摘要： SPAM 150C电动机综合保护控制装置是ABB公司的综合保护装置之一，不但具有常规的过负荷、电流速断及不带方向接地故障保护，而且具有不平衡及逆相序等保护，比较适合作为石化企业电动机的保护。本文根据对SPAM 150C电动机综合保护控制装置的实验摸索和理论研究，在设计、安装、整定、检验及运行管理方面做出了较为详细的叙述，并提供了一些石化企业应用的数据，为该保护装置应用提供了一定的实践经验。
关键词： 电动机 继电保护 石化企业
Abstract TheSPAM 150C Motor Protection Relay, one member of the ABB Protection Relays’ family, has not only the common overcurrent and overload protection and non-directional earth-fault protection, but also the phase unbalance & single-phasing protection with inverse time characteristic, and the fast operating incorrect phase sequence protection motor protecting functions. Therefore, it is very practical in petrochemical enterprises. After the writer’s experiments and theoretical studies, this paper gives out the detailed narrations of the SPAM 150C Motor Protection Relay in the designing, installing, setting, verifying and operating. This paper also provides some useful data for utilizing the relay in the petrochemical enterprises and some practical experiences of the applications.
Keywords Motor, Protection Relay, Petrochemical Enterprise
引言
电动机是石化企业的主要用电设备，如何用综合保护装置在确保生产操作安全的基础上，对电动机的电气及机械部分进行全面地保护是电气技术人员需要认真解决的问题。
SPAM 150C电动机综合保护装置是应用的较早电动机综合保护装置之一，与MiCOM P220电动机保护装置[1]一样，该保护装置也比较适合作为石化企业160～1800KW中压电动机的保护。SPAM 150C电动机保护装置可以用于实现单相、两相或三相电流速断及/或过载保护和不带方向接地故障等保护的应用中。虽然在某些功能及免费软件等方面不及MiCOM P220，但由于价格等优势，SPAM 150C目前还是在石化企业应用的很广泛。
SPAM 150C电动机保护装置设计安装
在设计安装前必须认真阅读ABB提供的《SPAM 150C电动机保护装置用户手册和技术说明》。在设计安装时应当注意：
- 保护装置辅助电源的电压范围，并应将其接到61-62端子上，对于直流辅助电源，正极应接到端子61上；
- 由于保护装置的辅助电源丧失可引起保护装置的部分数据丢失，因此保护装置的辅助电源应与电动机控制电源分开控制，而且各控制元件应分开布置（例如分别布置在端子排的两端）以防误操作；
- 由于过负荷电流Iq整定的范围是0.5...1.50×In。当电动机额定电流小于电流互感器的45%In时，应考虑增加升流器或更换电流互感器；
- 应当注意各相电流和零序电流输入的极性，如极性错误将引起保护装置误动；
- 应当注意控制输入10-11不同的使用方法。通常宜接入低电压保护回路；
- 断路器合闸闭锁应接在74-75端子上；
- 宜将事故预报接在80-81端子上，事故报警接在68-69端子上；
- 保护装置的外壳及63端子必须可靠接地；
- 跳闸输出应接到65-66端子上；
- 总线连接模块接到保护装置后面板上标有SERIAL PORT的D型接插件上。光纤电缆接到总线连接模块的Tx和Rx接插件上。总线连接模块上的通信方式选择开关设定在“SPA”位置；
- 保护装置的安装高度不宜高于1.8米以便观察数据及整定检验；
- 安装时必须严格按设计图配线。
SPAM 150C电动机保护整定
过负荷电流整定值计算公式：
Iq= KrelIrM / IpIn（1）
式中：
Krel—可靠系数，通常取1.05～1.10，在石化企业中电动机多为防爆电动机[2]，为确保生产装置的连续运行宜取1.05。
IrM—电动机额定电流值，A；
Ip—电流互感器一次电流，A；
In—电流互感器二次侧和继电保护装置的额定电流值，A。
考虑到石化企业中的多数电动机均参加再起动[3]，根据电动机起动时间，从过负荷的热状态保护曲线中选择t6x整定值。在石化企业中起动时间t6x通常整定为：负载是普通机泵时取t6x = 22秒；负载是风机时取t6x = 30～66秒。
因石化企业中的多数电动机都采用直接起动方式，加权系数p值一般设为50％。
在石化企业中热预报警qa通常可整定为90%，重起动禁止qi可整定为60%，冷却时间常数kc可整定为6。
电动机起动倍数整定值计算公式：
Is/ In = Is/ Ip（2）
式中：
Is—电动机起动电流，A。
在石化企业中起动时间ts整定通常是：负载为普通机泵时取ts = 6秒；负载为风机时取ts = 8～16秒。
石化企业中电动机电流速断保护适用的整定值为：
I>> = 1.5 Is / Ip（3）
t>> = 0.04 s，应该检查整定值I>>是否低于电流互感器饱和电流极限值的90%，且电动机端子上最小三相故障电流的1/3。
在石化企业中接地故障保护通常动作于事故预报。宜采用专用的零序电流互感器来测得接地故障产生的零序电流。对于中性点不接地系统可采用试验的方法确定整定值。
在零序电流互感器一次加1A电流，从前面板I0菜单下读出显示器数据即为I0的整定值。如整定值小于1%，可将中线电流输入端子25-26改为25-27，即由中线电流输入5A改为1A。接地故障保护的动作时间通常为t0 = 0.5 s。
不平衡保护是一个单相保护和反时限电流不平衡保护。通过监视最大和最小相电流检测到电动机的不平衡。
△I = 100%×(ILmax－Ilmin)/ILmax（4）
式中：
ILmax—最大相电流，A；
ILmin—最小相电流，A。
石化企业中不平衡保护通常也动作于事故预报，考虑到补偿电容器及其它电子设备等影响，整定值为负序电流灵敏度15%，因此，取△I = 26 %，t△ = 20秒。
从电动机运行管理等方面考虑，在石化企业中不宜采用欠电流保护功能。
在石化企业中，当电动机负载为普通机泵时，考虑电动机起动在2小时内最大可以起动3次，取?tsi = 12秒，D?ts = 3 秒/小时；当电动机负载为风机时，考虑电动机起动在4小时内最大可以起动3次，取?tsi = 16～32秒，D?ts = 2～4 秒/小时。
各种应用中要求的附加功能可用前面板上给出的开关组SGF，SGB，SGR1和SGR2来选择。另外，电动机保护装置还含有软件开关组SG4，它位于寄存器A的子菜单4上。当设定这个开关组时，将指示出开关的编号，1...8，和开关位置0和1。在正常操作中只给出检查和。
开关组SGF的选择器开关用来定义保护装置的某些功能，并用SGF/1到SGF/8来表示。
用开关SGF/1可以选择电流速断I>>是否使用。石化企业的中压电动机的控制开关均为断路器，因此，应设定SGF/1 = 1。
用开关SGF/2可以选择电流速断I>>是否使用自动双倍功能。在SPAM 150C内，当相电流在60ms内从0.12×Iq升高到超过1.5Iq时的状态被定义为电动机起动状态，当电流回落到1.25Iq以下时，被定义为电动机起动状态结束。当使用自动双倍功能时，通常整定I>> = 0.75Is。在距电动机较近的供配电系统发生短路时，电动机将向短路点馈出短路电流，馈出电流的幅值和维持时间与短路的形式及电动机至短路点的电气距离以及电动机的负荷率有关。如果发生的是近距离金属性短路，电动机的馈出短路电流约是Is。因此，将导致电动机电流速断保护误动。图－1为催化轻柴油泵6KV，220KW，IrM=26.3A电动机起动电流波形，图－2为该机发生近距离短路时馈出的短路电流波形。另外，在石化企业中，多数电动机均参加再起动，如供配电系统发生瞬时失压[3]，电动机电流在高于0.12×Iq时再起动，自动双倍功能的使用也会使电动机电流速断保护误动。因此，在石化企业中不应使用电流速断保护自动双倍功能，即SGF/2应设定为0。
图－1电动机起动电流波形
图－2电动机馈出短路电流波形
禁止在过电流状态下接地故障装置动作。在这种情况下，根据这两个开关的选择可以禁止接地故障装置在相电流超过4倍、6倍或8倍满载电流Iq 的情况下动作。由于石化企业中压电动机的控制开关均为断路器，因此，SGF/3和SGF/4均应设定为0。
如使用相电流不平衡保护应将SGF/5设定为1。
通过开关SGF/6可以选择是否使用逆相序保护。该保护动作后，操作指示灯和输出保护装置的状态与相电流不平衡保护相同。
通过开关SGF/7可以选择堵转保护的动作方式，如SGF/7设定为0，即采用定时限堵转保护；如SGF/7设定为1，则采用反时限堵转保护。在石化企业中通常SGF/7设定为1。
在石化企业中不宜采用欠电流保护功能。因此SGF/8设定为0。
石化企业常用功能编程开关组SGF设定表
开关 | 设定 | 加权值 |
SGF/1 | 1 | 1 |
SGF/2 | 0 | 2 |
SGF/3 | 0 | 4 |
SGF/4 | 0 | 8 |
SGF/5 | 1 | 16 |
SGF/6 | 0 | 32 |
SGF/7 | 1 | 64 |
SGF/8 | 0 | 128 |
SGF设定值检查和 | 81 |
开关组SGB的选择开关用来定义保护装置外部控制输入的某些功能，分别用SGB/1到SGB/8来识别。
当电动机为增安型并安装了速度开关时，应设定SGB/1 = 1，通常应设定SGB/1 = 0。
当电动机组成机群再起动时，由外部控制再起动过程时，应设定SGB/2 = 1，通常应设定SGB/2 = 0。
当电动机采用软起动器起动时，为防止在起动过程中不平衡及接地故障保护误动作，应将SGB/3 = 1，SGB/4 = 1。
如果SGB/5 = 1，即输出保护装置A可执行外部跳闸命令。
通过设定SGB/6 = 1可完成外部手动复位。
当SGB/7 = 1时，在短路、接地故障或不平衡跳闸后，闭锁输出保护装置A。
SGB/8也是闭锁输出保护装置A，而且与发生跳闸的原因无关。
石化企业常用闭锁和控制输入选择器开关组SGB设定表
开关 | 设定 | 加权值 |
SGB/1 | 0 | 1 |
SGB/2 | 0 | 2 |
SGB/3 | 0 | 4 |
SGB/4 | 0 | 8 |
SGB/5 | 1 | 16 |
SGB/6 | 0 | 32 |
SGB/7 | 0 | 64 |
SGB/8 | 0 | 128 |
SGB设定值检查和 | 16 |
SGR1和SGR2开关组的开关用于把要求的输出信号与相应的输出保护装置相连。这些开关分别用SGR1/1...SGR1/8和SGR2/1...SGR2/8来标识。
选择器开关组SGR1
石化企业常用选择器开关组SGR1设定表
开关
设定
加权值
SGR1/1
1
1
SGR1/2
0
2
SGR1/3
0
4
SGR1/4
0
8
SGR1/5
1
16
SGR1/6
1
32
SGR1/7
0
64
SGR1/8
0
128
SGR1设定值检查和
49
选择器开关组SGR2
石化企业常用选择器开关组SGR2设定表
开关
设定
加权值
SGR2/1
0
1
SGR2/2
0
2
SGR2/3
0
4
SGR2/4
1
8
SGR2/5
1
16
SGR2/6
0
32
SGR2/7
0
64
SGR2/8
0
128
SGR2设定值检查和
24
开关组SG4设定
石化企业常用选择器开关组SG4设定表
开关
设定
加权值
SG4/1
0
1
SG4/2
0
2
SG4/3
0
4
SG4设定值检查和
0
SPAM 150C电动机保护装置检验
技术部门应提供的定值和检验数据
技术部门应提供的定值数据如下：
Iq—过负荷电流整定值，In；
t6x—最大安全停车时间，秒；
p—加权系数，%；
qa—热预报警，%；
qi—重起动禁止，%；
kc—冷却时间常数；
Is/In—电动机起动倍数整定值；
ts—电动机起动时间整定值，秒；
I>>—电流速断整定值，In；
t>>—电流速断动作时间，秒；
I0—接地故障电流整定值，In；
t0—接地故障保护动作时间，秒；
DI—不平衡保护整定值，%；
tD—不平衡保护动作时间，秒；
?tsi—起动闭锁计时器整定值，秒；
D?ts—起动时间计时器递减率，秒/小时；
SGF—功能编程开关组；
SGB—闭锁和控制输入选择器开关组；
SGR1，2—输出编程开关组。
技术部门可为检验人员提供的检验数据如下：
Is_verify—电动机起动电流检验值，A；
tcool—电动机冷态起动检验时间，秒；
thot—电动机热态起动检验时间，秒；
I0.95>>—电流速断0.95倍整定值，A；
I1.1>>—电流速断1.1倍整定值，A；
DILmax—不平衡最大相电流，A；
DImin0.95—不平衡0.95倍最小相电流，A；
DImin1.1—不平衡1.1倍最小相电流，A。
由于需要提供的检验数据较多，宜采用计算机程序（例如EXCEL）计算。
检验前的准备
在检验前请务必检查输入的电流是否与相应端子的要求相符。在整定记录上写入相和零序电流互感器的参数值。为SPAM 150C保护装置供电。给保护装置的每个电流输入端加入电流，在显示器上检查数值是否正确。检验各动作值与整定值是否相符，并将检验结果写入检验报告中。
过负荷电流整定值检验
电动机起动电流检验值通常取：
Is_verify = Is/KiA（5）
式中：
Ki—电流互感器变比。
当Krel取1.05时，电动机冷态起动检验时间：
tcool = 32 t6x ln((Is/In )2/((Is/In )2-1.1025))秒（6）
当Krel取1.05时，电动机热态起动检验时间：
thot = 32 t6x ln(((Is/In )2 - p/100*(Ip/Iq)2) /((Is/In )2-1.1025))秒（7）
式中：
Ip—预先长期负荷电流，In。
断开保护装置电源，同时按RESET/STEP与PROGRAM按钮，建立冷态0％过负荷，注入Is_verify电流直至tcool秒保护装置有跳闸输出，立即合上断路器，此时Ip约等于Iq，再注入Is_verify电流直至thot秒有跳闸输出。作为参考现给出，Is/In = 6.5，p = 50%，电动机起动检验时间tcool与thot：
t6x
22
30
45
60
tcool
18.6
25.4
38.1
50.8
thot
10.2
14.0
20.9
27.9
电流速断保护检验
直接注入I0.95>>电流，然后检查保护装置在t>>时是否没有跳闸输出，然后再注入I1.1>>，检查是否在t>>时有跳闸输出，逐渐减小注入电流，注意记录电流降至多少时I>>信号可复归。
接地保护检验
在零序互感器一次直接注入0.95 A的电流，然后检查保护装置在t0时是否没有动作。然后注入1.1 A的电流，检查保护装置在t0时是否有报警动作。逐渐减小注入电流，注意记录电流降至多少时Io信号复归。
不平衡保护检验
做该检验时必须使用可同时产生两相或三相电流的试验仪器。
不平衡最大相电流DILmax通常取电动机的额定电流，即
DILmax = IrM/Ki（8）
不平衡0.95倍最小相电流为：
DImin0.95 = (1-0.95DI/100) DILmax（9）
不平衡1.1倍最小相电流为：
DImin1.1 = (1-1.1DI/100) DILmax（10）
当DI = 26 %，DILmax = IrM/Ki时，DImin0.95 = 0.753IrM/Ki，DImin1.1 = 0.714IrM/Ki 。
在保护装置的两相分别注入DILmax和DImin0.95，然后检查tD时后是否没有报警动作。然后再分别注入DILmax和DImin1.1，检查在tD时是否有报警动作。逐渐增大DImin1.1，注意记录电流增至多少时DI信号复归。
低电压保护功能检验
向控制输入10-11加入有源开关量，然后检查保护装置是否有跳闸输出。取消控制输入检查输出保护装置是否仍然保持动作。通过清除报警信息复归保护装置跳闸输出。
SPAM 150C电动机保护装置运行管理
人员培训及说明
在SPAM 150C保护装置安装运行前应对有关技术人员、检验人员及电工班长进行培训，还要对操作及维护人员讲解操作要求，对于该保护装置新功能也应对有关领导说明。
运行维护与修理
保护装置实际上是不需要维护的。在正常操作条件下不会有物理和电气方面的损坏。如果保护装置工作现场周围的大气中含有化学活性物质，应定期将保护装置模块从壳内抽出进行检查。在拆卸模块之前一定要保证你与设备有相同的静电电位，可摸一下保护装置的外壳。在目检中要注意下面几个方面：
保护装置模块、触点和保护装置外壳有没有损坏的痕迹；
保护装置盖或壳内是否有灰尘堆积，如果有应将其吹净；
去除端子、外壳及保护装置内部的锈点或蚀痕。
SPAM 150C与MiCOM P220的差别
过负荷保护整定范围
在石化企业装置变电所中，为了满足电流互感器动、热稳定的要求，一次电流最小只能选100A，而许多6KV电动机的容量为200～280kw的Iq整定值均应在0.5以下。此时SPAM 150C无法满足要求，只能采用升流器或加强型电流互感器，这又增加了工程投资，而MiCOM P220的Iq整定范围是0.2～1.5In完全可以满足此要求。
过负荷保护整定方式
SPAM 150C的运行Iq为单条曲线，而MiCOM P220的Iq是在2Iq分开的运行与起动双条曲线，运行曲线可通过小于2Iq的Te1整定，起动曲线可通过大于2Iq的Te2整定。Te1可以小于Te2，也可以大于Te2，当Te1 = Te2时Iq为单条曲线。MiCOM P220在计算中引入负序分量，这使得Iq的计算更接近实际电动机的发热。
电动机起动检测方式
在SPAM 150C内，电动机起动的状态是靠电流的升降速度判定的，因此，电动机运行时不会出现不能判定运行状态的现象。在MiCOM P220中电动机的运行状态是通过L1输入回路检测的，如该回路出现断路故障，即不能判定电动机已运行。此时，超时起动和转子堵转保护将失效，而热过负荷状态保护的动作时间也只能按Tr时间常数动作，由于Tr远大于T1与T2，因此使热过负荷保护基本失效。MiCOM P220宜设有专用的断路器合闸指示灯以监视合闸回路的完整性。
除了上述几点差别外，两者还在堵转保护的动作方式、丧失辅助电源后保护装置对热复制的处理以及故障指示等多方面均有所不同，这里就不赘述了。
结束语
目前，SPAM 150C电动机保护装置已在我国石化企业中得到了广泛的应用，但对设计、安装、整定、检验及运行管理方面缺乏深刻的认识，望本文能够为石化企业的电气人员在SPAM 150C电动机保护装置的应用方面提供一定的参考。
参考文献
潘飞，P220电动机保护装置在石化企业的应用，电气&智能建筑，2005（1）
《SPAM 150C电动机保护技术指南》，1999年3月
潘飞，大型石油化工企业供配电系统，电工技术杂志，2003（12）
潘飞，电动机再起动技术，电工技术杂志，2004（3）
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