（测试计量技术及仪器专业论文）网络式电动机智能保护系统.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 电动机因具有结构简单、价格低廉、使用维护方便等优点，在国民经济各方面被广 泛采用。然而，由于供电状态和机械负荷的多变性。使得电动机的故障率较高，不仅会 损坏电动机本身，而且会影响整个生产，造成较大的经济损失。因此，电动机的安全运 行对保证厂矿企业的正常生产是非常重要的。 本文首先分析了异步电动机的常见故障，以对称分量法为依据，采用检测过流幅值、 负序电流、零序电流的方法，得出了电动机故障的准确判据，确定了各种故障的保护措 施，对电动机实现了短路、堵转、过热、负序电流、零序电流、低电压、过电压、启动 时间过长、频繁启动、漏电闭锁等保护功能。 本文以台湾凌阳公司的1 6 位单片机s p m c 7 0 1 做微处理器，它的c p u 内核是凌阳 最新推出的“，l | 5 _ p “。s p m c 7 0 1 单片机内置2 k 字的s r a m 和3 2 k 字的f l a s h r o m ， 无需外部扩展数据存储器和程序存储器，具有强大的工o 、运算等功能，有高效的指令 系统，实现电机智能保护，电路简单，功能齐全。 为了实现电机分布检测和控制的要求，网络式控锖系统具有便于集中管理和信息共 享的特点。本文初步研究了将p r o f i b u s 现场总线运用于电机保护系统，以单台电机保 护装置为节点，以p c 机作为上位机，建立了电机智能保护网络的基本框架。 关键词：电动机，智能保护，凌阳单片机s p m c 7 0 1 ，现场总线，p r o f i b u s 山东科技大学硕士学位论文摘要 m o t o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，b e i n gc h e a p ，m a i n t a i n i n g a n du s i n gc o n v e n i e n t l ya n ds oo n ，s oi t i sa d o p t e de x t e n s i v e l yi nt h ed i f f e r e n t f i e l d so fn a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r ，b e c a u s eo fs u p p l yp o w e rs t a t ea n dm e c h a n i c a l l o a dg e t t i n gc h a n g e a b l e ，i tm a k e st h em a l f u n c t i o nr a t eo ft h em o t o rv e r yh i g h t h em a l f u n c t i o nw i l ld a m a g et h em o t o r ，b u ta l s oi n f l u e n c et h ew h o l ep r o d u c t i o n ， c a u s et h ee n o r m o u se c o n o m i cl o s s e s s o ，i no r d e rt og u a r a n t e et h en o r m a l p r o d u c t i o no ft h ei n d u s t r i a le n t e r p r i s e ，t h es a f eo p e r a t i o no ft h em o t o ri sv e r y i m p o r t a n t t h i st e x th a sa n a l y z e dt h ec o l n m o nm a l f u n c t i o no ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ra t f i r s t a n dt h e ni t ，w h i c hi sb a s e do ns y m m e t r i c a lw e i g h tt h e o r y ，h a sd r a w n a c c u r a t ec r i t e r i o no ft h et r o u b l eo ft h em o t o r ，c o n f i r m e dt h ep r o t e c t i r em e a s u r e s o fd i f f e r e n tt r o u b l e s f i n a l l y ，i th a sr e a l i z e dk i n d so fp r o t e c t i o nf u n c t i o n s ， s u c ha ss h o r t 一9 i r c u i tp r o t e c t i o n ，r o t a t e s t o pp r o t e c t i o n ，o v e r h e a tp r o t e c t i o n ， n e g a t i v ec u r r e n tp r o t e c t i o n ，z e r oc u r r e n tp r o t e c t i o n ，l o w v o l t a g ep r o t e c t i o n ， o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e r l o n gs t a r t u pt i m ep r o t e c t i o n ，f r e q u e n ts t a r t u p p r o t e c t i o n 1 0 c kp r o t e c t i o no fe l e c t r i cl e a k a g ea n ds oo n t h i st e x th a ss e l e c t e d1 6 一b i tc o m p u t e rs p m c t o ia sm i c r o c o n t r o l l e r ，w h o s e c p ui sm i c r o c o n t r o l l e ra n ds i g n a lp r o c e s s o rn e w l yp r o d u c e db yt a i w a ns u n p l u s t e c h n o l o g yc o l t d t h es i n g l e c h i pc o m p u t e rh a sb u i i t i ns r a ma n df l a s hr o m a n d d o s en o tn e e dt oe x p a n dt h er a ma n dr o m h a v i n gs t r o n gf u n c t i o na n dh i g h e f f i c i e n t i n s t r u c t i o ns y s t e m ，s p m c t o ih a sr e a l i z e di n t e l l i g e n c ep r o t e c t i o no ft h em o t o r i t sc i r c u i ti ss i m p l ea n di t sf u n c t i o ni sc o m p r e h e n s i v e i no r d e rt or e a li z et h em o t o r s c o n t r 0 1 1i n g ，c o n t r o ls y s t e mb a s e do n d e m a n df o rd i s t r i b u t e dm e a s u r i n ga n d n e t w o r kh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa s c o n v e n i e n tf o rc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o ns h a r i n g u s i n gp r o f i b u s t ot h em o t o rp r o t e c t i o ns y s t e ma n dr e g a r d i n gs i n g l em o t o r sp r o t e c t i v ed e v i c e i i 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a san o d ea n dp e r s o n a lc o m p u t e ra su p p e rc o m p u t e r ，t h i st e x th a sf o r m e dt h eb a s i c f r a m eo ft h em o t o ri n t e l l i g e n c ep r o t e c t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：m o t o r ，i n t e l l i g e n c ep r o t e c t i o n ，s p m c t 0 1 ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s 1 1 1 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 、绪论 电动机是机电设备的动力来源，与其他类型动力设备比较，具有结构简单、价格低 廉、使用维护方便等优点。一个中型企业的电动机使用量可达到几百台到上千台，这些 电动机承担着主要的生产任务，其中三相异步电动机消耗的电能占总能量的5 0 以上。 由此可见，三相异步电动机的安全运行是保证厂矿企业正常生产的基本条件之一。由于 供电状态和机械负荷的多变性，使得电动机往往不能保证在额定工作环境下运行，常出 现电动机过载、短路、断相、过压、欠压等故障，如不及时发现和处理，不仅易造成烧 坏电动机等直接经济损失，还会使生产设备陷入瘫痪。另外，由于电动机的故障、损坏 所造成的其他事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。据不完全统计， 全国国有重点煤矿每年烧毁电动机2 0 0 0 0 台左右，一个年产3 0 0 万吨的矿井，平均每月 烧毁电动机8 0 台。造成这些现象的原因有多方面，除了管理措旋不完善等因素外，关键 的问题是电动机保护技术尚不完善。 1 1 我国电动机保护与控制的现状 目前，国内对于电动机的保护与控制主要有三种类型：仪表型、电子型和微机型。 1 1 1 仪表型保护与控制 这是一种简单、原始的电动机保护与控制方式。它大多采用的是熔断器、接触器、 断路器及热继电器组合的简单保护，其组合类型主要有：( 1 ) 熔断器一交流接触器一热继电 器；( 2 ) 断路器一交流接触器一热继电器；( 3 ) 熔断器一断路器；( 4 ) 熔断器一断路器一交流接 触器一热继电器。 采用仪表型保护与控制的优点是价格低廉，操作简单；但这种保护与控制技术也存 在着一些缺点：( 1 ) 装置体积大；( 2 ) 对故障的检测、判断精度差，反应不灵敏，拒动、 误动现象严重；( 3 ) 仪表易受原材料、工艺水平的影响，性能不稳定，动作曲线与电动 机实际保护曲线不协调；( 4 ) 对轻微过负荷保护欠缺，容易导致长期轻微过负荷运行， 在电动机绕组产生热积累，促使绕组绝缘老化，使电动机损坏；( 5 ) 参数整定、更改困 难，调试整定费事，无法实现自动化控制。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 对于各类不对另外，这类保护主要针对的是以电流增加为主要特征的对称性故障， 称性故障，一般不出现显著的电流增加，保护难以及时正确地动作。 1 1 2 电子型保护与控制 我国的电子型保护与控制是由晶体管发展而来。晶体管继电保护装置，与电磁型继 电保护装置相比，具有动作速度快、灵敏度高、消耗功率小、体积小、重量轻、调试简 单、比较容易适应新的复杂保护技术等优点，但是也存在着抗干扰性差、元件较易损坏 以及可能因制造工艺不良而引起动作不够可靠等缺点。 随着集成电路的发展，电动机保护装置逐渐从分立元件型向集成电路型过渡。无论 从体积上还是从装置对信号的检测、判断及实现对电动机自动化控制等方面，都优于原 始的仪表型保护技术，而且功能的设置基本上满足电动机保护的要求，可以实现对电动 机的过载、短路、断相等故障的保护，其工作原理是通过提取三相电流信号，经电流一 电压转换器变为电压信号，经整流滤波送至比较、鉴幅电路。但是这种保护技术也有以 下的缺点：( 1 ) 。装置运行的可靠性和准确性、精度受元器件质量、稳定性影响大；( 2 ) 参数整定困难、不准确，动作特性因元器件等因素容易造成拒动或误动；( 3 ) 电磁干扰 成为装置正常运行的重要威胁；( 4 ) 复杂的电子线路，对维护人员的维护水平要求高。 1 1 3 微机型多功能保护与控制 1 1 3 1 微机保护简述 二十世纪六十年代，由于计算机技术发展，出现了计算机构成的继电保护系统，但由 于当时计算机的性能还不能满足继电保护对快速性的要求，而且价格昂贵，计算机继电 保护的研究工作主要放在理论探索及实验室的研究上，未得到大规模应用。直n - - 十世 纪七十年代以来，随着计算机技术的飞速发展，计算机性能提高很快，而价格大幅度降 低，用一台微型机完成一台电气设备的所有继电保护功能成为可能。尤其是将c p u 、a i ) 、 通用i o 口、甚至存储器集成在一块芯片的所谓“单片机”的出现，由于它体积小、使 用方便、价格低廉，使微机保护得到广泛应用。 与上述的两种类型的保护相比，微机保护具有速度快、准确度高和智能化等特点： ( 1 ) 微处理器具有强大的运算能力、逻辑判断能力，可将自适应控制、随机控制及模糊 控制等引入保护；( 2 ) 微处理器具有良好的记忆存贮能力，在断电情况下保存故障信息 及整定值；( 3 ) 可与其它微型机组网，实现远程监控、远程诊断及分布式控制、信息网 控制：( 4 ) 可靠性高，微机保护通过系统自检，能及时发现软件和硬件故障；( 5 ) 通用 性强，通过改变软件设计，可实现不同的微机保护；( 6 ) 体积小；( 7 ) 经济性好，随着 2 坐查型垫查兰型主兰竺堡苎 堑堡 微处理器价格不断下降和功能的提高，使装置的性能价格比提升；( 8 ) 更改整定值容易， 人机对话方便，可根据系统运行状态方便地就地或通过集控室更改整定值。 1 1 3 2 国内外微机保护的技术状况 国内外电机微机保护装置的发展经历了以下过程： ( 1 ) 以8 位单c p u 为核心处理器，数据采集系统由逐次逼近式a d 模数转换器构 成，具有可靠性高、接口设计简易、运行速度快、功耗低、性能价格比高的优点。使用 单c p u 的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，但其缺点 为单片机的片内资源有限，装置保护种类有限，且无法实现复杂的保护计算。 ( 2 ) 以多片8 位单片机构成的多c p u 硬件结构，硬件、软件的设计吸取了第一代 微机保护装置成功运行的经验，利用多c p u 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故 障可以定位，对保护的跳闸出口回路也采用了抗干扰以及防止拒动与误动的措施。主要 优点是各单片机协同工作，能实现较复杂的保护计算，缺点是使用的芯片比较多，电路 复杂。 ( 3 ) 以高性能的1 6 位单片机为核心处理器。具有外接电路简单的特点，完善了通 信功能，为实现无人值班、远程监控提供了方便。新型高性能1 6 位单片机的运算能力、 高效丰富的指令系统使得编程灵活、简洁。1 6 位单片机包含了微机保护所需要的各种接 口电路，使电路设计简单可靠，性价比高。 近年来，由于数字信号处理器( d s p ) 技术的出现，d s p 在电动机保护领域开始得到 应用。它与单片机有所不同，是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的新型微处 理器，其突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采用专用硬 件实现定点和浮点运算，速度非常快。将d s p 应用于微机继电保护，极大地缩短了数字 滤波和傅里叶变换的计算时间，使保护更具有实时性。但其缺点是：目前d s p 的价格相 对1 6 位单片机来说还比较高，而且由于其纳秒级的运算速度，要求有相应速度级的外围 器件，系统造价高。 我国继电保护的研究始于7 0 年代末期，继电保护与电机保护有着密切的关系。最早 由华北电力大学、华中理工大学等高等院校和原电力部南京自动化研究所的继电保护科 研人员在吸取国外先进研究成果的基础上，经过几年的努力，逐步使微机保护进入实用 化阶段。自从1 9 8 4 年，由华北电力大学杨奇逊教授研制的第一代微机型高压输电线路继 电保护装置投入现场运行起，我国电力系统微机型继电保护的研制得到了迅速的发展， 电动机微机保护作为电气设备保护的一种也进入了快速发展的时期。 1 山东利技大学预上学位论文 绪论 总之，随着计算帆在继电保护中的应用，为实现电动机保护与控制的高精度、高智 能化提供了技术借鉴和广阔的应用前景。但与国外的先进技术相比，仍有较大差距。 1 2 课题研究的意义 随着现代工业的发展和设备制造水平的提高，生产系统中使用的电动机数量不断增 加，单机容量也不断提高，其正常工作对保证生产制造过程的安全、高效、优质及低耗 运行意义十分重大。因此，为了避免事故的发生，保障人身、设备的安全，有效减小事 故范围，是研究电动机智能保护系统的目的。 随着电动机保护理论的芨展，现在的电动机微机保护系统的功能已经比较完善、全 面但是大都是独立运行，不能联网，保护定值的修改必须到现场进行，很不方便，而 且无法进行远程集中监控。随着企业对工业生产过程自动化程度的要求不断提高，实现 计算机测控网络技术和电动机保护相结合的需求越来越迫切。由于数字训算机、电子技 术、信息技术、集成电路的迅速发展，用计算机测控系统取代传统测控系统的条件已经 成熟，智能化、网络化、模块化已成为目前控制系统的发展趋势。现场总线f f i e l d b u s ) 就 是顺应信息技术的发展趋势和适应工业控制系统的分散化、网络化、智能化发展方向而 发展起来的新技术，它的出现成为全球工业自动化领域广为关注的焦点课题。要实现整个 企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境下运行、性能 可靠、造价低廉的通信系统，形成工业底层网络，实现电动机控制，并方便底层现场设 备之间以及生产现场与外界的信息交换。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 ) 就是在这种实际需求的驱动下应运而生，并在现代过程控制中发挥着越来越重要 的作用。 1 3 课题研究的主要内容 随着生产过程自动化程度的提高，对电动机的保护与控制提出的要求越来越高。对 电机保护，要求具有智能化、电子化、模块化，即要求开发一种保护种类齐全、灵敏度 高、可靠性好、高性价比的系统；对多台电动机运行的控制，要求集中监控、通信联系， 随时了解各台电机的运行状况。 本课题针对目前我国煤矿井下电动机保护与控制的现状，提出了基于新型凌阳单片 机的电动机智能保护方案，具有电动机检测实验、控制、保护、状态显示、动作值整定 机的电动机智能保护方案，具有电动机检测实验、控制、保护、状态显示、动作值整定 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 及通信功能，对电机控制可实现自动化、智能化、网络化的管理。其研究方案是：系统 首先由单片机构成的下位机完成对电动机的电压、电流的采样，利用单片机的运算功能， 根据一定的算法，计算电流、电压有效值以及正序、负序和零序电流，用计算值和预先 设定值进行比较判断，在一定条件和时间内，由单片机做出控制操作。若电动机运行正 常，则显示电动机电流、电压值等参数：若电动机出现故障，则单片机控制切断电动机 的电源，并显示故障类型和故障值，记录相关故障信息，为事后查清事故的原因提供依 据。在网络系统中将电动机各种运行数据和故障信息通过现场总线接口送给上位机，上 位机完成对下位机的访问、查询及控制。 课题研究的主要内容是： ( 1 ) 对异步电动机的常见故障特征进行分析，找出电动机故障的准确判据，确定各 种故障的保护措施，实现对电动机的各种保护功能； ( 2 ) 以凌阳单片机s p m c 7 0 1 为核心，扩展图形点阵式液晶显示器、按键等外设， 具有中文显示、菜单式选择、故障诊断、参数设置等功能； ( 3 ) 初步将p r o f i b l j s 现场总线运用于电机智能保护系统的网络设计方案。设计 思路是：以单台电动机保护装置为节点，以p c 机作为上位机，构成电动机智能保护网 络的基本框架，将在1 个工作流程内运行的所有电动机统一管理起来，组成一个网络。 山东科技大学硕士学位论文 电动机的故障特征及保护方法研究 2 、电动机的故障特征及保护方法研究 为了保证电动机安全、可靠地运行，必须采取一些保护措施，在电动机出现故障时 应能立即自动切断电源，起到保护电动机和供电线路的作用。 2 1 电动机的主要类别 电动机按照供电方式的不同，分为直流电动机和交流电动机两大类。 交流电动机可分为同步电动机和异步电动机。同步电动机一般应用于功率较大或者 转速必须恒定的场合。由于其构造复杂，价格较高，启动和维护都比较困难，因此应用 不如异步电动机普遍。异步电动机的定子和转子之间没有电的联系，能量的传递靠电磁 感应作用，故又称感应电动机。交流异步电动机按交流电源的相数又可分为单相交流异 步电动机和三相交流异步电动机。三相交流异步电动机按转子构造可分为三相绕线式交 流异步电动机和三相鼠笼式交流异步电动机。 三相交流异步电动机具有结构简单、价格低廉、效率较高、坚固耐用、运行可靠、 使用和维护方便等很多公认的优点，因此在生产设备中广泛应用。据有关部门统计，在 电力拖动的机械中有9 0 左右是由三相交流异步电动机拖动。本文所讨论的电动机均指 三相交流异步电动机。 2 2 电动机的常见故障分类 在电动机的故障中，与电气有关的故障占3 3 ，与机械有关的故障占3 2 ，与环境及 维护有关的故障占1 5 ，与其他原因有关的故障占2 0 。本文研究的保护内容主要是针对 与电气有关的故障而言。 异步电动机的常见故障可分为对称故障与不对称故障两大类。 对称故障有对称过载、堵转、短路等，它的主要特征是三相仍基本对称，但电流幅 值增大，对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应。因此，对称故障可以由 电流过流程度来反映。 电动机不对称故障很多，除了严重的短路会造成故障相电流明显增大外，不对称故 些变型苎查堂堡圭兰竺笙苎 皇垫! ! 塑垫堕堑堡墨堡篓塑鲨竺茎 障的大多数一般不出现显著的电流幅值变化，因此过流保护常常不能及时鉴别。电动机 不对称故障可进一步分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障两类。非接地性不对 称故障，主要包括断相、逆相、相间短路及不平衡运行等。由于井下电动机的中心点不 接地，因此定子电流中可分解为正序、负序和零序电流分量。当电动机正常运行时，三 相基本对称，负序和零序电流分量基本为零；当电动机发生非接地性不对称故障时，会 引起三相电流不对称，会出现负序电流分量，所以可以采用负序电流分量作为这类故障 的判据。这类故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应。接地性不对称故障， 包括单相接地短路和两相接地短路两类。当发生接地性不对称故障时，会出现零序电流 分量，这是区别其它任何非接地性故障的最根本特征，可作为接地性故障的主要判据。 2 3 电动机的保护方法 电动机最常见的保护功能有短路、堵转、过热、负序电流、零序电流、欠压与过压、 启动、漏电闭锁保护等，各保护特征与要求如下所述。 2 3 1 短路保护 电动机出现短路故障后，会在短路线匝内产生很大的电流，使绕组产生高温，以致 绝缘变色、焦脆甚至烧毁。另外还会导致供电电网电压下降，从而影响其它用电设备的 正常运行。因此，电动机短路故障出现时，应进行速断保护，即瞬时断开发生故障的电 动机，把事故限制在最小范围内。 当电动机正常启动后，系统检测电动机a 、b 、c 三相工作电流的最大值，如果其 值大于速断保护设置的电流整定值，速断保护就要立即动作，断开电动机。保护动作电 流可根据需要设定在8 一1 2 倍的电动机额定电流，短路保护的动作时间应不大于0 2 s 。 需要注意在设置速断保护电流整定值时，启动时间内和启动时间后的速断电流值要 分别整定。在启动状态时，电流速断保护应具有高的保护定值；正常运行状态下，具有 较低的保护定值。这样不仅能保证电动机在满载启动过程中，短路保护可靠的不动作， 即躲过电动机的最大启动电流，又能保证电动机正常运行状态下检测故障的灵敏度。 2 3 2 堵转保护 由于机械故障、负荷过大、电压过低等原因，会使转子处于转不动的状态。在全电 压下堵转的电动机，由于散热条件差，电流大，特别容易被烧坏，因此系统应当装设堵 转保护，作为电动机运行过程中短路保护的后备保护。系统要能正确区分启动或正常运 当查型! 皇查兰堡主兰竺丝壅 里翌垫些垫堕生堡丝垡翌互鋈婴堑 转，堵转保护只在启动结束后运行，而在电动机启动过程中并不检测。 在电动机正常运转中假若发生堵转，电流就会增大。当系统检测计算得到的正序电 流超过堵转电流整定值，并达到整定时限时，堵转保护动作，输出跳闸信号，切断电动 机电源。根据实际情况，保护动作电流可设定在4 8 倍的额定电流，整定时限可设定在 l 5 s ，动作时间小于0 3 s 。 2 3 3 过热保护 电机发生过负荷是电动机容量与机械负荷不匹配所引起的，是一种非正常运行状态。 电机在一定时间内的过负荷是允许的，但是如果过负荷时间较长，会导致电动机的热量 积聚，使电动机过热，引起电动机绝缘老化、电机线圈烧毁及引发短路故障。在实际工 作中，由于过负荷原因造成的电动机损坏在电动机故障总数中占相当大的比例，因此系 统必须装设过热保护。过热保护也可作为电动机短路、启动时间过长、堵转等故障的后 各保护。 2 3 3 1 电动机的发热特性 电动机本身是个由多种材料组成的组合体，是一个非均质物体，其发热和散热情 况均比较复杂。理论上讲，电动机的发热程度应以最热点温度来衡量，但是最热点温度 计算起来相当困难且不够准确。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，因此在电动机热计算中，通常假定电动机是一个均质物体，只计 算其平均温升。 电动机在运行时，总有一定能量损耗，损耗包括铜耗、铁耗和机械损耗，其中铜耗 与电流的平方成正比，而铁耗和机械损耗几乎不变的，所以可以认为电动机的总损耗p 与电流的平方基本成正比关系。这些损耗将全部转变成热能，使电动机自身温度升高， 甚至超过周围环境温度。电动机温度比环境温度高出的值就称为温升。 对于电动机的发热过程，由传导学基础可知电动机定子绕组过负荷运行时的热平衡 微分方程为： q d t = ( j 。2 一，。2 ) r d t 式( 2 1 ) 式中，q ：电动机定子绕组每秒钟内所产生的热量，如果热量的单位为j ，则q 的单 位为w ； i 。：电动机定子绕组在过负荷状态时流过的电流( a ) ； 坐堡型垫查兰堡圭竺垡笙塞 皇垫塑塑垫堕塑笙垦堡芝垄鎏堕窒 l ：电动机定子绕组在额定工况时流过的电流( a ) ： ，：电动机定子绕组的电阻( q ) 。 这一热平衡微分方程在考虑发热的同时，也考虑了热量向周围介质的散失，真实地 反映了电动枫在过负荷状态下实际的温升过程，其温升特性表达式为： 口：哗( 1 - e 生。) 删 式( 2 2 ) 式中，。，、l 、r 的意义同式( 2 1 ) 相同； 护：定子绕组的温升( o c ) ； a ：冷却表面积( m 2 ) 口：散热系数，即每平方米表面、每度温差、每秒时间内所散发的热量焦耳数 ( ：- 。c ) ； c ：定子物体材料的比热，即将1 公斤物体温度升高1 。c 所需热量的焦耳数( 勿毫。c ) ； g ：定子物体的重量( 匆) 。 我们通过式( 2 2 ) 可以看出，电动机定予绕组的温度随时问成指数关系变化，如图 2 1 中的曲线s c 所示。 图2 1 电动机的温升特性曲线 9 当查型垫茎堂堡主鲎壁堡墨里垫坐塑垫堕堑堡堡堡篓互望翌壅 当时间t = o 时，电动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 提高电动机的温度，所以电动机温度上升很快。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，它所产生的全部热量散发到周围介质中， 即达到稳定温升，则电动机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负荷而不致于被烧坏，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，甚至将电动机烧坏。 2 3 3 2 过负荷保护原理 设电动机定子绕组在额定工况时流过的电流为，绕组的铜损为只；过负荷时电流 增大到i d v 而绕组的铜损由增大到只，则有只一j 。2 ，匕= ，。2 ，。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 么根据电动机原理，则绕组的温度按指数规律由0 。上升到屯，在指数规律的线性段近似 认为温度0 随时间t 线性上升。则有出时间内绕组的温升为： 灿。一与竽啬降2 十 式中，c ，：导体的热容量( + ) ，其意义是导体温度每升高l 。c 所需要的热量， c = c g ( c 、g 的意义同式( 2 2 ) 相同) 。 假设允许温升h o = 0 , - 0 。给定，对于某一确定的过负荷值，( ，；等) ，就有一 确定的允许过负荷时间f 。= 缸，即 。= 譬芋而1 ；再k 式中，0 。：定子绕组的允许温度( 。c ) 0 ：定子绕组在额定工况时的温度( 。c ) k ：与定予绕组热容量和温升等有关的常数，且k ；半 式( 2 4 ) 就是传统的反时限过负荷保护的动作判据，它所表示的定子绕组过负荷允 1 0 山东科技大学硕士学位论文电动帆的故障特征及保护方法研究 许时间，。过于保守。 2 3 3 3 传统的过负荷保护存在的问题 ( 1 ) 因为由过负荷电流所产生的热量总是要向周围介质散失一部分，也就是说实际 允许的过负荷时间将大于式( 2 4 ) 的f 、。为了弥补这一缺陷，传统的处理方法是加一修 正系数，将保护系统的动作特性方程由式( 2 4 ) 变为： f 一：丝 式( 2 5 ) ，。了i 面 引己 式中，a ：与定子绕组温升特性、温升裕度等因素有关的修正系数，一般 取a 一0 0 5 。 式( 2 5 ) 显然表明，修正系数a 的作用受，。的影响较大。当过负荷较大时，a 几 乎没有什么作用；而当过负荷电流较小时，如， 1 1 时，a 的修正将使允许过负荷时 间显著增长。因此，增添修正系数a 对改善保护系统动作特性的合理性缺乏理论依据。 ( 2 ) 在前面的推导中是近似的认为温度8 随时间f 线性上升的，正如图2 1 中以切 线s t 代替温升特性曲线s c 。当时间f 很小时，这一简化不会带来太大的误差；当时间f 较大时，特别是像电动机在低倍过负荷这样长时间的延时，电动机允许的过负荷时间为 f 。；而以切线s t 代替曲线时，反时限过负荷保护的允许时间为a t ，这将导致过早地将 电动机切除，而未能充分地发挥其承受过负荷的能力。这也是传统反时限过负荷保护的 不足之处。 ( 3 ) 由于电网的负荷波动大，使线路中电流发生变化。在过负荷过程中，有时本次 延时保护还没有动作时，过负荷特性即发生变化，使保护( 传统的过负荷保护) 返回， 在热量没有完全散走的情况下，若再次出现过负荷，保护将重新计时，这种断续过负荷 会造成热量的积累，所以热量积累的问题必须加以考虑。而传统的过负荷保护并没有考 虑这一问题。 ( 4 ) 由于实际的供电电压不平衡以及电动机绕组不完全对称，在电流中含有一定的 负序分量。数值相同的负序电流产生的损耗为正序电流损耗的几倍，所以当有负序电流 出现时，转子损耗将显著增加。特别是在转子中产生倍频电流流过转子表层，将导致转 予局部过热而烧伤，甚至导致护环松脱，造成严重破坏。因此在建立电动机过负荷保护 模型时必须对负序电流予以重视。而传统的过负荷保护只反映了定予电流的大小，没有 些查型茎查堂里主兰竺堡苎 鱼垫垫! ! 塑堕鳖堑丝堡芏互堡婴堑 考虑负序电流的影响。 2 3 3 4 过热保护的保护原理 为了简单方便地反映电动机正序电流，。和负序电流，：的不同发热效应，英国g e c 公司提出了一个粗略反映电动机发热效应的“等效电流”，。，其表达式为： j 。2t 墨1 2 + k 2 j 2 2 式( 2 6 ) 式中，k 。：正序电流系数。在电动机启动时间内，取墨= 0 5 ，可以防止电动机正 常启动中保护误动；在整定的启动时间以后，取k 。= 1 0 。 k ：负序电流系数，取k ：= 3 1 0 ，模拟，：2 的增强发热效应，一般可取为6 。 本系统的过热保护动作方程为： 降2 m 旧2 卜 削z ， 即： 妇百焉 引2 8 式中，f ：过热保护动作时间( s ) ； f ：发热时间常数( s ) ； ，。：电动机的等效电流( a ) ； ，：电动机热保护动作电流，可整定( a ) 。 此方程反映了正序电流和负序电流与流进电动机的实际电流相对应的总的热效应， 从而可确保对电动机提供准确、可靠而有效的过热保护的依据。 为在计算机中实现发热模型的热积累特性，可将式( 2 7 ) 改写为离散求和的形式： q 2 琳钭蝎乩噼卜 一， 式中，q 为电动机的热积累时间( s ) ； ，0 ) 表示进行第n 次热积累计算时的正序电流的有效值； ：0 ) 表示进行第n 次热积累计算时的负序电流的有效值； 1 2 塑垫查兰堕主兰竺丝塞 皇垫垫堕垫堕壁堑墨堡塑查婆旦塞 f 为相邻两次热积累计算的时间间隔，可整定。 如第n 次计算表达式的值大于零，由此值对应着过电流产生的热效应，应累加进入 g 。离散求和形式的热积累模型的保护动作判据为：q f ；当电动机热积累q 具有0 q r ， q ( ) = 2 3 4 负序电流保护 根据对称分量法，当电动机发生非接地性不对称故障时，如断相、不平衡运行、匝 问短路及不对称相间短路等，会引起三相电流不对称，出现负序电流。负序电流产生的 负序旋转磁场( 即与转子反向旋转的磁场) 将会在转予回路中感生出约两倍工频的交流 电，导致转子发热并产生振动，因此针对非接地性不对称故障，要设置负序电流检测和 保护。 2 3 4 1 负序电流保护原理 根据对称分量法，三相异步电动机三相电流j 。、j 。、j 。可变换为正序电流? 。、负 序电流j ：和零序电流厶，它们之间满足如下关系： 热脚。= 一三+ ，譬； 扛一1 1 一- ，车。 式( 2 1 1 ) 对应的逆变换关系为： 式( 2 1 1 ) 。 0 、卟 q】p一料桦 胖髀 p 一 x n，俚0 联 撕 埘们 v + 口 a o + + 一一厶厶 d | i = ， b c 些墨翌苎堑堡主兰垡堡苎 皇垫垫塑垫堕塑笙墨堡茎查鎏旦塞 j ，：；( ，。+ o 。+ 口：j ，) ，：；( j 。+ 口z ，。+ 止) ，。：；( ，。+ ，。+ 厶) 由式( 2 1 2 ) 得知：当电动机正常运行时，三相基本对称，负序电流约为零：当系 统电压不平衡或者电源不对称时，电动机的定子、转子电流中就会有负序电流。 2 3 4 。2 断相电流特性分析 三相异步电动机断相运行时，电流增大( 一般是额定电流的3 6 倍) ，输出功率减 小，这是一种介于过负荷和短路之间的故障，此时电动机仍然可以运行，但是转速下降， 并发出异常的“嗡嗡”声，若未及时排除，运行时间稍长，即可烧坏电动机。有调查表 明，由于断相运行造成电动机绕组烧毁占电动机绕组修理总数的6 0 - - 7 0 。断相故障是 一种严重的不对称性故障，是不平衡电压的极端情况，它造成的损害大体与不平衡电压 相类似，不同的是断相会使剩余相绕组严重发热，更易烧坏定子绕组和转子铁芯。 根据对称分量法，设a 相发生故障而断相，则各相电流为 fj 。= 0 【j 。= 一t 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) ，得 心严1 口2 小j - 扛j - i 。 j ：；( 口z 一口) t b ：一j 1 3 - i + b j。 ，。= 0 由此可见，断相时将出现正序和负序电流，不出现零序电流；正序和负序电流幅值 相等、方向相反。 2 3 4 3 两段式定时限负序电流保护 本系统设置了两段式定时限负序电流保护。 i 段的整定值高，主要是针对断相故障设定的。 三相正常时输出功率为： p s = 叫3 ux is c o sn p s r s 断相运行时，相当于电动机两相绕组串联后接于线电压上，输出功率为： 1 4 山东科技大学硕士学位论文电动机的故障特征及保护方法珂f 究 只= u x i d c o s q o d r d 式( 2 1 6 ) 式中，只、只分别为断相、正常运行时的输出功率； c o s c p d 、c o s q o 分别为断相、正常运行时的功率因数； r 。、叼，分别为断相、正常运行时的效率； ，。、，分别为断相、正常运行时线路中的电流； 【，为电网线电压。 若输出保持三相状态下1 0 0 负荷不变，即负荷率为1 ，则断相运行时供电线路中电 流为 若c o s 妒。= c o s q o d ，t 7 ，= 7 d ， 但实际上，断相运行时，由于负序电流的存在，电动机断相运行时的功率因数和效 率均明显下降。若取断相运行时，c o s q 9 d ；0 9c o s ，仉一o 8 7 仇，可计算出断相运行 时，线路中的电流，。= 2 2 ，负序电流的值，z = 1 2 7 1 , 。若负荷率为0 5 即断相运行 时输出功率为正常运行时的5 0 ，同理可求出i d = 1 1 i 。，1 2 = 0 6 3 5 i 。 如果此时取负荷率为l 时的负序电流值作为保护整定值，则负荷率为0 5 时的断相 运行将得不到保护。为了扩大保护范围，本系统取负荷率为0 5 时的负序电流值作为i 段的保护整定值，即供电线路中任一相电流为零，负序电流达到0 6 3 5 倍的额定电流时， 认为是断相，电动机瞬时跳闸。 i i 段的整定值低，主要是针对电网的不平衡运行设定的。由于供电电源的不对称， 即使在电动机正常运行时，也会存在一定的负序电流，但该电流一般不会超过0 3 倍的 额定电流，负序电流保护的整定应能躲过此负序电流。因此本系统取0 3 倍的额定电流 值作为段的保护整定值，一旦出现故障，电动机延时跳闸，延时时间可取为3 s 。 2 3 5 零序电流保护 电动机接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路两类。由对称分量法 分析，当发生接地性不对称故障时，定子电流可分解出零序电流分量，这是区别其它任 些至型! ! ! ：堂! 堡主兰垡堡三 皇垫坐堕塑堕堑堡墨堡芝立壅翌 塞 何非接地性故障的最根本特征，可作为接地性故障的主要判据。当发生接地性不对称故 障时，故障电流通过定子铁芯，不仅会引起铁芯过热，性能变坏，而且还会使电动机外 壳带电，严重威胁着操作人员的生命安全。因此针对接地性不对称故障，有必要设置零 序电流保护，作为电动机单相接地短路的主保护，同时可作为两相接地短路的后各保护。 2 3 5 1 零序电流保护原理 接地性不对称故障受供电系统的中性点接地方式的影响。供电系统的中性点接地方 式分为变压器中性点接地系统和变压器中性点不接地系统两种。在变压器的中性点直接 接地或经电阻接地系统中，如果发生接地性不对称故障，那么就会产生很大的故障电流。 对于大电流接地系统，在满足足够的灵敏度的条件下，可由三相电流互感器的电流之和 来取得零序电流或装设专用的零序电流互感器。在变压器的中性点不接地或经消弧线圈 接地的系统中，如果发生接地性不对称故障，故障电流较小，仅为几安培。对于小电流 接地系统，应装设专用的零序电流互感器来取得零序电流。 ( 1 ) 变压器中性点接地系统 在变压器的中性点直接接地或经电阻接地系统中，如果发生接地性不对称故障，那 么就会产生很大的故障电流，此时系统应速断保护，瞬时断开电动机。动作电流。的 保护整定原则是：系统要能正确区分启动或正常运转，动作电流应躲开电动机在启动过 程中由于三相电流不完全对称而出现的三倍不平衡零序电流，延时整定为o 5 s 。 ( 2 ) 变压器中性点不接地系统 在变压器的中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，保护动作电流，。的整定原 则是：当同一母线上其他任一台电动机单相接地故障时，应保证本电动机的零序电流保 护可靠地不动作。 小鼍净 式中，u 。：本电动机所在电网的相电压( y ) ： c o o ：本电动机每相对地电容( f ) ； ( c ) ：角频率，= w ； 。：本电动机的电流互感器变比； 山东科技大学硕士学位论文 电动机的故障特征及保护方法研究 k 。：可靠系数，可取1 5 - 2 。 保护灵敏度较验原则是：本电动机定子绕组单相接地故障时，本电动机的接地保护 应可靠地动作。灵敏度为： 小等 式中，u t 、c 、n l 、j m 的意义同式( 2 1 8 ) 相同； i 。：电动机所在全系统三相对地电容电流之和， 本系统取k h 2 。 2 3 5 2 定时限零序电流保护 由于我国大中型电动机一般采用中性点不接地方式，所以系统应装设专用的零序电 流互感器来取得零序电流( 当没有条件装设零序电流互感器时，可以使用计算得到的零 序电流，具体计算见本文第4 部分4 2 3 的介绍) 。其保护动作特性如下： 式中，j 。：电动机零序电流( a ) ，。出：保护动作电流( a ) ； f 。：整定的接地保护动作时问( s ) ( 一般为0 1 0 5 s ) ； 式( 2 2 0 ) t 。：接地保护动作时间( s ) 。 2 3 6 欠压与过压保护 异步电动机的