中性点直接接地系统中低压电动机接地保护配置原则的浅析
陈进1 杨涛2
（1鄂州供电公司检修公司2鄂州电力勘察设计有限责任公司湖北鄂州436000）
摘要：文章根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》及《电力工程电气设计手册１》中的规定和计算表格及曲线，分析了低压厂用电系统中性点为直接接地时，不同容量的电动机单相接地短路保护的实现方式，提出了经济、合理的配置低压电动机单相接地短路保护措施。
关键词：中性点接地；单相接地短路保护；相间短路保护
中图分类号：TM732 文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１4．07．０73
１概述
在火力发电厂厂用电系统的供电负荷中，低压厂用电动机的种类繁多、数量庞大，其重要性也各不相同，如何根据“厂技规”中低压厂用电动机的配置原则，经济、合理的配置低压厂用电动机单相接地短路保护，保证整个低压厂用电系统安全、可靠的运行，具有重要的现实意义。
本文结合“厂技规”的规定，重点分析了几种不同容量的低压厂用电动机的相间短路保护对单项接地短路保护的灵敏性，提出了低压厂用电动机在几种典型的配置接线方式下单相接地短路保护的实现方式。
２低压常用电动机单相接地短路保护的配置原则
“厂技规”第４１页、４２页完整地描述了低压厂用电动机的保护配置原则，其中对低压厂用电动机单相接地短路保护的配置原则作了明确规定，全文引用如下：
低压厂用电系统中性点为直接接地时，对容量为１００ｋＷ以上的电动机宜装设单相接地短路保护。
对５５ｋＷ及以上的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作接地短路保护；当不能满足时，应另装设接地短路保护。
保护装置由１个接于零序电流互感器上的电流继电器构成，瞬时动作于断路器跳闸。
３５５ｋＷ及以上的电动机的单相接地短路保护措施
根据“手册１”第３１０页的设备选择表，以下面的１组数据对５５ｋＷ及以上的低压厂用电动机的单相接地短路保护进行分析；电动机的额定功率Ｐｅ＝１１０ｋＷ，额定电流Ｉｅ＝２０１．９Ａ，起动电流Ｉｑ＝１４１３．３Ａ，所选电缆截面３×１８５，ΔＵ≤５％，允许长度为Ｌ＝２７７ｍ。
低压厂用电动机电流速段保护动作电流的整定值可根据《电力工程电气设计手册２》（电气二次部分）③（以下简称“手册２”）第２１５页的计算公式（２３－３）进行计算，即：Ｉｄｚ＝Ｋｋ·Ｉｑｄ＝２×１４１３．３＝２８２６．６Ａ（Ｋｋ为可靠系数，取２）。
根据“厂技规”第３２页９．１．１的规定，动作于跳闸的单相接地保护的灵敏度不小于１．５，当由相间短路保护兼作接地短路保护时，在电动机的出口单相接地的短路电流应不小于１．５×２８２６．６＝４２３９．９Ａ，以低压厂用变压器为干式变压器，其容量为１６００ｋＶＡ（Ｕｄ＝８％），根据“厂技规”第１３４页的关系曲线，当Ｌ≤５３ｍ时，Ｉｄ（１）≥４２４０＞４２３９．９，电动机的相间短路保护兼作接地短路保护时满足灵敏度的要求。
根据上面的分析，当低压厂用电系统中性点为直接接地时，对容量为１００ｋＷ以上的电动机，考虑到相间短路的整定值高，满足单相接地短路保护的灵敏性时供电距离短。
在实际的工程设计时，大量的供电距离稍远的１００ｋＷ以上的低压电动机，是应装设单相接地短路保护的，只有极少量供电距离很近的１００ｋＷ以上的低压电动机，其相间短路保护兼作短路保护时能满足灵敏度的要求，考虑到容量为１００ｋＷ以上的电动机本身的价值高、数量少，相间短路保护兼作接地保护时满足灵敏度要求的几率小，另外装设一套灵敏性高的
单相接地短路保护是值得的，因此规程规定“宜装设单相接地短路保护”。
对容量在１００ｋＷ以下、５５ｋＷ及以上的电动机，相间短路的整定值相对较低，满足单相接地短路保护的灵敏性的要求，是应装设单相接地短路保护的；而部分供电距离较近、容量在１００ｋＷ以下、５５ｋＷ及以上的低压厂用电动机，其相间短路保护兼作接地短路保护是能够满足灵敏度的要求，不必再装设单相接地短路保护。
考虑到容量在１００ｋＷ以下、５５ｋＷ及以上的低压厂用电动机数量较多，相间短路保护兼作接地保护时满足或不满足灵敏度要求的机会均等，为了减少投资，增加厂用电熊的供电可靠性，规程规定容量在１００ｋＷ以下、５５ｋＷ及以上的低压厂用电动机“可由相间短路保护兼作接地短路保护；当不能满足时，应另装接地短路保护”。
因此，在具体的工程实施中，建议对５５ｋＷ及以上的电动机，通过计算分析来确定是否安装单相接地短路保护，对于增强设计的合理性，减少设备投资，其益处是不言而喻的。
４５５ｋＷ以下的电动机的单相接地短路保护措施
对容量在５５ｋＷ以下的低压厂用电动机的单相接地短路保护，规程没有给出明确规定，根据“手册１”第３０６页、３０７页的设备选择表，以下面的１组数据对容量在５５ｋＷ以下的电动机的单相接地保护进行分析；电动机的额定功率Ｐｅ＝３７ｋＷ，额定电流Ｉｅ＝６９．８Ａ，启动电流Ｉｑ＝４８８．６Ａ，所选电缆截面３×５０，ΔＵ≤５％允许长度为Ｌ＝２３２ｍ。
根据上面介绍的计算方法，电动机相间短路保护的动作电流整定值Ｉｄｚ＝２Ｉｑｄ＝２×４８８．６＝９７７．２Ａ。
当由相间短路保护兼作接地短路保护时，在电动机的出口单相接地的短路电流应不小于１．５×９７７．２＝１４６５．８Ａ，以低压厂用变压器为干式变压器，其容量为１６００ｋＶＡ（Ｕｄ＝８％），根据“厂技规”第１３４页的关系曲线，当Ｌ≤９５ｍ时，Ｉｄ（１）≥１４８０＞１４６５．８Ａ，电动机的相间短路保护兼作接地短路保护时满足灵敏度的要求。
在实际的工程设计过程中，存在着大量的供电距离较远，容量在５５ｋＷ以下的电动机，其相间短路保护兼作接地短路保护时灵敏度不能满足规程的要求，下面将重点讨论这一类电动机的在电动机出口处发生单相接地短路时的短路电流。
假定单相接地短路发生在Ｂ相靠近电动机侧，取计算长度Ｌ＝２００ｍ。
根据“厂技规”第１０３页（Ｐ２）的计算公式Ｉｄ（１）＝Ｉｄ（１００）（１）×１００／Ｌ＝１３３４×１００／２００＝６６７，次计算电流为Ｂ相的单相短路电流，Ａ、Ｃ相的电流计算如下：
Ｂ相接地前、后，Ａ、Ｂ、Ｃ三相电源的相位和幅值均不发生变化电动机的输出功率维持不变，根据电动机各绕组间的电流、电压和他们之间的相角关系，可列出以下等式：Ｕ相·Ｉ１＋Ｕ相·Ｉ３＋Ｕ线·Ｉ２＝Ｕ相·Ｉ线＝Ｋ·Ｐｅ
Ｉ２＝Ｉ１
Ｉ１＝Ｉ３
式中：Ｋ为考虑功率因素和效率的系数求解上面的方程组，可以得出：
Ｉ２＝０．６Ｕ相·Ｉ线＝１．０４Ｉ线
根据向量图，结合余弦定理（ｃ２＝ａ２＋ｂ２－２ａｂｃｏｓφ），可以得出：Ｉａ＝Ｉｃ＝１．５３Ｉ线
计算结果表明：当在靠近电动机Ｂ相发生短路时，流过Ａ、Ｃ相的电流仅为额定工作电流的１．５３倍，流过Ｂ相的短路电流为Ｉｄ（１）＝６６７Ａ，为额定电流的９．５５倍，均小于电动机相间短路保护的动作电流整定值Ｉｄｚ＝９７７．２Ａ，此时，流过电动机绕组的最大工作电流为正常运行时的１．８０倍（１．０４Ｉ线）．
根据计算结果，对容量在５５ｋＷ以下的低压电动机，当其相间短路保护兼作接地短路保护，灵敏度不能满足规程的要求时，结合电动机不同配置接线方式，可以得出如下结论：（１）当电动机回路的保护设备由带磁保护的断路器（或者是熔断器）、热继电器构成、且热继电器安装在电动机附近时，如果单相接地短路发生在热继电器之前，同时电动机的单相短路电流无法使电动机的速断保护可靠动作（根据上面的计算结果，这种概率是很大
的），电动机将较长时间在Ｂ相接地的工况下运行（此运行时间将受短路点的位置、电动机的容量、电缆截面等的影响），极有可能烧毁电动机绕组。
如果单相接地短路发生在热继电器之后，电动机的单相接地故障将由热继电器（反时限曲线段）快速切除故障，对保护电动机具有积极的意义。
（２）当电动机回路的保护设备由带热磁保护断路器构成时，电动机的相间短路故障由断路器的磁保护来切除，而电动机的单相接地故障和过载则由断路器的热保护（反时限曲线段）来切除，此时，没有必要再配置热继电器。
（３）如果忽略接地电阻的影响，电动机Ｂ相接地运行时流过变压器中性点的零序电流将达到Ｉｄ（１）＝６６７Ａ。
如果低压厂用电系统已存在某１台电动机在Ｂ相接地的工况下运行却又不能及时切除故障点，而此时又有其他某台电动机在Ｂ相短路的条件下运行时，极有可能是流过变压器中性点的零序电流（其值在数值上等于两台电动机Ｂ相接地短路电流的和）大于其整定值（其值通常由躲过未装设接地保护的某台电动机的相间保护兼作接地保护的整定值决定）而使变压器跳闸，扩大了事故范围。