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文档简介

苎三:圣竺! ! 坚! 望篁墼皇! ! 垒至堡苎 摘要 感应电动机作为一种应用广泛的动力设备,其保护问题长期以来受到人们的 关注。近年来,随着计算机技术与自动控制理论的不断发展,出现了以微处理器 为核心的微机综合保护系统。这种新型保护系统与传统的保护系统相比,具有更 强大的逻辑分析与处理功能、故障记录与故障分析功能、易于实现网络化管理等 显著的优点,成为当前电机保护装置的主要发展方向。本文正是在这一背景下开 展对电机综合保护系统的研制和开发工作的。 本文首先采用对称分量法理论分析了电机的各种对称性故障和不对称性故 障,在应用中采用了负序和零序电流的检测方法,特别在过载保护上进行了深入 的研究。在此基础上实现了针对过载、堵转、短路、断相、逆相、相不平衡等故 障的保护。在对多种采样算法进行了深入研究的基础上,采用了半波傅氏算法与 m a n n m o r r i s o n 算法相结合的一种新型快速算法,这就保证了整个电机综合保护 系统在运行中的实时性和可靠性。 本文设计的电机综合保护系统以8 0 c 1 9 6 k c1 6 位单片机为核心,充分利用其 强大的信号处理能力,结合电机保护理论完成了具有故障诊断与保护功能的新型 电机综合保护系统的设计。 电机综合保护系统用总线芯片s p c 3 与8 9 c 5 2 构成一个p r o f i b u s 从站,通 过p r o f i b u s 总线技术使之与p r o f i b u s 主站构成通讯网络,使保护系统实现了 网络化。使之从传统意义上的单一的保护系统,发展成为集测量、控制、诊断、 通讯多功能于一体的新型电机终端单元。 本文最后对所研制的电机综合保护系统样机,进行了电机各种故障的实验, 实验结果较好地验证了其保护的安全性、实时性、可靠性。 关键词:电机保护;p r o f i b u s 总线;s p c 3 ;故障诊断;对称分量法 i i a b s t r a c t m o t o ri st h em o s tw i d e l yu s e dd y n a m i c eq u i p m e n ti na l lf i e l d s ,w h o s em e t h o do f p r o t e c t i o nh a sb e e np a y e dc l o s e l y a t t e n t i o nf o rm a n yy e a r sa l lo v e rt h ew o r l d n o w a d a y s ,a st h ef a s td e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n dc o n t r o lt h e o r y , an e wm e t h o do fc o m p u t e rc o m p r e h e n s i v em o t o rp r o t e c t i o nh a sa p p e a r e d ,w h i c hh a s m o r ep o w e r f u ll o g i ca n a l o s i sc h a r a c t e ra n df u n c t i o nc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rm o t o r p r o t e c t i o n a tt h es a m et i m e ,t h e s en e wm o t o rp r o t e c t i o n sc a nr e c o r da n da n a l y s et h e f a u l t s f u r t h e rm o r e ,t h e yc a nb ec o n n e c t e db yan e t w o r k ,f o rt h ep u r p o s eo fb e i n g e a s i l yc o n t o l l e d a n d ,t h i sd i r c t i o no fd e v e l o p m e n th a sb e e nt h em a j o rd i r e c t i o no f t h i sr e l m t h i sp a p e rb e g i n st h es t u d yo fc o m p r e h e n s i v em o t o rp r o t e c t i o nb a s e do n t h i sb a c k g r o u n d a tf i r s t ,t h i sp a p e ru s et h et h e o r yo fs y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o da n a l y s e v a r i e t i e so fs y m m e t r i c a la n da s y m m e t r i c a lf a u l t so fm o t o r , a n da d o p tt h em e a s u r i n g m e t h o do fn e g a t i v ea n dz e r os e q u e n c e e s p e c i a l l ys t u d yd e e p l yi nt h eo v e r l o a d p r o t e c t i o n t h ep r o t e c t i o ns y s t e mc a nd e a lw i t ht h ef o l l o w i n gm o t o rf a u l t s :h e a v y o v e r c u r r e n t ,o v e r u n d e r v o l t a g e ,o v e r - c u r r e n t ,c u r r e n tu n b a l a n c ep r o t e c t i o n ,r e p e a t e d s t a r t i n g s ,e a r t hf a u l ta n ds oo n a f t e ra n a l y s es e v e r a lp r o t e c t i o na l g o r i t h m s ,t h i sp a p e r a d o p tan e wf a s ta l g o r i t h m sw h i c hi sd e v e l o p e df r o mh a l fw a v ef o u r i e r ia l g o r i t h m s a n dm a n n m o r r i s o na l g o r i t h m s ,a n dw h i c he n s u r et h er e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m eo ft h e c o m p r e h e n s i v em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e m t h i sc o m p r e h e n s i v em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e mu s e s8 0 c19 6 k s16 b i t sm c ua si t s c p u ,m a k i n gf u l lu s eo fi t sp o w e r f u lc a p t u r ef u n c t i o nt oo u t s i d ee v e n ta n ds t r o n g a b i l i t yo ft r e a t m e n tt os i g n a lt od e s i g nan e wt y p eo fm o t o rp r o t e c t i v ed e v i c e t h i sc o m p r e h e n s i v em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e mc o n s t r u c tap r o f i b u ss t a t i o n u s i n g p r o f i b u s p r o t o c o lc h i p s p c 3a n d 8 9 c 5 2 u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f p r o f i b u sb u st ob u i l dac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ,m a k i n gi tf r o mt h et r a d i t i o n a l p r o t e c t i v ed e v i c ec h a n g e dt oan e wt y p eo fi n t e l l i g e n tm o t o rr e m o t eu n i tw h i c hh a v i n g t h ef u n c t i o no fm e a s u r e m e n t ,c o n t r o l ,f a u l td i a g n o s i sa n dc o m m u n i c a t i o n i nt h ep r o c e s so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ep r o t e c t i o ns y s t e m , m a n i f o l ds e l f - c h e c k e de r r o rw a y sa n da n t i - ja m m i n gm e a s u r e sa r ea d o p t e dt oe n h a n c e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ln e t w o r ks y s t e mr u n n i n ga tt h es p o t a f t e rt h ew h o l ed e s i g no ft h ep r o t e c t i o ns y s t e ma r ec o m p l e t e d ,t h es i n g l ea n d u n i t e dp r o t e c t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g n i i i 兰圭! 兰呈! 竺坚! 里篁竺呈! ! 堡垒堡竺 a t t a i n ss c h e d u l e dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t k e yw o r d s :m o t o rp r o t e c t i o n ;p r o f i b u sb u s ;s p c 3 ;f a u l td i a g n o s i s s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sm e t h o d 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文足本人在导帅的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均 已在文中以明确方式标叫。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 训奈吸 日期:) 砷6 年f 月f 7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索,町以采用影印、缩印或扫捕等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属丁 l 、保密:j ,存年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名:知i 套给 同期:栅许f 月f 罾口 导师签名:一一氰衣l 逆r 期:6 ) 年上月f 8 口 第1 章绪论 电机是工业生产和日常生活中广泛使用的电气设备,它将电能转换为机械能。 异步电机由于它的结构简单、成本低廉、维护方便等特点,同时它的机械特性能 满足大多数生产机械的要求,因此在工农业生产中被广泛应用。在电网的总负荷 中,约有6 0 以上是异步电机,以电力作为原动力的负荷中,有9 0 左右是异步 电机。以往由于每台电机容量不大,电机保护不为继电保护工作者所重视,保护 装置经常出现拒动而使电机烧毁,或者由于保护装置的误动跳闸,中断了生产过 程,影响产品的产量和质量。可以说,电机及其保护装置的正常运行与否,直接 关系到国民经济的健康发展和人民生活的和谐稳定,必须引起高度的重视。 随着电子技术的发展,出现了以微处理器构成的新型微机保护装置,它与传 统的保护装置相比具有以下优点: ( 1 ) 微机保护具有强大的计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能,可以 实现性能完善且复杂的保护功能; ( 2 ) 微机保护可以连续不断地对本身的工作情况实行自检,其数字元件的工 作不易受环境因素的影响,其工作的可靠性很高;微机保护可用同一硬件实现不 同的保护原理,这使得保护装置的制造大为简化,也容易实现保护装置的标准化; ( 3 ) 微机保护除了保护功能外,还兼有故障记录、故障分析、事件顺序记录 和调度计算机交换信息等辅助功能,这对简化保护装置的调试、事故分析和事故 后的处理等都具有重大的意义。 ( 4 ) 可通过计算机网络实现与其他设备之间的数据交换。这就使将电机的综 合护的信息纳入整个综合自动化系统成为可能。 ( 5 ) 维护调试方便,缩短维修时间。并且可依据运行经验,在现场修改保护 参数。 随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展,极大地促进了电机保护 系统的发展,其保护功能日趋完善,速度与可靠性越来越高。日前微机型电机保 护装置正逐步取代其它形式的保护装置,成为电机保护装置的主要形式与发展方 向。 1 1 电机的保护方式的发展 1 以热继电器为主的组合保护方式 中小型电机保护采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合。采用熔断 基十p r o f i b u s 通信的屯机综合保护 器及热继电器的电机保护是较为经济、简单的一种方式。熔断器与刀开关是使用 最早、最简单的保护方式。熔断器主要是用于短路故障或严重过载时保护供电设 备和供电网络的,实际上它对电机不起直接保护作用。当熔体熔断时,又往往会 造成电机缺相运行而烧毁许多人把熔断器的作用看作是保护电机,是一个概念错 误。现行的熔断器熔体截面选择按电机额定电流1 5 2 5 倍来选择是不符合实际 的。电动起动时受到5 7 倍大电流冲击,但因时间短,理论上是可以在熔体不熔断 的情况下通过熔体,但由于熔体在制造工艺、时效和安装上存在随机“缺陷”,在 电机起动时很容易发生部分相首先熔断,而使电机处于缺相运行,造成烧毁事故。 过载热继电器在保护电机过载方面具有结构简单、安装方便等优点,但也有 保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点,因而容易导致长期轻微过载运行 使电机绕组产生热累计,而使绕组绝缘老化造成电机损坏。但是热继电器对起动 过程中的电机不起保护作用,且环境温度对热继电器参数影响较大,不稳定。双 金属片整定方法粗糙,因为热继电器安装在电机壳外,一旦发生通风受阻、堵转、 长期轻微过载使电机绕组产生热积累等,热继电器就无法保护电机。原因是热继 电器串接在主电路中,与电机绕组温度无直接关系。另外热继电器本身是一个耗 能元件,在动作过程中要消耗较多的电能。而当热继电器真正起到保护作用动作 几次,其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏,不能继续使用,必须全 套更换川。 2 传统的电磁型保护方式 以反映故障前后电流量的变化为判据的电磁型保护曾得到广泛应用。目前我 国电网中,有一部分电机保护仍采用电磁型继电器为主的保护。如运行中的保护, 大多数为电流速断或定时限过流,另有相当数量的电机采用一次过电流保护。根 据异步电机的起动特性,为了使保护在电机起动时可靠不动作,这些保护的定值 都要躲过电机的启动电流来整定,这样定值要比本身额定电流大许多倍,这对电 机匝问故障、相间故障、堵转、转子鼠笼断条等故障均不能可靠动作,而只能保 护电源电缆和定子入口的一小部分,这就加重了电机的损坏程度,有不少电机在 故障切除后,烧毁的己无法修复。可见电磁型电机速断或定时限电流保护是牺牲 保护的灵敏性来提高可靠性的1 2 。 3 温度保护方式 决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。因此,任何规定的允许过负荷持续时 间,都应以绝缘发热为依据。而热保护( 热继电器) ,电流保护( 电磁型、电子式) 的本质,都是按照电机定子电流的大小规定允许过负荷时间的长短。然而,往往 有这样的情况,即电流尽管没有超过额定值,而电机的温度却达到了危险的数值, 需要把电机从电网断丌。由此看来,直接反映电机温度的保护具有一定的优越性。 温度保护是利用安装在电机内部的温度传感器来实现的。当电机达到一定温 2 硕士学位论文 度时,继电器动作断开电机的供电电路。此类保护的关键是在制造电机时,将传 感器直接放在电机绕组里,但究竟将其预埋于电机的哪一部位才能最全面有效地 检测电机绕组的温升,从而灵敏地切除故障,是不能确定的。比如说,温度传感 器预埋于a 处,而在远离a 处的b 处发生故障,传感器就有可能监测不到该处温度 的变化,从而延误保护动作的时间而使故障扩大。也就是说它的检测功能是局部 的。况且,由于传感器埋在电机绕组里,对传感器的维护检修就极为不便,必须 拆除电机本身才能对传感器进行检修。因此,温度保护的使用有着相当大的局限 性。 4 电子式保护方式 随着现代电子工业的发展,一批新型的电子式多功能保护应运而生。我国电 子式保护是由晶体管型发展至集成电路型的。其原理一般包含两方面:一是检测 电流值反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障;二是通过检测电机电压或 电流是否缺相来反应断相故障。以过流为目标的保护器从原理上分析有以下问题: ( 1 ) 不对称故障及不平衡运行状态,与对称故障或过载引起电机损坏的原因 是完全不同的。因为不对称故障或不平衡运行会出现负序电流分量,由此所引起 的负序效应会导致电机过热、转子振动等一系列问题。因此,若仍以过流为目标 构成保护器,则难以实现对电机的全面的监测和保护。 ( 2 ) 电机内部绕组故障,如匝间短路、单相( 两相) 接地等,这类故障一般是由 于环境较差,长期运行不当等原因引起的,起初这类故障往往都是局部的,并不 出现过流,但若不及时处理会导致事故扩大,等到故障大到出现足够大的过流信 号时,电机己经损坏,保护失去意义。 ( 3 ) 智能型电机保护器的保护方式,随着微电子技术和计算机技术的发展, 我国的电机保护技术也从机电式向智能化进行过渡,在电机保护装置中引入了微 处理器,加强了信号处理功能和通讯功能。这种智能保护器是在综合保护器的基 础上发展起来的,它可以同时对电机断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵 转、漏电等进行保护。它还拥有电流电压显示、故障记忆等功能。另外,智能化 电机保护器还可以与各种传感器配合进行在线检测保护。对电机的各种故障或早 期故障进行保护和判断,真正实现了智能检测和控制。当保护器与远程计算机实 现通讯后,它又有了遥控和遥测的功能,并且能够存储大量的数据,保护装置本 身的自动化性能也越来越高。此类保护器节能、动作灵敏、精确度高、保护功能 全、重复性好,代表了当前电机保护器的发展方向。 1 2 国内外电机保护理论的发展 1 电机常规保护理论 我国电机的常规保护方式一般采用热继电器型或电磁型的过电流保护。过流 基于p r o f i b u s 通信的电机综台保护 保护的基本原理是以电流幅值增加作为故障依据,从原理上只能反应对称故障, 对断相、接地、不平衡等不对称故障不能及时有效的保护。常规过流保护不能有 效的保护不对称故障的原因主要有两方面:一是各类不对称故障不一定出现明显 的过电流;另一原因是不对称故障对电机的危害不只表现在过流引起的过热效应, 更主要的是负序电流效应。负序效应会导致电机端部发热、转子振动、减小起动 力矩等一系列问题,这时仅以过流来反映故障严重程度显然是不够的。 2 基于对称分量法的电机保护理论 根据对称分量法理论,当发生不对称故障时,电机电流可分解为正序、负序 和零序电流分量,其中正序分量可以反映电机过流程度,负序分量和零序分量在 正常运行时没有或很小,因此若通过检测负序和零序电流分量来判别各类不对称 故障应具有很高的灵敏度及可靠性。根据此原理可构成电机的综合保护。进一步 还可发现,电机的各序电流分量及过流程度等故障信息的分布组合关系与电机的 故障类型之间具有较好的对应关系。根据这一关系,可以鉴别电机的故障类型, 判别故障原因,从而实现电机保护的智能化。 随着微机保护技术的成数以及在电力系统应用的日益普及,近年来国内外研 制了一系列微机型电机保护装置,基本原理都是基于以上对称分量法原理。由于 微机保护软件实现的灵活性,新一代电机微机保护的保护特性已经大大改善。凭 借微机智能化的优势,实现了具有故障诊断功能的电机智能化微机保护,可以提 供故障类型等信息,为事故分析提供了有力的工具。这一领域的最新发展趋势是 将电机运行状态的测量、保护、控制、通信集成于一体的微机型电机终端单元 3 】。 3 基于先进信号处理方法的电机保护理论 这是在原有的电机保护理论基础上,加强了信号处理的能力,使电机保护系 统变得更加准确化和更加快速化。从电流和电压中提取有用的电参量,这是学术 界与工程界一直研究的热点和难题。基于傅立叶变换的频增分析技术在电机故障 诊断中是研究较早的信号处理方法。但是傅立叶变换也存在故障时准确度下降等 缺点,于是又出现了许多改进的傅立叶变换的方法,本文所采用的采样算法就是 改良的傅立叶变换方法。 最新的频谱分析方法是小波分析理论。小波分析理论是在2 0 世纪8 0 年代中 期提出来的一种新型的时一频域分析工具,它作为一种先进的信号处理技术,给信 号加上一个时频窗口,根据频率自动调节窗口的大小,以确保捕捉到信号中得到 希望的有用成分。小波分析在时域、频域同时具有良好的局部化性质,因此比傅 立叶变抉及加窗傅立叶变换更为有效,特别适合处理具有奇异性、瞬时性的故障 信号。因此适合于处理电机故障特征信号,便于迅速捕捉异常状态以采取保护措 施。 4 硕士学位论文 1 3p r o f i b u s 总线介绍 1 3 1 现场总线概念 国际电工委员会( i e c ) 将现场总线定义为:现场总线是连接工业现场的仪表与 设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多变量和多节点的通信网络。 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ,f c s ) 的定义为:由各种现场仪表通 过互连与控制室内人机界面所组成的系统;一个全分散、全数字化、全开放和可 互操作的生产过程自动控制系统【4 1 。 1 3 2 现场总线的特点与优点 1 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统控制系统采用一对一的 设备连线,按控制回路分别进行连接。而现场总线系统采用数字信号代替模拟信 号,因而可实现一对电线上传输多个信号,同时又为多个设备提供电源,这就为 简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 现场总线系统由于采用了智能现场设备,能够把原d c s 系统中处于控制室的 控制模块、输入输出模块置入现场设备,加上现场设备具有通信能力,现场的测 量变送仪表可与阀门等执行机构直接传送信息,因而控制系统功能能够不依赖于 控制室的计算机或控制仪表,直接在现场完成,实现了彻底的分散控制【5 】 2 现场总线系统的技术特点和优点 现场总线系统在技术上有以下特点:系统的开放性、可互操作性与互用性、现 场设备的智能化与功能自治、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性【1 2 】 由于现场总线的以上特点,特别是现场总线系统结构的简化,使控制系统从设计、 安装、投运到正常生产运行及其检修维护都体现出优越性。它在实际应用中的优 点主要表现在以下几个方面:节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开 销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性【6 ,引。 1 3 _ 3 现场总线的发展 随着计算机功能的不断增强,价格急剧下降,计算机与计算机网络系统得到 迅速发展,使计算机集成制造系统的实施具备了良好的物质基础处于企业生产过 程底层的测控自动化系统要与外界交换信息,要实现整个生产过程的信息集成、 综合自动化,就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉 的通信系统,以实现现场自动化智能设备间的多点数字通信,形成工厂底层网络 系统,实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换【8 1 。现场总线就是 在这种背景下产生的。 基于p k o f i b u s 通信的电机综合保护 当初现场总线形成时设想还比较简单,只是想用一个开放的、独立于生产厂 家的多点数字通信系统代替4 2 0 m a 电流环标准,但随着技术的发展,现场总线技 术的内涵已被拓展。首先是功能转移,廉价的智能化现场设备的普及与基于现场 的微处理器及标准数字通讯链路的发展相互促进,促使简单的控制任务迁移到现 场,能够处理p 1 d 算法和控制逻辑的现场驻留微处理器接管了大部分简单任务。 其次是网络功能的增强,一些总线产品在其协议中除了实现物理层、数据链路层 和应用层外,还实现了网络层等,现场设备具备了网络寻址能力。控制系统中的 信息传递己不仅仅局限于现场设备和控制器之间,现场设备之间也能实现点对点、 点对多点及广播式多变量通讯,形成了所谓的控制网络。 在当前的工业应用中比较有影响的总线有以下几种:p r o f i b u s 、基金会现 场总线、l o n w o r k s 、c a n 、h a r t 。在本课题的研究中我们选择了p r o f i b u s 现 场总线实现了系统的网络功能。 1 3 4p r o f i b u s 概述 1 9 8 7 年西门子公司等1 3 家企业和5 家研究机构联合开发,1 9 8 9 年批准为德国工 业标准d i n l9 2 4 5 ( p r o f i b u s f m s d p ) ;1 9 9 6 年批准为欧洲标准e n5 0 1 7 0 v 2 ( p r o f i b u s f m s 、一d p 一p a ) ;1 9 9 8 年p r o f i b u s p a 批准纳入e n 5 0 1 7 0 v , 2 ; 1 9 9 9 年p r o f i b u s 成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分。目前有2 5 0 多家企业生产各种符 合p r o f i b u s 标准的产品,产品种类超过1 9 0 0 个。在世界范围内,p r o f i b u s 己有 2 0 多万个应用实例,有2 0 0 多万个p r o f i b u s 设备己安装运行【8 1 。 p r o f i b u s 由3 部分组成:即p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n , 现场总线报文规范) 、p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ,分散型外围设备) 和p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ,过程自动化1 。 ( 1 ) p r o f i b u s f m s 的设计旨在解决车间监控级通信任务,提供大量的通信服 务。可编程序控制器( 女w p l c ,p c 机等) 之间需要比现场更大量的数据传送,用以完 成中等传输速度进行的循环与非循环的通信服务,但通信的实时性要求低于现场 层。其应用层提供了供用户使用的通信服务,它包括现场总线信息规范及低层接 口( l l i ) 两部分。f m s 还提供网络管理功能,有由现场总线管理层第七层来实现。 其主要功能有上下关系管理、配置管理及故障管理等。 ( 2 ) p r o f i b u s - d p 用于现场层的高速数据传送。在这一级,中央处理器( 女 i p l c , p c ) 通过高速串行线同分散的现场设备( i o 驱动器、阀门等) 进行通讯,一般情况 下,d p 构成单主站系统,主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输 出信息。总线循环时间必须比主站( p l c ) 程序循环时间短。除周期性用户数据传输 外,p r o f i b u s d p 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信,以进行组态、诊 断和报警处理。 ( 3 1p r o f i b u s p a 适用于p r o f i b u s 过程自动化。p a 将自动化系统和过程控 制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来,并可用来替代4 2 0 m a 的 模拟技术。 一个典型的自动化系统应该是三级网络结构。基于p r o f i b u s d p ,p a 的控制 系统位于工厂自动化系统的底层,即现场级和车间级。而系统本身是面向现场级 和车间级的数字化的通信网络。其结构如图1 1 所示。 图1 1 现场级p r o f i b u s 总线结构 1 4 本课题研究的意义与主要内容 电机运行要求安全可靠,但是受自然条件、设备及人为因素的影响,使得电 机经常出现各种故障,从而运行在不正常的状态,缩短了电机的使用寿命,甚至 烧毁电机,严重影响生产的正常进行,造成了巨大的经济损失。基于这种情况, 就需要安装电机保护器,为电机提供完善的保护,降低电机不正常状态运行的次 数,避免像电机被烧毁这一类严重事故的发生。 微机保护是电机保护方式中较高水平的保护方式,与传统保护方式如热继电 器保护方式或者电子式保护方式比起来具有更强大的功能,更快速的反应,在安 全可靠性、灵敏性、速动性等方面都有很大的提高。由于它可以通过p r o f i b u s d p 总线接口实现网络互连,从而实现装置的网络化,使得装置具备了远程监控的能 基于p r o f i b u s 通信的电机综合保护 力。微机技术在电力系统继电保护上的应用,必将大大促进我国电机保护技术和 应用的发展。 本课题使用功能强大的1 6 位微控制器8 0 c 1 9 6 为硬件平台,使保护器具有高可 靠性,并保证了保护过程中的实时性和稳定性。在设计中将p r o f i b u s 总线通讯 技术应用于电机综合保护系统,实现了电机保护系统的网络化,使系统的集中管 理,集中控制成为可能。因此本课题设计的智能型电机综合保护器具有交好的工 程应用背景与广泛的推广价值。 本文的主要研究内容可以概括如下: ( 1 ) 在国内外电机故障诊断与保护方法研究的基础上,提出了基于p r o f i b u s d p 总线的电机微机保护装置的设计原理与方法。 ( 2 ) 在装置保护功能设计上主要实现了短路保护、热过负荷保护、不平衡保 护、接地保护、启动时间过长和堵转保护、低电压保护、过电压保护等。 ( 3 ) 采用8 0 c 1 9 6 k c 作为装置的核心部件,充分利用其强大的运算能力和逻辑 处理以及对外部事件的捕捉能力。与传统的保护装置相比较,本文设计的保护装 置具有更强的实时响应能力和更高的集成化程度。可在同一平台上实现多种保护 方案,功能上具有较强的可扩充性。 ( 4 ) 采用p r o f i b u s d p 总线构成通讯网络。充分利用p r o f i b u s d p 总线的特 点,使装置在具有保护与故障诊断功能的同时,通过通讯端口强大的通讯能力, 能够与其他设备进行数据交换,便于构成设备监控网络。 ( 5 ) 将设备故障诊断技术应用与电机保护装置中,使之从传统意义上的保护 装置,进一步发展成为将测量,保护、诊断、通讯功能集成于一体的微机型电机 终端单元。 硕士学位论文 第2 章电机保护的基本原理 电机保护原理的研究是保护系统性能高低的关键。传统的检测三相电流通过 算法得到其电流幅值,并与限定值进行比较,然后做出相应的处理的做法逐渐被 摒弃,而代之以对不对称故障判断更加敏感与准确的对称分量法。这是因为对称 分量中的负序分量和零序分量只有在电机发生故障的时候才会产生。下文将首先 对对称分量法进行简单的介绍,接着将对在对称分量法应用中的负序电流、零序 电流及电流的采样算法加以详细论述。 2 1保护原理 2 1 1 对称分量法 我们知道,三个不对称的向量可以唯一的分解成三组对称的向量( 即对称分 量) :正序分量、负序分量和零序分量。如果电力系统某处发生不对称短路,尽管 除短路点外三相系统的元件参数都是对称的,三相电路电流和电压的基频分量都 会变成不对称的向量。如果以i a ,i b ,i c 表示三相电流,i a o ,i a l ,i a 2 表示a 相 电流零,正,负序分量,由他们可以组成唯一的i n 。同理,i b 也可以分解成i b 0 , i m ,i b 2 ,i c 也可以分解成i c o ,i c l ,i c 2 。而其中,i a l ,i b l ,i c l 是一组对称的向 量,相位顺序为a 超前b 1 2 0 度,b 超前c 1 2 0 度,称为正序分量电流;i a 2 ,i b 2 , i c 2 也是一组对称的向量,但相序与正序相反,称为负序分量电流;i a o ,i b o ,i c o 也是一组对称的向量,三个向量大小和相位完全相同,称为零序分量电流。如果 电力系统某处发生不对称短路,尽管除短路点外三相系统的元件参数都是对称的, 三相电路电流和电压的基频分量都会变成不对称的向量。综上所述,即有 r 厶1 r l 口a 2 、r 厶 i , 2l = l1 2 d i i ,口l ( 2 1 ) ,一3f。l1 l 1 j l ,c 由式( 2 1 ) 可知,只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量。如果三相系 统是三角形接法,或者是没有中性线的星型接法,三相线电流之和总为零,不可 能有零序分量电流。只有在中性线的星型接法中才有可能存在零序电流。 另外要说明的是,在一个三相对称的元件中( 例如线路、变压器和电动机) , 如果流过三相正序电流,则在元件上的三相电压也是正序的,这一点从物理意义 上是很容易理解的;同理,如果流过三相负序电流或者是零序电流,则元件上的 电压降也是负序的或零序的。这就是说,对于三相对称的元件,各序分量是独立 基于p r o f i b u s 通信的电机综合保护 2 1 2 负序、零序电流分量的检测 目前,我国电动机的保护所采用的主要方法是基于对称分量法,即通过检测 三相电流中正序、负序和零序分量,作为电动机的故障判据。因为根据对称分量 法,电动机发生不对称故障时,其定子电流可以分解为正序、负序和零序电流分 量。其中负序或零序电流在电动机正常运行时没有或很小,一旦出现则表示电机 i f , 经出现了故障。比如,当三相负荷过大、启动时间过长或堵转等对称状态下的 非正常运行其表现为正序电流过大;定子绕组断相、局部短路、三相电源电压不 平衡等不对称故障有明显的负序电流过大的现象;定子绕组单相接地或绝缘破坏 时将产生零序电流。因此,利用负序和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高 的灵敏性和可靠性,再加之反应对称故障的检测电流幅值的方法,就可以构成能 含盖电动机在各种运行环境下所有的故障类型。下面将对负序电流和零序电流的 检测加以论述。 2 1 2 1 负序电流检测 负序电流分量可由如图2 1 的负序电流过滤器检测,它由二只电流互感器组 成。l h a 原边通过i a ,副边n 2 接电阻r ( 另一副边绕组n 5 为检测过流程度的开路 绕组,详见后述) ,l h b c 原边分别通过i b 和i c 副边接电容c ,其容抗为x c 。 按图2 1 所示的极性有: r 讥:丝r 厶 t 她矗, ( 2 t 2 ) 图2 1 中参数要求满足 丽n 2 肚4 掣v ,, x c ( 2 3 ) 13 负序过滤器输出抚为 眈= 讥觑= 瓮心一j - 等x c ( i e 一良) ( 2 4 ) 当原边通过正序电流厶- ,m 九- 时,负序过滤器u 2 ( 1 为: u ( j n 2 。r 厶- 一j + 丽n 4 屉( 一j 觑,) = ( 等r - 压瓮盟) 厶= 。 ( 2 5 ) 当原边通过负序电流厶:,i b z ,i c :,负序过滤器 为: 删= 等砒:一_ ,瓮觑( ,吼z ) = ( 瓮r + 压豢屉曲:= 2 仉 ( 2 6 ) _n 5+ u j j r r i c 图2 1 负序电流过滤器图2 2b 相断相时负序滤过器向量图 可以看出,负序过滤器只能通过负序电流分量。当电机正常运行时,三相电 流基本对称,负序电流分量基本为零,负序过滤器没有输出;而当发生断相等不 对称故障时,电流中出现很大的负序电流分量,负序过滤器因此产生很大的输出。 图2 2 为发生b 相断线故障时,负序过滤器的向量图( 注意此时有厶= 一l c ) 。 2 1 2 2 零序电流检测 零序电流过滤器如图2 3 所示,它由电流互感器l h o 构成。原边三个绕组分 别通过三相电流 ,厶,良,副边电阻r o ,零序电流过滤器输出为d o ,此时有: 讥=丝r。(厶+,s+,c)=3n6r。1n6 。 ( 2 7 ) 。 7 6 7 i h 0 - 、 i an 6 - _ 、 i bn 6 ,、 i cn 6 图2 3 零序电流过滤器 异步电动机中性点不接地,外壳要求安全接地。当电源中性点接地时,电动 机接地故障点经过电源中性点构成零序电流回路,零序电流较大,容易检测。而 电源中性点不接地时,零序电流只有较小的电容电流,应采用专用的零序电流互 感器进行检测。 h h 习 兰三竺2 1 1 1 坚! 望篁墼皇! ! 堡垒堡篓 2 1 3 常见故障保护 根据对称分量法,电动机发生常见故障的过电流、负序和零序电流的分布情 况如表2 1 所示。其中,假设单相故障时设a 为故障相;两相故障时设b ,c 相为 故障相;i 。表示故障前电流幅值;z i = i a + i b + h r 。 表2 1 电动机常见故障信息分布表 根据以上分析,电机发生对称故障时的主要特征是出现电流幅值增大,而发 生不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。根据这一理论,可以将 电动机的保护分解成三个部分,即过流保护、负序电流保护、零序电流保护,由 此可以基本覆盖电动机的所有常见故障类型,实现了真正的电动机综合保护。同 时,通过分析还可以发现,电动机的负序、零序电流分量及过流程度等故障信息 的分布组合关系与电动机的故障类型之间有很好的对应关系。根据这一对应关系, 可以鉴别电动机的故障类型,指示故障原因,从而实现了智能化的故障诊断。这 样结合其他故障特征可形成表2 2 所示的电动机常见故障诊断表,实现了智能化 电动机综合保护。 2 1 4 交流感应电机的过负荷保护 2 1 4 1 电机的发热与温升 感应电动机在运行时,总有一定能量损失,这些损失的能量将全部转变成热 能,使电动机本身温度升高超过周围环境温度。电动机温度比环境温度高出的值 就称为温升。 1 2 硕士学位论文 电动机本身是一个由多种材料组成的组合体,其发热情况比较复杂。但实际 测定表明,电动机的发热曲线与均质发热体的发热曲线只有较小的差别。为了便 于计算和分析,一般将实际电动机认为是一个均质发热体。这样,由传导学基础 可知,对于电动机的发热过程,其温度随时间成指数关系变化,如图2 4 中的曲 线s c 所示。 o r 图2 4 电机温升曲线 当时间t = o 时,电机的温度与环境温度相同,这时电动机产生的全部损耗都 用来提高电机的温度,所以电机温度上升很快。随着电动机温度上升的增加,它 与周围介质的温度差越来越大,散发到周围介质中的热量也逐渐增加,温升增加 变慢,直到散热量等于发热量时,电动机的温度就不再升高。这时,它所产生的 基于p r o f i b u s 通信的电机综合保护 全部热量散发到周围介质中,即达到稳定温升,则电动机将保持着一个稳定不变 的温升运行。从发热和温升的观点来看,电动机是可以短时过载而不致于被烧坏, 但是,电动机长时间的过负荷运行,将使电动机温升超过允许值,从而加速绕组 绝缘老化,甚至将导致电动机烧坏。所以对电动机来说,合理地模拟其定子的温 升特性,更好地反映电动机的过负荷能力,并对其进行针对性的保护就显得尤为 重要。 2 1 4 2 传统反时限过负荷保护方法及其存在的问题 感应电动机传统的过负荷保护大都具有反时限特性,即允许过负荷的时间与 其过负荷的电流大小有关,过负荷电流的值越大,允许过负荷的时间越短。过负 荷属于热保护,它与发热的温升有关。设电动机定子绕组在额定工况时流过的电 流为i 。,绕组的铜损为p 。,过负荷时电流增大到i 叭”而绕组的铜损由p 。增大为p 。, 则有肛= 磨r ,p 。,= 1 2r 。若铜损产生的热量毫无损失地储存在绕组中,也就是假 设电动机定子绕组温升过程为一绝热过程,那么根据电机原理,绕组的温度将按 指数规律由良上升到0 0 r ,在指数规律的线性段近似认为温度随时问t 线性上升。 则在a t 时间内绕组的温升为: a o :o o r 一仇:下( p o ”- p 8 ) a t :尝 角2 一i i a r ( 2 8 ) l ,

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