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电动机智能保护器的研究与设计 摘要 本论文主要对电动机的保护部分进行了设计研究。用对称分量法对电动机 的各故障进行分析，把电动机的故障分为对称性故障和不对称性故障。指出传 统的基于相电流过流作为故障保护判据的不足，而采用电动机定子过流程度和 电流的负序、零序分量作为故障判据，能够对电动机的各种类型故障进行有效 可靠的保护。基于电动机的特性，建立了拟合电动机温升且具有热记忆的过载 保护模型，并给出了基于该模型的数字式算法。 数据的采集部分采用的是交流采样。通过两点乘积法和傅氏算法计算真有 效值的比较，可以看出傅氏算法计算速度较两点乘积法慢，但由于傅氏算法具 有较强的谐波抑制能力，在故障和波形畸变情况下可获得较高的计算精度。 软件采用模块化的程序设计，模块化编程使程序开发更有效，小块程序更 容易理解和调试。程序采用c 和汇编语言混合编写，c 编写软件的调度程序及 速度要求不高的控制部分；而用汇编语言对速度敏感部分提供最高速度的处理 模块，供c 调用。这种方法提供了最佳的软件设计方案，做到了兼顾速度和效 率。 另外，为使保护装置可靠的工作，本系统从软件和硬件两方面进一步考虑 系统的抗干扰能力，以便得到更高的可靠性。 关键词：故障保护对称分量法真有效值可靠性 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ei n t e l l e c t u a l m o t o rp r o t e c t i o n a b s t r a c t i n t h i sp a p e r ，t h ed e s i g no fm o t o rp r o t e c t i o ns y s t e mo fas m a r tm o t o r c o n t r o l l e ri sd i s c u s s e d o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gv a r i o u sf a u l to ft h em o t o rb y s y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o d d i v i d i n gm o t o rf a u l ti n t ot w ok i n d s ：s y m m e t r i c a l w r o n ga n da n i s o m e r o u sf a u l t p o i n to u tt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o np r o t e c t i o nm e t h o d a n dm a k eu s eo ft h ef e a t u r e sa n dd i f f e r e n c e so fp o s i t i v es e q u e n c e ，n e g a t i v e s e q u e n c e ，z e r os e q u e n c ef a u l tc o m p o n e n t st op r o v i d ea r e l i a b l ep r o t e c t i o nf o rm o t o r d e v i c e s d a t aa c q u i s i t i o ns c h e m ei sc h o s e nb ys a m p l i n gt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ts i g n a l t h r o u g hc o m p a r i n gt w od i f f e r e n ta r i t h m e t i c w ec a n c o n c l u d et h a tf o u r i e r s a r i t h m e t i ci sb e t t e ri nt h ec o n d i t i o no fm o t o rf a u l to rw a v ea b e r r a t i o n t h ed e s i g n so fs o f t w a r ea d o p tm o d u l a r i z a t i o n m o d u l a r i z a t i o np r o g r a mi s m o r ee f f e c t i v e ca n da s s e m b l el a n g u a g ea r eu s e df o rw r i t i n gp r o g r a m t h a t p r o v i d e sb e s ts o f t w a r ed e s i g ns c h e m ea n dg i v ea t t e n t i o nt os p e e da n de f f i c i e n c yo f p r o g r a mr u n n i n g i na d d i t i o n ，t oi n s u r em o t o rp r o t e c t i o ne q u i p m e n tw o r kr e l i a b l y , t h es y s t e m c o n s i d e r st h ea b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gf r o ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e yw o r d s ：f a u l tp r o t e c t i o n ，s y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o d ，t r u ev i r t u a lv a l u e r e l i a b i l i t y 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席蝴勿女黼密旋 颈：译耐，蹦，誓刹交 蔫统召 一。 刍惨救 硼叩青 。 丑球；芭 q 导师：潞秘 ， 。 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 一l l 图4 1 2 图4 一1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 插图清单 对称分量5 异步电动机的等效电路分析6 复合序网图7 单相接地等效电路分析8 电动机故障诊断及保护原理框图l o 电动机过负荷曲线示意图13 过负荷、堵转、短路保护的配合关系1 4 一次电动机起动过程电流的变化示意图”1 6 精密整流电路1 8 低通滤波示意图2 1 二阶压控型低通滤波电路”2 2 二阶压控型l p f 的幅频特性2 2 负序分量的算法说明2 4 保护装置的电气原理图2 5 人机接口界面原理图2 6 电流检测电路2 7 t l c 0 8 3 8 工作时序图2 9 看门狗电路2 9 x 2 5 0 4 5 的读时序图3 0 x 2 5 0 4 5 的写时序图3 0 开关量输入电路3 1 控制输出电路3 1 通讯接口电路3 2 反激变换器原理图3 3 变压器原副边电流示意图3 3 u c 3 8 4 4 内部框图3 5 开关电源的原理图3 6 程序的开发过程3 7 系统的程序流程图4 0 数据采样的中断程序流程图4 1 人机接口模块流程图4 2 显示示意图4 4 参数计算及故障保护流程图4 4 过载保护的实现流程。4 5 图5 8下位机串行中断服务流程图4 8 图5 9 上位机的通讯界面4 9 图5 1 0上位p c 机软件功能框图5 1 表2 1 表3 1 表4 1 表5 1 表格清单 电动机常见故障特征分析一9 电流有效值计算算法比较2 1 t l c 0 8 3 8 的控制逻辑“2 8 r t u 模式的消息帧4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得佥世工些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：如l i 签字日期：斛朋哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墅工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查朗或借阅。本人授权盒g b 王些盘 ：l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：必毋，1 签字日期：m 年r 月哆日 学位论文作者毕业后去向；、 三篓姜竺：屈n 锗稿切 通讯地址： 7”。 导师签名： 签字日期：五t r 年，月j j 日 东人 欧2 匀 电话：t 3 j s | 缸o 3 邮编： 如 阳 嬲 致谢 我的研究生生活即将结束，在此，我要衷心感谢我的导师一陈梅副教授。 感谢她在我三年的研究生学习阶段给予的指导和帮助，在生活上给我的关怀与 照顾。本论文进行的自始至终，倾注了她大量的精力和心血。在课题设计的阶 段，她从题目的选取、资料的收集到疑难的解答、学位论文的撰写等各个方面 都给予了我大量具体而有效的指导和帮助，使我顺利地完成了课题的工作。陈 老师严谨的治学态度、高深的学术造诣和随和的为人风格使我受益匪浅，相信 这将对我以后的工作和学习产生重要的影响。在此我向她表示最诚挚的敬意和 深深的感谢。 另外我在进行论文工作期间，得到了苏建徽老师、张国荣老师和茆美琴老 师的指导，他们敏锐的思维、过人的精力、积极向上的精神永远激励着学生奋 发向上，在此对他们的教导和帮助致以最衷心的感谢。感谢实验室的王海宁、 黄嫒、吴杰、任祖德等同学在论文撰写过程中给予的帮助与支持。同时也感谢 在我读研究生的阶段帮助过我的所有同学和朋友。 最后深深地感谢我家人，感谢他们一直以来对我最无私的关爱、支持和极 大的理解，感谢他们在并不宽裕的经济条件下对我的学业的全力支持，更要感 谢他们长期的言传身教，他们在生活上的关心、教导、理解和支持是我克服困 难和不断进取的动力源泉。 作者：魏刚 2 0 0 5 年4 月 第一章绪论 1 1 电动机保护在国民经济和节能中的重要意义 电动机是将电能转化成机械能的装置，用作拖动各种生产机械的动力。电 动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的 使用几乎渗透到了各行各业，它的异常运行会影响生产过程的连续性，造成巨 大的损失。电动机是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证， 因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而在使用中造成电动机烧毁甚至 引发重大安全事故的事件屡见不鲜，据不完全统计，全国每年由于电动机过载、 短路缺相、和接地等故障引起严重损坏的恶性事故达数百起，经济损失巨大。 中华人民共和国节约能源法规定：“节能是指加强用能管理，采取技术上可 行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个 环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源”；“节能是发展经济的一项 长远战略方针”据不完全统计，全国运行的l k w 3 2 0 k w 低压电动机数量为 6 0 0 0 万台，占电网用电量的7 0 以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的 动力设备。全国每年烧毁电动机数量约3 0 0 万台，容量为1 0 亿千瓦，每年仅电 动机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数1 0 0 亿元左右。仅上述费 用不算，还会造成电机修理后功率下降，耗电量大，性能变差直接影响企业正 常生产。而因停工停产所造成的间接损失更是一个无法估量的数目。因此做好 电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要 意义。 1 2我国电动机保护的发展及研究现状 我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能 化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机 保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电动机保护进入了 个飞速发展的阶段。 ( 1 ) 热继电器、熔断器和电磁式电流继电器 在建国初期，我们引进了苏联的j r 系列热继电器，从雨开始了其在中国 电动机保护行业中长达半个世纪的生涯，直到1 9 9 6 年国家八部委联合发文强制 将其淘汰。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电动机过载保护的首选产品， 它是利用双金属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合 而成，当电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小 和弯曲的程度成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会启动其 中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继电器存在致命的缺陷。 包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足 越来越高的要求，因而也就无法避免被淘汰的命运。 很多人把熔断器作为电动机的过载保护，其实这是一种不科学的做法。因 为首先受其规格限制无法按电动机额定电流进行准确设定，况且如果熔断器规 格选得太小容易造成断路，使电动机单相运行，如果熔断器规格选得太大，则 达不到过载保护的效果。 电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能，有的还有缺相保护，其过载 保护具有反时限特性，但其结构复杂，机械制造精度高，价格高且体积庞大， 因而目前已被基本淘汰。 ( 2 ) 模拟电子式电动机保护器 在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一 批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器，为电动机的可靠运行提 供了较可靠的保障。但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个方 面： 1 整定精度不高，模拟电子式电动机保护器均采用电位器进行额定电流 的整定，然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较 困难，特别是在大批量生产中更是难以做到，另外，操作者的整定误差也是 难以避免的，特别是对于那些没有设定值显示的产品。 2 采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，即使 可以校正也会使线路变碍非常复杂，甚至无法实际使用，因而大部分厂家只 好将非线性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际上要想由矽钢片做成 的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的，而用于电动机保护器 采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电动机额定电流的7 倍，因为电动机在堵转情况下会达到5 7 倍的额定电流；另外，采样线路本 身也存在非线性问题。基于这些技术难题，要实现高精度的采样自然就成了 一句空话。 3 无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，随着社会的发展，人们 对电动机保护的要求也越来越高，希望保护器的功能多样化，性能可靠，接 线简单，界面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。 鉴于以上原因，纯粹模拟线路的保护器正逐渐被其它一些更先进的技术 产品所代替。 ( 3 ) 数字电子式电动机保护器 这类电动机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电动机的智能化综合 保护，有的还具有远程通讯功能，可在p c 机上实现对多台联网的电动机实现 在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行 软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸 变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用 2 户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。 因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的 出现成为可能。可研制集保护、通讯控制与一体的电动机保护装置，对电动机 发生断相、过载、短路、欠压、过压和漏电等故障实现保护，还具有电流电压 显示，时间控制，软件自诊断，来电自恢复，自启动顺序，故障记忆，自琐和 远传报警，显示故障时的电流、电压故障前后用声光示警，配嚣r s 4 8 5 通讯接 i z l ，实现计算机联网。同时可监控、监测多台电动机工作等功能。随着微电子 技术的发展，电动机保护器正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。 以微处理器及其它由数字电路构成的新型微机保护装置，它与传统的保护 装罱相比具有以下优点： 微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能，因而 可以实现任何性能完善且复杂的保护原理。 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，这使得保护装簧的制造大为简化，也容易实现保护装置的标准 化。 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。 可通过计算机网络实现与其他设备之间的数据交换。这就为将继电保护 的信息系统纳入整个综合自动化系统提出了可能。 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 功能及参数。 随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展，极大地促进了微机继 电保护系统的发展，其保护功能日趋完善，速度与可靠性越来越高。日前微机 型继电保护装置正逐步取代其它形式的保护装置，成为电动机保护装置的主要 形式与发展方向。 同所有的产品一样，电动机保护器经历了由低级到高级、由简单到复杂逐 渐科学完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与一i i , 血。虽然电动机保护器已发展到了微电子时代，但电动机保护的课题将永远不 会停止，仍然需要我们百倍努力，仍有大量的工作等着我们去做，例如：电动 机保护器仍没有国家标准，导致市场上产品良莠不齐，这就说明电动机保护器 成长之路还很漫长，我们期待着电动机保护行业的健康发展。 1 3 课题的内容 本课题所研制的电动机智能保护装置，主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在保护原理上，抛弃传统的检测三相电流，而采用检测正序、负序、 零序等作为电动机故障判据。 ( 2 ) 真有效值的计算分别采用了两点乘积法和傅氏算法。 ( 3 ) 实现以a t m e l 的8 9 c 5 5 微处理器为核心对电动机的保护。 ( 4 ) 形成基于m o d b u s 协议的电动机智能保护网络。 ( 5 ) 模块化的软件设计及混合( c 和汇编) 编程的应用。 4 第二章电动机保护原理及保护判据 异步电动机结构简单、成本低廉、维护方便，它的机械特性能满足大多数 生产机械的要求，在工农业生产中广泛应用。作为电气主设备，电动机是数量 最多的一种，电动机的运行正常与否，直接关系到国民经济和人民生活，不可 等闲视之。考虑到为了达到对电动机有效保护的重要性，采用合理有效的保护 措施及保护手段是至关重要。 2 1 电动机故障特征分析 2 1 1 对称分量法 由对称分量法我们可以知道，当三相电路出现不平衡运行时，我们便可把 它分解成三组三相对称分量。即：正序、负序和零序。 ( 1 ) 正序 三相正序分量的幅值相等，相位为a 相超前b 相1 2 0 度，b 相又超前c 相 1 2 0 度。如图2 - 1 所示。 ( 2 ) 负序 三相正序分量的幅值相等，相位为a 相落后b 相1 2 0 度，b 相又落后c 相 1 2 0 度，即相序与正序相反。如图2 - 1 所示。 ( 3 ) 零序 三相零序分量的幅值和相位都相同，如图2 - 1 所示。 ( a ) ( b ) 图2 1对称分量 ( a ) 正序分量( b ) 负序分量( c ) 零序分量 哦i 鼍醚 f ( c ) 2 1 2 用对称分量法分析电动机的各种故障状态 假设电源中性点接地。用对称分量法，可将三相不对称电流分解为正、负、 零序分量各为l 。、l ：、t 。( 以a 相为例) 。根据对称分量法，有以下关系( 因 为对称关系，相序量只写出a ) ： ia = i + + i a + i ? ( 2 1 ) llllllli 或者 j 口= 口2 j j + aj j + ，： ，c = 口j j + o t 2 ，j + ，： + 口ib + 2 i c 、) + 口2 j 口+ a l c ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 1 ) 电动机正常稳态运行时，定子绕组通以对称的三相电流进j 。、，。及厶行 向量分析，可知： j = i ，j = ，：= 0 。三相绕组中没有负序及零序分量。 电动机堵转和对称过负荷时，用对称分量法分析各相序电流关系，其结果 与正常运行类似，都不出现负序和零序电流分量。 ( 2 ) 当电动机发生不对称性故障时，则会出现负序电流。假设异步电动机在正 常情况下转差率为s ，则转子对负序磁通的转差率应该是( 2 一s ) 。对于旋转电 动机来说，各序电流通过时引起不同的电磁过程，其相序阻抗也是不同的。根 据电动机运行原理，可得正序、负序阻抗如下： 占o n 匕1 了 儿 。ej l l ，l l ，一3，一3 = = t c 压了 一 1 2 一 = 、，、川 础 ， 一 十 = 日 口 + 一；一 一括了一3一2 = = o 爿 舻 ， n p | | 口 中其 ( b ) 圈2 2 异步电动机的等效电路 a ) 正序阻抗( b ) 负序阻抗 ( o + j x 。) ( 卫+ j x ：) z 1 2r i + j x l + j - 一 ( 2 7 ) ( + j x 。) + ( 等+ j x ：) j ( k + 豇，) ( 士+ 弦：) z 2 = r 2 + j x 2 + 兰二三一 ( 2 8 ) ( k + j x 。) + ( 丢+ j x ：) 由于实际系统中，电动机作为负荷运行，其中性点一般不接地，故不需要 建立零序等值电路。当电动机内部发生b c 两相短路时，其不对称边界条件为： ，= 0 ，i 口+ i c = 0 即 i 口= 一i c u b f = 0 u b=uc 如图2 3 所示： 图2 3 复合序网图 乙， 其中分z 1 ，、z 2 ，别为保护安装点至中性处的正序、负序综合阻抗，z ：、乏分 别为故障点到保护安装处的正序、负序阻抗。 根据复合序网，可求出短路电流序分量及电动机各序电流： i a i = - - t = 再高再 t z 叫 式中为保护安装处等效电势。流经电动机的序电流分别为： 1 1 = l ，厶= l ： ( 3 ) 单相接地。由于电动机绕组的绝缘下降，电动机受潮、转子刮壳等原因， 使电动机极易发生接地短路。当电动机发生a 相端予经电阻r 接地，其等值 分析电路如图所示： 垂a 冬i _ 一 u “ ( 狲岛 一 岛一z d j b 景| 可以求得各相电流为 圈2 4 单相接地等效分析电路 1 a = 守e - - a - a 争 ? ，：生 。z d 尸严 f 2 一l o ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 0 ) ，( 2 - 1 1 ) ，( 2 - - 1 2 ) 为异步电动机每相等值阻抗。应用对称分量法 各序分量为： ，：妻( j 。+ a l 。+ 口：i c ) ：i 。o + 妻t ，i = ( ， 口+ 口2 = + 言 jj ，：= ；( j 。+ a2 j 。+ 口j c ) = 1 3j ，jj j 。= 导( j 。+ j 。+ j 。) = 1 3 j ，jj ( 2 1 3 ) ( 2 1 5 ) 根据以上的分析，发生单相接地短路时会出现负序电流，其值大小主要决 定于故障程度。r 值越大，则i r 越小。若电动机发生a 相断相时，丘将不为零。 表2 1 电动机常见故障特征的分析 故障类型零序负序 故障特征 保护特性 对称 过载 无无 i d ib i ! 1 0 5 ， 反时限 堵转 无 无 l d l b i c q 5 ) i e定时限 故障 短路 无 无 1 8 l b i c 8 8 速断 不非 断相 无有厶= o ，厶t 定时限 对接 不平衡 无 有 i a i b 。i c 定时限 称地 相间短路 无 有 ib c i d 速断 故 瞳 接 有 有 ib i b i c 速断 地 单相接地 注：( 1 ) t 为电动机的额定电流 ( 2 ) 单相接地设a 为故障相 2 2 基于过流、负序和零序电流的故障判据 理想的电动机保护的故障判据应满足两个基本要求：一是灵敏、可靠，能 够覆盖电动机所有常见故障，实现综合保护；二是能识别不同故障类型，实现 故障自动诊断。 电动机常见的故障可以分为对称性故障和不对称性故障两类。对称性故障 包括：对称过载、堵转、对称稳态短路；这类故障对电动机的损害主要是由于 电流增大引起的热效应。因此，可通过过流程度来反映。不对称性故障分为非 接地和接地两类。非接迪故障包括：断相、相间不对称短路及由于电源电压不 平衡而引起的不对称过负荷。接地故障包括单相接地和二相接地，除严重的短 路会造成故障相电流明显增加外，多数不出现明显的电流幅值变化，因此，仅 仅的过流保护常常不能及时鉴别，而不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流 增加引起的发热，更重要的是不对称引起的负序效应及其给电动机运行带来的 隐患，甚至造成电动机的严重损坏。 根据对称分量法分析，当发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、 负序和零序电流分量，其中负序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来判别各类不对称故障将具有很高的灵敏度及可靠 性。电动机常见故障的过流、负序和零序电流的分别情况如表2 1 所示。 由2 一l 表可以看出，电动机各故障类型与过流、负序和零序电流的不同分 布组合之间具有很好的对应关系，根据这一对应关系得出电动机保护故障判据 是：以过流信息反映对称过载及短路故障；以负序和零序电流反映各类不对称 故障。该故障判据较之传统的以过流( 或过热) 为基础的故障判据具有灵敏、 可靠及保护范围大的优点，特别是能够识别不同的故障类型，与微机等技术手 段结合，可实现故障自动诊断，从而实现电动机保护的智能化。 电动机三相电流通过检测分解为负序和零序电流分量，并得到电流幅值的 信息；根据表中各类故障与负序、零序电流分别及过流程度之间的对应关系判 别故障特征及严重程度，进行电动机故障诊断；故障诊断结果向运行检修人员 发出警告和提示：根据不同故障类型及严重程度进行适当延时，起动跳闸机构 断开电动机电源，过载保护采用拟合电动机温升曲线的反时限特性，并具有热 记忆功能，其他故障根据需要可采用短时限或速断保护。 电流 幅值 检测 负序 电流 检测 零序 电流 检测 电流 整定 对称过载 及 短路故障 非接地不 对称故障 接地不 对称故 障 过载 反时 限 定时 限或 速断 保护 图2 5 电动机故障诊断及保护的原理框图 故障 信息 显示 跳闸 执行 环节 2 3 各种保护的原理与实现方法 针对电动机的常见故障和用户的实际需要，所开发的电动机智能保护装置， 投入了以下几种主要的保护：短路速断保护、堵转保护、过载保护、启动时间 过长保护、负序过流保护、零序过流保护。下面对每种保护的原理和实现方法 分别加以详细的阐述。 o 2 3 2 速断保护 短路速断保护用于对电动机内部定予绕组以及进线所发生的相间短路故障 的保护，是电动机的主保护。由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以 达到额定电流的7 倍以上。为了保证在起动过程中速断保护可靠的不动作，保 护动作电流的整定值在起动过程以及起动过程结束后的运行过程中，整定值计 算采用不同的方法。 ( 1 ) 起动过程： 为了保证电动机能满载地起动，要求。必须大于电动机满载起动电流i q d ， 即： i j l = k i 口d = k 女k 口d ，p ( 2 1 6 ) 式中： 世。一一可靠系数，取1 2 1 4 。 世。一一电动机起动电流倍数，一般取4 7 。 f 电动机的额定电流归算到二次侧的值。 ( 2 ) 运行中的速断保护 在起动结束后的运行过程中，。的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电 流，可按电动机的额定电流的倍数整定，即： ，。2 = n i 。 ( 2 - 1 7 ) 式中n 的值一般取为4 8 ，这样可大大提高电动机在起动结束后的运行过程中 短路保护的灵敏度。 在电动机的实际运行过程中，当三相电流的最大值大于整定值l 、，。时， 保护装置便无时限的动作出口跳闸，使用电动机不至于被损坏。 2 3 2 堵转保护 由于各种原因( 机器故障、负载过大、电压过低) 使转子处于堵转状态， 在全电压下堵转的电动机，散热条件极差，电流很大，特别容易烧坏。因此在 检测到处于电动机堵转故障时，保护系统应及时动作，保证电动机不因堵转而 烧坏。 在电动机的运行过程中，当电流超过堵转电流整定值d ：并达到整定时限 乃：时，本保护作用于出口跳闸。堵转保护在电动机的起动过程中闭锁，起动结 束后自动投入。在一定意义上，堵转保护可作为电动机运行过程中短路保护的 后备保护，堵转电流值可按电动机额定电流的倍数整定，即： it ，= ni !(2-18) 式中n 一般在2 4 范围内取值。 2 3 3 过载保护 当电动机过载运行时，由于负载转矩大于电动机的额定转矩，所以电动机 为了拖动机器运转强迫降低转速，以增大转子电流来提高电动机的电磁转矩， 由于转子电流增加，引起定予电流增加，造成电动机铜耗增加。电动机因损耗 增加而发热，时间一长，使绝缘老化，甚至会烧毁电动机，但如果过载时间很 短，发热量不大，而且很快散发出去，则电动机暂时还可以承受的住，即低倍 的过负荷又允许一定的时限，所以电动机的过负荷特性要呈现良好的反时限特 性。另外，电动机的过载保护还应具有模拟和记忆电动机热积累的功能，电动 机在多次重复的短时间过载，而其每次过载时间均小于容许时间，则保护不会 动作，但由于电动机自身热积累的结果可能使电动机烧毁。所以电动机保护应 具有模拟的记忆电动机热积累的功能。考虑到电动机过载消除后，电动机中积 累的热量要逐渐散发掉的实际情况，新型电动机保护在具有模拟热积累功能的 基础上，还应具有根据电动机的散热条件，正确模拟电动机热发散的功能。 ( 1 ) 热积累模型 f t 1 了一( 2 - - 1 9 ) 瞧( l ) 2 + 七：( 争) 2 一( 1 0 5 ) 2 pe 式中： t 一一过负荷保护动作时限 f 一电动机热积累时间常数，可整定，表示电动机的过热能力 一一正序电流l 一一负序电流 k i 一一正序系数，在起动过程中k l = o 5 ，起动完毕后k l = 1 0 k ：一一负序系数，可整定，一般在3 8 之间取值，表示负序电流对电 动机发热的影响程度 ，一一电动机的额定电流归算到机端c t 二次侧的值 为实现发热模型的热积累特性，可将上式改写为： h = ( 争) 2 + 心( 争) 2 一( 1 0 5 ) 2 m ( 2 - - 2 0 ) ep 式中： h 一一电动机的热积累值，表示电动机的过热程度。 出一一相邻两次热积累计算的时间间隔。 过负荷保护动作条件为：h r 条件满足，保护动作于出口跳闸。 ( 2 ) 热发散模型 当热积累值为0 h r 时，表示电动机由于过负荷运行而有一定的热积累。 但还没到达使保护动作的程度，如此时过负荷消除，则应考虑模拟电动机的热 散发。本过负荷保护是采用积累的热量按指数规律衰减的模型来模拟热散发： 一t h = h e 7 2 ( 2 - - 2 1 ) 式中 h 一一过负荷消除时的热积累值 2 一一电动机热发散时间常数，可整定，反映电动机散热的快慢程 度。 + 一一经t 时间衰减后剩余的热积累值。 若已达到保护动作的程度，当电动机跳闸后i = 0 ，电动机积累的热量散发取 决于冷却时间常数f 。，其值可整定。跳闸后( 以三相电流都为零作为鉴别跳 闸的判据) 开始计时t 。当t 0 5 r 时，近似表明此时的绕组温升仍高于跳闸 前绕组温升的一半，电动机的起动回路自动被闭锁，不能再次起动；当t 0 5 f 。 时，电动机的起动回路才自动解除闭锁，可以重新起动。 当电动机起动时，反时限电流保护可能误动作。为了保证在电动机起动过 程中反时限保护不误动作，保护装置可自动使反时限特性曲线上移至曲线2 ， 起动完毕，又回到曲线1 。 0 i 图2 6 电动机过负荷曲线示意图 2 3 4 起动时间过长保护 f 常的起动过程结束后电动机的运行电流将低于额定值或在额定值附近， 而起动时间过长则是在起动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值。如果在 起动的过程中，当整定的起动时间瓦d 到达后，电动机运行电流仍大于电流的 整定值。d 时，本保护动作出口跳闸。 起动时间过长保护可作为电动机起动过程中短路保护的后备保护，而且起 动时间过长保护只针对于电动机的起动过程加以保护，如果电动机正常起动后， 此保护应自动退出，而且只要电动机不停机，此保护应一直不予以投入。所以， 正确的判断电动机是否处于起动状态就显得格外重要，为此，在整定值中特意 加了一个整定值，。当电动机的电流小于。时，认为电动机处于正常停机状态， 而一旦电动机的电流由小于，过渡到大于，。时，则认为电动机开始起动，将起 动时间过长保护投入。 从以上所介绍的速断保护、堵转保护、过负荷保护及启动时间过长保护的 保护原理不难看到这几项保护之间的配合关系如图2 7 所示： t o 图2 7 过负荷、堵转、短路保护的配合关系 ( 1 ) 电动机在起动过程中，起动过程短路保护是电动机起动过程相间短路的 主保护，起动时间过长保护为其后备保护，用于对电动机因长时间过电流起动 造成过热损坏的保护。 ( 2 ) 电动机在起动结束后的运行过程中，运行过程短路保护、堵转保护、 过负荷保护三者间的配合关系如图2 7 所示。短路保护为无时限电流速断保 护，是电动机相间短路的主保护：堵转保护为定时限过电流保护是电动机转 子卡死或低速运转的主保护，相间短路的后备保护；过负荷保护为反时限过 电流保护，是电动机定子绕组过流发热的主保护，相问短路及转子堵转的后备 保护。这种配合关系更加符合电动机的实际过电流特性，而且，在额定电流 i s 和短路保护定值i d l 间的过电流保护，由于采用了相互独立的过负荷保护和 堵转保护来实现，从而就克服了以往应用由感应型继电器构成的过负荷保护所 存在的，当过电流倍数不大时，继电器动作时限不够长，而不能充分利用电动 机的过负荷能力的不足。 2 3 5 负序过流保护 负序过流保护也称为不平衡保护，主要是针对电动机的各类非接地性不对 称故障( 如断相、反相、匝间短路、相间短路等) 提供的单独保护。由于供电 变压器原方或副方一相断线以及电源电压三相不平衡，都将使电动机三相电流 不平衡，出现负序电流，由于有负序分量的磁场，产生负序转矩。使电动机总 转矩降低，电动机温度增高，长时间不平衡运行将烧坏电动机，因此装设负序 过流保护。 负序过流保护一般采用两段式定时限保护，当负序电流超过了整定值，且 故障时间超过了时问整定值时，动作出口跳闸。第一段具有高定值。，短延 时t ，第二段具有低定值。，长延时f ，。 ( 1 ) 第二段的整定计算：在电动机正常运行及起动过程中，运行三相电压之间 4 有持续的5 以内的误差，此时会出现较长时间的负序电流厶，应保证负序电 流第二段可靠地不动作，为此： 女= ( o 3 o 4 ) l ( 2 - - 2 2 ) 按式整定的。躲不开断路器跳合闸或其他暂态干扰所出现的短时间数值较大 的l ，但因为有t ，长时限，则能保证第二段不误跳，t ，由用户整定。 ( 2 ) 一段的整定计算：在系统最小运行方式下电动机端两相短路时，最小的短 路电流负序分量正应使负序电流保护第一段可靠地动作，其灵敏度量，至少 为1 2 5 ，按此原则得： ，( 2 )r ( 2 ) t 出2 芒5 薷( 2 - - 2 3 ， 按式( 2 - - 2 3 ) 计算之后，还必须校验t 。是否大于。，以确保在电动机起动 过程中负序电流保护第一段可靠地不动作。负序电流保护第一段的固定为1s ， 以短延时躲开断路器跳合闸及其他暂态干扰所出现的短时间， 的影响。 2 3 6 接地保护 接地保护针对各类接地故障( 如单相接地短路、两相接地短路) ，我国大中 型电动机一般采用小电流接地方式，当发生一点接地时，故障电流很小。因此 为提高接地保护的灵敏度，一般具有两种接地保护形式。 ( 1 ) 零序过流保护形式：零序过流保护形式是采用一次零序电流互感器检测零 序电流，其运作电流，0 。按大于倍保护回路的电容电流整定，即： 厶女= 巧3 z o c 。 ( 2 2 4 ) 式中 k k 一一可靠系数，取4 5 ； 3 厶。一一当外部发生接地故障时，流过被保护回路的最大接 地电容电流。 ( 2 ) 零序功率方向保护形式：当系统运行方式变化较大，( 当外部发生接地故 障时，流过被保护回路的最大接地电容电流) 计算困难而使零序电流保护定值 难于整定时，电动机的接地保护可采用零序功率方向形式，即采用一次零序电 流互感器检测零序电流，同时将供电母线电压互感器上零序电压滤过器所提供 的零序电压接入本保护装置，计算出零序电压于零序电流问的相位角，判断零 序功率流动方向，从而确定接地点是否发生在被保护的电动机外还是进线内。 2 3 7 低电压保护 电动机低电压运行时转矩急剧下降，造成电动机严重过载。而当电动机机 端电压下降到，电动机的自起动将发生困难，必须对电动机提供低电压保护， 其保护动作判据是：三相线电压均小于低电压保护动作电压整定值，即u 8 v 或有一线电压小于玑出时，装置经延时发p t 断线报警信号。 2 3 8 频繁起动保护 实际运行中，电动机若起动不起来，运行人员可能在较短的时间内连续操 作数次，使电动机频繁起动；或者有些电动机具有特殊的负载，需要频繁地跳 开又起动，由于每次起动都有较大的起动电流，而且多次起动相隔的时间又较 短，故电动机有严重过热的危险，需要设置电动机频繁起动保护。 电动机在起动过程中从电流i = o 0 6 , 开始上升到第一个1 1 2 t 值在上升到 最大值l 。，又下降到第二个1 1 2 1 值，称为一次起动，其间的历时称为一次起 动时问t 。，如图2 8 所示： ， 。 1 1 2 1 , o 0 6 t 剀2 8 电动机起动过程电流变化 保护装置测量电动机在连续1 0 m i n 的起动次数，若实际次数超过整定次数 则跳闸而且电动机的起动回路被自动闭锁，在2 m i n 内电动机不能再次起动， 2 m i n 之后又自动解除闭锁，电动机又可重新起动。 1 6 第三章采样滤波方案的设计及参数的计算 智能电动机控制器实质是一个以微处理器为核心的数字控制系统。其内部 参与运算的信号是二进制的离散数字信号，而被采集的物理是连续的模拟信号。 因此必须对模拟信号进行离散化。在对连续的模拟信号作离散化处理时必须遵 守采样定理的原则进行。否则可能引起原始数据的失真，复原时就不能复现出 原来连续变化的模拟量，从而造成误差。 3 1 采样方案的选取 这部分设汁直接关系到电流的采样精度。因此，必须通过理论分析、反复 实验方能确定。根据采样信号的不同，可分为直流采样与交流采样两大类。这 部分电路可采用整流电路，也可采用直接交流比例变换电路，采用哪种电路则 直接决定了程序是采用直流采样还是交流采样，程序设计将完全不同。 采样定理 设有连续的信号x ( t ) ，其频谱为x ( f ) ，以采样周期t s 采得的离散信号为 x s ( n t s ) 。如果频谱和采样周期满足下列条件： x ( f ) n 有限频谱，即当l 厂陋正( 正为截至频率) 时，x ( 0 = 0 ，2 正 则连续信号： 。 s i n c e - ( t 一疗t ) x ( f ) = x 。( 刀t ) 。l 一 ( 3 1 ) 一“二二f f 一咒t 、o ，： 。 唯一确定。式中n = o ，1 ，2 。f 就是在采样时间间隔内能辨认的信