发电厂低压厂用电动机单相接地短路保护

李 辰，卢艳林

(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

1 概述

在火力发电厂厂用电系统的供电负荷中，低压厂用电动机的数量庞大，其重要性也各不相同。随着发电厂安全管理水平提高，人们对低压厂用电系统的单相接地保护保护日渐重视。我国发电厂低压厂用电系统大部分为中性点直接接地系统，一般情况下，可以根据DL/T 5153-2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》(下简称“厂技规”)的相关条例对电动机配置单相接地短路保护。“厂技规”8.7.1第2条规定：100 kW及以上电动机宜装设单相接地短路保护，对100 kW以下电动机，如相间短路保护能满足单相接地短路的灵敏性时，可由相间短路保护兼做接地短路保护；当不能满足时，应另装设接地短路保护。保护瞬时动作于断路器跳闸。但在电厂各个系统中，容量小于100 kW电动机数量众多，设计工作量很大。考虑到火电厂中55 kW以上的电动机数量较少且一般较为重要、装设接地保护投入费用不高，对55 kW以上的电动机均装设接地短路保护。但实际上，一些中小容量电动机往往由于工程需要，配电线路比较长，这种情况下单相接地短路电流比较小，采用断路器短路保护同样不能满足灵敏度要求。因此仅仅容量作为电动机是否设置接地短路保护存在一定的缺陷。

本文结合华能轮台(2×350 kW)热电联产工程输煤系统低压厂用电设计，基于ETAP软件的计算结果，提出低压厂用电动机的单相接地短路保护的较为理想的配置方式，从而提高厂用电系统短路保护的可靠性，经济性和合理性。

2 单相接地短路的危害及其保护

短路是电力系统的严重故障。所谓短路是指一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地的系统)发生通路的情况。在中性点直接接地的电力网络中，单相接地短路是短路中最常见的一种，约占全部短路故障的70%以上。当单相接地短路发生后，需要及早切断，不然可能发生线路绝缘烧损、设备过热损坏，系统电压下降等危险后果，从而影响企业的供电量指标和经济效益。综合考虑线路在接地短路时的热稳定承受能力、躲开电动机启动电流的影响、保护电器在小故障电流下的动作灵敏度以及线路的合理截面等因数，IEC标准将所有接地系统切断故障设备和配电线路干线的允许最长时间规定为5 s。

根据“厂技规”要求，低压厂用电动机回路应装设的短路保护有相间短路保护、单相接地短路保护等。这些短路保护，应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源。

3 单相接地短路保护实例

下面以轮台输煤系统低压厂用电为例进行分析，该工程低压厂用电系统中性点为直接接地系统，主厂房及辅助车间低压厂用电系统均采用动力中心(PC)和电动机控制中心(MCC)的供电方式。输煤系统分别设置两台输煤变(输煤变A，输煤变B)及两段输煤PC(PCA,PCB)母线,该系统中功率较大的电动机为输煤胶带输送机，运行方式为1运1备，均由输煤PC段直接供电，电源为三相电源。本文选取该工程PCB段中所接胶带输送机以及2号转运站MCC上含煤复用水泵的单相接地短路进行分析。输煤变压器参数见表1，电气接线见图1，各胶带输送机与含煤废水复用水泵的功率以及配电距离见表2。

表1 输煤系统变压器参数

图1 轮台输煤厂用电PCB段电气接线简图

表2 输煤系统主要设备配电参数

本文计算过程由ETAP软件完成，PCB段中所接胶带输送机以及2号转运站MCC上含煤复用水泵额定电流、启动电流，脱扣器瞬时整定电流结果，两相短路，单相接地短路电流计算结果见表3。

表3 额定电流，启动电流，脱扣器瞬时整定电流

4 接地短路分析

“厂技规”8.7.1规定，相间短路保护动作于跳闸的单相接地保护的灵敏系数不宜低于1.5。因此根据表3可得出上述电动机单相接地短路保护措施，满足相间短路保护兼作单相接地短路保护灵敏度要求的最小短路电流值以及保护措施见表4。

表4 满足要求的最小短路电流值以及保护措施

根据表4，当低压厂用电系统中性点为直接接地时，由于相间短路电流值比较大，其保护灵敏系数远大于1.5。故可用断路器本身的脱扣器作为相间短路保护。

对于100 kW以上的电动机单相接地短路保护，考虑到相间短路的动作值高，而单相短路电流要比相间短路电流小得多，相间短路保护一般满足不了单相短路保护灵敏性的要求。此外，考虑到电动机本身的价值和单相短路的几率，另加一套灵敏性高的单相接地短路保护也是值得的，因此规范8.7.1规定“宜装设单相接地短路保护”。但如本工程中4B胶带输送机结论所示，对于容量稍大于100 kW的电动机，当供电距离在200 m以内以及配电压降在5%左右时，其相间短路保护是可兼作接地短路保护的。

同理，由该表中2B、3A 胶带输送机(头部)的结论可知，在满足线路压降情况下，容量稍小于100 kW的电动机，当供电距离在200 m左右，相间短路保护同样是可兼作接地短路保护的。因此对于此种情况的电动机,需计算其单相接地短路电流值，当单相接地短路电流足够大并可以使其满足相间短路保护的灵敏度时，可不另装设单相接地短路保护装置。

而由含煤废水复用水泵的结论可知，对于容量在55kW左右的电动机，虽然瞬动的整定值相对较低，但由于其供电距离较长，其单相接地短路电流较小，仍有可能无法满足其灵敏性要求，因此需另外装设单相接地短路保护装置。

5 接地短路保护的配置

当电动机相间短路保护无法满足兼作单相接地短路保护的灵敏度要求时，可采用以下方式对电动机单相接地短路故障进行保护。

5.1 采用零序保护

本工程中对于1B胶带输送机和5B胶带输送机回路，由于其功率较大，满足相应的灵敏度要求较为困难，可用塑壳断路器+接触器+马达保护器+零序TA的接地短路保护方法，由马达保护器通过外接零序TA采集的数据实现单相接地短路保护,保护出口接点动作于塑壳断路器分励线圈跳闸。

5.2 采用自带漏电(剩余电流)保护模块的塑壳断路器

漏电(剩余电流)保护是检测三相电流加中性线电流并得到其向量和。当没有发生单相接地故障时，无论三相负荷平衡与否，此向量和为零；当发生某一相接地故障时，故障电流会通过保护线PE或大地返回电源侧，此数值为故障电流。根据该原理，漏电保护一般用在TN-C-S系统，如电厂低压照明、检修回路。但对于采用三芯动力电缆的电动机回路，漏电保护模块仍可使用。这是因为对于电动机来说，其外壳及接地端子通过扁钢与厂内接地网可靠相连，而在开关柜侧，开关柜外壳与PE排同样与该地网可靠连接。因此当单相接地短路故障发生之后，短路电流可由该通路返回电源侧，漏电保护模板仍可以进行动作。只是对于电动机回路来说，剩余电流保护与零序保护的原理相同，检测的是三相电流的矢量和。

对于本例中1B与5B胶带输送机回路，可以采用三极开关加漏电保护模块实现电动机单相接地故障保护，选型时要注意漏电动作电流整定范围应可以躲过电动机启动时的不平衡电流,否则将会造成漏电保护误动作。相关参数的整定方法可参见文献。而通过该方法实现单相接地短路，不仅安装方便，投资小，同时可靠性高。

5.3 采用带接地保护功能的电子脱扣器

如今很多断路器厂家部分型号的电子脱扣单元带有接地短路保护功能，因此可采用配有该型号脱扣单元的塑壳断路器实现电动机的接地保护。但由于电子脱扣器实现接地保护一般采用的是三相电流矢量和滤过方式，无零序电流互感器，因此其单相接地保护动作电流应该躲过电机启动时，由三相电流互感器误差不一致而产生的不平衡电流。

对于本例中的5B胶带输送机回路，断路器额定电流为400 A。电机启动时不平衡电流：3I0.0P=1.0Ie=320 A。以施耐德公司Micrologic6.E-M电子脱扣器为例，当断路器额定电流In＞50 A，接地故障整定电流整定范围为：(0.2～1)In=80～400 A。因此电子脱扣器整定范围满足大于不平衡电流的整定要求，故可以用该电子脱扣单元实现单相接地短路保护故障。

5.4 其他保护方式

在接地短路电流达不到相间短路保护兼作单相接地短路保护的灵敏度时，如果满足下列几种条件时仍可不用另外装设单相接地短路保护装置。

5.4.1 电机采用软启动或变频启动

电动机直接启动时，其启动电流一般为额定电流的6～8倍，为躲过电动机该启动电流，断路器瞬时脱扣整定电流比较大，从而导致该电动机回路的断路器脱扣器灵敏度较低。与直接启动相比，电动机可采用通过软启动或变频启动等方式来降低电动机的启动电流。从而降低断路器瞬时脱扣整定电流，提高断路器脱扣器灵敏度。

本工程含煤废水复用水泵由于工艺要求装设有变频器。根据变频器厂家资料，变频器本体配有电动机接地短路保护，故在开关柜内不需重复配置该保护，同时断路器脱扣器的整定电流值应考虑变频器对电动机启动电流的影响。

同样在一些工程中，胶带机配有软启动装置。对于这类胶带机回路，由于软启动装置可以将电动机启动电流限制在其额定电流的4倍以下，因此其回路的断路器脱扣器瞬动电流整定值可以相应减小，从而使相间短路保护满足兼作单相接地短路保护的灵敏度要求。

而随着CST(可控传输启动装置)逐渐运用于电厂大容量的胶带机中，由于CST可以使胶带机按照设定的速度曲线平稳启动，启动电流也得以有效的降低。故对于这类电动机，也可相应减小其回路断路器脱扣器瞬动电流的整定值。如表4中的5B胶带输送机回路，在装设有CST装置时，其断路器脱扣器瞬动电流整定值可由原来的4.536kA整定至小于其单相接地短路电流的4.443A。从而使相间短路保护可兼作单相接地短路保护而不用另外装设单相接地短路保护装置。

5.4.2 减少短路点的总阻抗增加短路电流

(1)加大电缆截面

如示例中，对于无法通过相间短路保护实现单相接地短路保护的3A胶带机(尾部)和含煤废水复用水泵回路，将电缆截面分别改大后，通过ETAP短路电流计算结果见表5。

表5 增大电缆截面后的短路电流

由表5知，当增大电缆截面时，本例中3A胶带输送机(尾部)和含煤废水复用水泵回路短路电流相应增加并满足用相间短路保护兼作单相接地短路保护的灵敏度要求，同时线路电压损耗也会相应减小，供电质量相应提升。但增加电缆截面意味着增加投资，因此当电动机回路正常工作满足线路压降小于5%的要求时，不建议采用增加电缆截面的方法来提高接地保护的灵敏性。

(2)减少配电线路距离

如示例中，将含煤废水复用水泵回路由输煤PCB段改至1号转运站MCC进行供电，由ETAP软件计算的短路电流结果见表6。

由表6知,当含煤废水复用水泵回路与直接供电的MCC间配电距离减小时，即使其与PC间配电距离不变，在线路压降减小的同时，其短路电流增大，满足用相间短路保护兼作单相接地短路保护的灵敏度要求。因此在工程条件允许情况下，应尽量减少电动机负荷与直接供电的MCC或PC间的配电距离，一方面提高供电质量，另一方面增加短路保护的灵敏性。

表6 增大电缆截面后的短路电流

6 结语

综上所述，在电厂众多小于100 kW的低压电动机中，建议对于供电距离较远(大于400 m)的中小容量(55 kW左右)电动机以及供电距离大于200 m的大容量(90 kW左右)电动机，宜通过计算相间短路保护是否满足单相短路保护灵敏性的方式来决定是否另外配置单相接地保护装置。配置单相接地保护装置时，需根据该电动机所在回路的具体情况采用适当的单相接地短路的措施，从而有效的增强该电动机回路的安全性，可靠性，合理的减少设备投资。

对于供电距离小于400 m 的中小容量电动机或供电距离小于200 m的大容量电动机回路，一般来说相间短路保护可以满足单相短路保护灵敏性，固不需要另外配置单相接地保护装置。

对于装设有软启动装置的低压电动机，可以适当减小其断路器瞬动电流整定值，从而使其相间短路保护满足兼做单相短路保护的灵敏性要求。