定值tI>>短路輸出繼電器自保持的保護功能。 　　 　　當該保護功能通過輸出繼電器發出跳閘命令時，相應的繼電器將在命令復歸后仍自保持。若要使這些輸出繼電器復位，則需要對P220保護裝置做確認操作。 　　 　　斷路器監視整定 　　開關設備開斷時間、跳閘命令延時Ttrip與合閘命令的延時Tclose宜整定為0.6秒。 　　 　　記錄和錄波整定 　　在故障記錄（FAULT RECORD）子菜單中的故障記錄次數設為5次。 　　 　　在故障錄波（DISTURB RECORD）子菜單中設為： 　　 　　PRE TIME =2.0 s 　　 　　POST TIME =1.0 s 　　 　　DISTURB REC TRIG = ON TRIP. 　　 　　整定實例 　　催化裂化裝置原料油泵（P1201），PN = 400 KW，IrM = 44.2 A，Kmst = 6.5，Ip = 100 A。 　　 　　過負荷保護整定 　　Iq = KrelIrM / Ip = 1.05 * 44.2 / 100 = 0.464 In 　　 　　取Iq = 0.47 In，Ke = 3，Te1 = 6 mn，Te2 = 12 mn。 　　 　　電流速斷保護整定 　　I>> = 1.5KmstIrM / Ip = 1.5 * 6.5 * 44.2 / 100 = 4.3 In 　　 　　tI>> = 0 ms。 　　 　　接地保護整定 　　Io> = 0.016 Ien，tIo> = 0.0 s。 　　 　　不平衡保護整定 　　I2> = 0.15IrM / Ip = 0.15 * 44.2 / 100 = 0.066 In 　　 　　取I2> = 0.075 In，tI2> = 6 s。 　　 　　其他保護整定按上述給出即可。 　　 　　MiCOM P220電動機保護裝置檢驗 　　 　　技術部門應提供的定值和檢驗數據 　　技術部門應提供的定值數據如下： 　　 　　Iq—過負荷電流整定值In； 　　T1—當運行電流處于Iq和2Iq之間時的過負荷時間常數，分； 　　T2—當運行電流大于2Iq時的過負荷時間常數，分； 　　Tr—當電動機停止時的冷卻時間常數，分； 　　Ke—負序電流識別因子； 　　I>>—電流速斷整定值，In； 　　tI>>—電流速斷動作時間，秒； 　　Io>—接地整定值，Ien； 　　tIo>—接地動作時間，秒； 　　I2>—負序過電流整定值，Iq； 　　tI2>—負序過電流動作時間，秒； 　　Istart—超時起動電流定值倍數； 　　tIstart—超時起動動作時間，秒； 　　Istall—轉子失速定值倍數； 　　tIstall—轉子失速動作時間，秒； 　　Tre—參考周期的持續時間，分； 　　HOTsn—熱起動次數； 　　COOLsn—冷起動次數； 　　Tin—禁止重起動的延時時間，分。 　　技術部門可為檢驗人員提供的檢驗數據如下： 　　 　　IT1_3—三相1.8Iq熱態T1時間檢驗電流，A； 　　IT2_3—三相6Iq熱起動T2時間檢驗電流，A； 　　IT1_1—單相1.8Iq熱態T1時間檢驗電流，A； 　　IT2_1—單相6Iq熱起動T2時間檢驗電流，A； 　　I0.95>>—電流速斷0.95倍整定值，A； 　　I1.1>>—電流速斷1.1倍整定值，A； 　　I2_0.95>—負序過電流0.95倍整定值，A； 　　I2_1.1>—負序過電流1.1倍整定值，A； 　　Ist—超時起動和轉子失速檢驗電流，為2.2Iq，A。 　　由于需要提供的數據較多，宜采用計算機程序（例如EXCEL）計算。 　　 　　檢驗前的準備 　　首先應關閉負序電流、超時起動、堵轉及起動次數保護。在檢驗前請務必檢查輸入的電流是否與相應端子的要求相符。將斷路器合閘，檢查22-24端子是否有電壓。在整定記錄上寫入相和零序電流互感器的參數值。給MiCOM P220保護裝置上電。給保護裝置的每個電流輸入端加入電流，在LCD液晶顯示屏上檢查數值是否正確。檢驗各動作值與整定值是否相符，并將檢驗結果寫入檢驗報告中。 　　 　　過負荷保護檢驗 　　為了檢驗方便，建議將所有的熱時間常數都整定為6分鐘。在PROCESS過程菜單中，將電動機的熱狀態值復位為0。確認斷路器處于閉合狀態。 　　 　　熱時間常數Te1的檢驗 　　輸入IT1_3或IT1_1檢驗電流，檢查此時RL1的動作時間是否等于133秒。 　　 　　熱時間常數Te2的檢驗 　　輸入IT2_3或IT2_1檢驗電流，檢查RL1的動作時間是否等于10.14秒。 　　 　　熱時間常數Tr的檢驗 　　再注入電流至保護裝置，使電動機熱狀態值達到90%。然后取消電流注入，確認斷路器必須一直處于斷開狀態，等待熱狀態減小至60%，注意記錄是否等于146秒。 　　 　　如果保護裝置整定的熱時間常數不為6分鐘時可用如下公式計算： 　　 　　t = t6Tset / 6（5） 　　 　　其中： 　　 　　t—動作時間，秒； 　　 　　t6—當Tset = 6 時，過負荷動作時間，秒； 　　 　　Tset—保護裝置整定的熱時間常數值。 　　 　　電流速斷保護檢驗 　　直接注入I0.95>>電流，然后檢查保護裝置在tI>>時是否沒有跳閘輸出，然后再注入I1.1>>，檢查是否在tI>>時有跳閘輸出，逐漸減小注入電流，注意記錄電流降至多少時I>>信號可復歸。 　　 　　接地保護檢驗 　　石化企業典型的中性點不接地系統可采用的檢驗方法是在零序互感器一次直接注入0.95 A的電流，然后檢查是否沒有報警動作，然后注入1.1 A的電流，檢查是否在tIo>時有報警動作，逐漸減小注入電流，注意記錄電流降至多少時Io>信號復歸。 　　 　　負序過電流保護檢驗 　　首先啟用負序電流保護功能，并對保護裝置A相輸入一單相電流，則：Ib = 0 且Ic= 0，因此負序電流為I2 = 1/3 Ia。 　　 　　直接注入I2_0.95>電流，然后檢查是否在tI2>時沒有報警動作。然后注入I2_1.1>電流，檢查是否在tI2>時有報警動作。逐漸減小注入電流，注意記錄電流降至多少時I2>信號復歸。 　　 　　超時起動保護檢驗 　　再啟用超時起動保護功能，并對保護裝置輸入Ist電流，同時將斷路器合閘，檢查在tIstart時是否跳閘斷路器。再注入IT1_3電流，同時將斷路器重新合閘，檢查是否在tIstart時無跳閘斷路器。 　　 　　堵轉保護檢驗 　　最后啟用堵轉保護功能，將斷路器合閘，然后對保護裝置輸入Ist電流，檢查在tIstall時是否跳閘斷路器。重新將斷路器合閘，再注入IT1_3電流，檢查是否在tIstall時無跳閘斷路器。 　　 　　跳閘輸出自保持及低電壓功能檢驗 　　向邏輯輸入L3加入有源開關量輸入，然后檢查是否跳閘輸出。取消邏輯輸入L3開關量輸入，檢查輸出繼電器是否仍然保持動作。 　　 　　通過清除報警信息復歸跳閘輸出繼電器。 　　 　　最后應再次檢查負序電流、超時起動、堵轉及起動次數保護是否啟用，并重新設好過負荷保護的熱時間常數。 　　 　　MiCOM P220電動機保護裝置運行管理 　　 　　人員培訓及說明 　　在P220保護裝置安裝運行前應對有關技術人員、檢驗人員及電工班長進行培訓，還要對操作及維護人員講解操作要求，明確保護裝置運行后的注意事項，對于該保護裝置新功能也應對有關領導說明。 　　 　　密碼管理 　　由于通過密碼可以修改保護裝置中的任何整定值，因此必須對保護裝置的密碼進行嚴格管理。僅機動部門、技術部門、試驗班及維護班班長可了解該密碼。密碼應設計的即便于記憶又不易被破譯，而且宜設運行與檢驗兩個密碼。 　　 　　電動機運行時間管理 　　通過PROCESS菜單下的MOT OPERAT HOURS子菜單可讀出電動機的運行時間，但P220保護裝置的輔助電源消失后該運行時間也同時清零，因此應對每臺電動機的運行時間進行定期記錄。 　　 　　保護裝置內部的日期和時間管理 　　對于孤立運行的MiCOM P220電動機保護裝置，其內部的日期和時間應定期進行檢查和校對，以確保事件和故障記錄時間的準確性。 　　 　　斷路器跳、合閘回路的檢測問題 　　在MiCOM P220中，電動機的運行狀態是通過L1（22 – 24）回路檢測的，如該回路出現斷路故障，即使斷路器已合閘，MiCOM P220也不能判定電動機已運行。此時，超時起動和堵轉保護將失效，而過負荷保護的動作時間也只能按Tr時間常數動作，由于Tr遠大于T1與T2，因此，過負荷保護也基本失效。如在斷路器合閘過程中發生斷路器輔助接點抖動等現象時，還會影響電動機合閘次數的正確記錄，使起動次數保護誤動。 　　 　　不能檢測斷路器跳、合閘回路完整性是MiCOM P220的一個缺憾，日常維護時必須注重定期對運行電動機L1（22 – 24）回路的檢測。 　　 　　起動次數保護誤動作的原因及處理 　　試行中發現催化P1209C循環油漿泵電動機每次起動時起動次數保護都動作。用PC機將故障記錄調出發現，每次斷路器合閘MiCOM P220保護裝置都會接收到數次合閘信號。經檢查發現是保護裝置L1回路的斷路器輔助常開接點內有銹蝕，造成斷路器合閘時保護裝置L1回路多次通斷使保護裝置誤動。將斷路器輔助常開接點除銹后問題得到解決。 　　 　　運行一段時間又發現催化P2001C中壓給水泵電動機每次起動時起動次數保護也出現誤動作現象。用PC機將故障記錄調出發現，每次斷路器合閘MiCOM P220保護裝置都會接收到數十次合閘信號。檢查保護裝置L1回路的斷路器輔助常開接點未發現任何問題。經仔細檢查保護裝置L1回路，發現是該回路在高壓開關柜端子排上的一個螺絲松動，斷路器合閘時造成高壓開關柜上的端子排抖動，保護裝置L1回路數十次通斷使保護裝置誤動。將高壓開關柜端子排上的螺絲擰緊問題又得到了解決。 　　 　　從上述兩起故障可以看出，在綜合保護裝置運行中會發生機電式繼電器難以遇到的問題。因此，必須對綜合保護裝置的設計、安裝、整定、檢驗及運行管理方面有深入的了解，才能使綜合保護裝置得到更好地應用。 　　 　　結束語 　　 　　目前，我國石化企業在各種綜合保護裝置應用中，普遍情況是過分依賴綜合保護裝置銷售公司的技術人員，而這些技術人員又對石化企業的生產工藝、變配電系統及運行管理等方面不慎了解，僅能靠說明書參照機電式繼電器的保護功能整定，因此造成了綜合保護裝置的許多功能沒有得到充分利用，雖然目前的電氣規程對這些功能沒有明確的要求，但卻沒有將保護裝置唾手可得的功能物盡其用。望本文能夠為石化企業的電氣人員在MiCOM P220電動機保護裝置的應用方面提供一定的參考。