（模式识别与智能系统专业论文）基于网络的异步电机保护装置设计.pdf

摘要 论文题目：基于网络的异步电机保护装置设计 学科专业：模式识别与智能系统 研究生：郝婧 指导教师：刘军教授 协助指导教师：石文渊副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 异步电动机广泛应用于工矿企业，它是各种电动机中应用最广、需求量最大的一种电机。 据统计，电网的总负载中动力拖动约占6 0 ，动力负载的绝大部分是三相交流异步电动机， 因此它的保护问题长期以来受到人们的关注。 近年来，随着计算机技术与电子技术的不断发展，出现了以微处理器为核心的电动机综 合保护系统。这种新型的保护系统与传统的保护系统相比，具有强大的逻辑分析与数据处 理功能、故障记录与故障分析功能以及易于实现网络化管理等显著的优点，因而成为当前 电动机保护装置的主要发展方向。本文正是在基于这一背景开展对电动机综合保护系统的 研制和开发工作的。 文中采用对称分量法理论分析了电动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。在此基础上设计 了针对过载、堵转、短路、断相、欠压、过压等故障的保护方法及电路。 课题为基于r s 4 8 5 总线的电动机智能控制保护系统，本文设计了以3 2 位微处理器 a t 9 1 s a m 7 s 6 4 为主控中心的装置，具体进行了监测控制中心、信号调理及输出控制模块、 分析处理模块、人机对话模块以及通信模块的设计。并且设计了实用的系统软件，充分利 用它强大的信号处理能力，结合电动机保护理论完成了具有故障诊断与保护功能的新型电 动机综合保护系统的设计。 关键词：异步电动机保护；故障诊断；串口通信；r s 4 8 5 总线 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：a s y n c hr o n o u sm o t o rp r o t e c t i v ed e v i c eb a s e do n n e t w o r k m a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m n a m e ： j i n gh a o s u p e r v i s o r ：p r o f j u nl i u s i g n a t u r e ： ， s i g n a t u r e ：丝盎竺 a s s i s ts u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o w e n y u a ns h i s i g n a t u r e 一 a b s t r a c t a s y n c h r o n o u sm o t o r ，w h i c hi so n eo ft h em o s tp o p u l a rk i n d so fm o t o r s ，i sw i d e l yu s e di nt h e c o r p o r a t ee n t e r p r i s e s a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，p o w e rd r i v e ，m o s to fw h i c ha r ct h r e e p h a s ea c a s y n c h r o n o u sm o t o r s ，a c c o u n t sf o ra b o u t6 0p e r c e n to ft h et o t a ll o a di nt h ep o w e rn e t w o r k s s o i t s g r e a t l ys i g n i f i c a n t t o p r o h i b i t t h e t h r e e - p h a s ea ca s y n c h r o n o u s m o t o rf r o m d a m a g e a c c i d e n t l y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r i n t e g r a t e dp r o t e c t i o ns y s t e m sw i t ht h ec o r eo ft h em i c r o p r o c e s s o ra r ep u ti n t os e r v i c e c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a ls y s t e mo fp r o t e c t i o n ，t h en e wp r o t e c t i o ns y s t e mh a sp o w e r f u ll o g i ca n a l y s i s a n dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s t h ef a u l tc a l lb er e c o r d e da n da n a l y z e dt o o a n dt h i ss i g n i f i c a n t a d v a n t a g e sb e c o m et h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o no fm o t o rp r o t e c t i o nd e v i c e t h ec o m p r e h e n s i v e p r o t e c t i o no ft h ee l e c t r i c a ls y s t e mr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri su n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h i st 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 di su s e dt oa n a l y z et h ev a r i e t i e so f s 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 dt h em e a s u r i n gm e t h o do fn e g a t i v ea n dz e r o s e q u e n c ei sa d o p t e di nt h i sp a p e r e s p e c i a l l yt h ep r o t e c t i o no fo v e r l o a dc o n d i t i o ni sr e s e a r c h e d t h em o t o rf a u l t so fo v e r - l o a d i n g , s h o r tc i r c u i t ，p h a s ef a i l u r e ，o v e r v o l t a g e ，u n d e r - v o l t a g ec a nb e d e a l tw i t hb yt h ed e v i c e t h ed e v i c ew i t ht h e3 2 b i t sm p ua t 9 1 s a m 7 s 6 4d e s i g n e d t h eh a r d w a r eo ft h ed e v i c e c o n s i s t so fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lp a r t s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n do u t p u tc o n t r o lm o d u l e s ，a n a l y s i s a n dp r o c e s s i n gm o d u l e s ，i n t e r a c t i v em o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ，a n dt h ep r a c t i c a l p r o g r a m si sd e s i g n e d ，b ym a k i n gf u l lu s eo fm p ua t 9 1 s a m 7 s 6 4p o w e r f u lc a p t u r ef u n c t i o nt o o u t s i d ee v e n ta n ds t r o n ga b i l i t yo ft r e a t m e n tt os i g n a l ，an e wt y p eo fm o t o rp r o t e c t i v ed e v i c ei s d e s i g n e d k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o rp r o t e c t i o n ；f a u l td i a g n o s i s ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；r s - 4 8 5b u s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：查# 虽撕蛑弓月训日 学位论文使用授权声明 本人鱼叠：霸 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：牲 导师签名：加岵年弓月驯日 绪论 1 绪论 由于异步电动机结构简单、成本低、运行维护方便以及较好的机械特性而使得它在工业 控制和各种电气传动系统有着广泛的应用，并且重要程度日益增强。对异步电动机，尤其 对作用相对来说比较重大的三相异步电动机实行有效地保护是保证生产安全、高效运行的 一个至关重要的问题。在传统的电动机保护系统中，通常使用机电型( 含电磁型) 断电保护装 置。 从资料上来看，国内的电动机保护装置，要么专用性强，要么功能丰富，价格昂贵，通 用性较差，要么软件算法过于简单，误差较大，影响其使用性和实用性，而且般的电动 机保护只是简单地对过流、过压的保护，不能对保护情况作出判断。国外许多公司也已经 研制出各自的保护装置，但其产品也大都存在一些不足：没有充分考虑电动机的过载能力， 人机界面不友好，不便于普通工人的操作和使用，尤其是现有保护系统只能对单台电动机 保护，没有和p c 机通信的端口，无法构成网络系统，不便于集中管理。 随着电力电子技术的发展以及计算机技术的迅猛发展，电子式保护装置占据主导地位， 微机保护开始广泛应用于各种保护系统之中，人们运用各种微机如单片机、单板机等来实 现对异步电动机的保护，开发出一种适应现代化生产和管理需要的新型、网络型电动机综 合保护系统。 1 1 电动机保护的意义 电动机是机电行业使用最为广泛的设备之一，是其它机电设备的动力源泉，其正常的输 出动力是其驱动的机电设备工作的前提。如果电动机发生故障，轻者影响生产的正常进行， 重者则烧毁电机，甚至使整台乃至整套设备陷入瘫痪，给企业造成巨大的经济损失。据有 关部门统计，我国每年烧毁的电动机总数达3 0 0 万台，修理费用达到了1 0 0 多亿元，间接 经济损失达到了数百亿元。 随着经济与社会的不断发展，各种各样的电动机已经在现代工业生产、产业部门以及我 们日常生活中得到广泛应用。它们已经是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱 动装置。电动机的数量之多、应用范围之广、地位之重要，几乎没有其他设备能与之相比。 恶劣的使用环境常常造成电动机性能下降而导致故障，电动机经常遭受水、潮气、高温和 煤尘的侵害，使电动机运行条件严重恶化，各种性能下降，诱发各种事故，并且电动机的 烧毁也时常发生，给安全造成较大损失。 因此，电动机的保护至关重要，是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键之一， 对国民经济有着重要的意义。 1 2 国内外异步电动机保护装置发展 高压、低压异步电动机广泛地应用于发电厂和工矿企业。据统计，电网的总载中动力拖 动约占6 0 心1 ，动力负载的绝大部分是三相交流异步电动机，现在具体介绍一下异步电动机 西安理工大学硕士学位论文 保护的现状。 ( 1 ) 热继电器为主的组合保护方式 中小型异步电动机保护采用熔断器、接触器和短路器及热继电器的组合。采用熔断器及 热继电器的异步电动机保护是种较为经济、简单的方式，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， 实际上它对异步电动机不起直接保护作用。当熔体熔断时，又往往会造成异步电动机缺相 运行而烧毁。现行的熔断器熔体截面选择按异步电动机额定电流1 5 - - 2 5 倍来选择是不符 合实际的。电动机起动时受到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 ，在异步电动 机起动时很容易发生部分相首先熔断，而使电动机处于缺相运行，造成烧毁事故。 过载热继电器在保护异步电动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，使得绕组绝缘老化造成异步电动机损坏。但是热继电器对起动过程中的异步电 动机不起保护作用，而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，由于热继电器安装在异步电动机壳外，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，这样热继电器就无法保护异步电动机。原因是热继电器串接在主 电路中，与电动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1 。 ( 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， 有一部分异步电动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，或者有相当数量的异步电动机采用一次过流保护。根据异步电动机的 起动特性，为了使保护器在异步电动机起动时可靠不动作，这些保护的定值都要躲过电动 机的起动电流来整定，这样定值要比其本身额定电流大许多倍，这对于异步电动机匝间故 障、堵转、转子鼠笼断条等故障动作的灵敏度降低，而只能保护电源电缆和定子入口的一 部分，这就加重了异步电动机的损坏程度，有不少异步电动机在故障切除后，烧毁的部分 无法修复。可见电磁型电动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 4 】 o ( 3 ) 温度保护 决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度，因此，任何过负荷的允许持续时间都应以绝缘发 热为依据。而热保护( 热继电器) 和电流保护( 电磁型、电子式) 的本质都是按照异步电动机定 子电流的大小来规定允许过负荷时间的长短。 温度保护是利用安装在异步电动机内部的温度传感器来实现的。当异步电动机达到一定 温度时，继电器动作断开异步电动机的供电电路。这类保护的关键是在制造异步电动机时， 2 绪论 将传感器直接放在异步电动机绕组里，但究竟将其预埋于异步电动机的哪一部位才能最全 面有效地监测异步电动机绕组的温升，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b 处的温度 变化，因而延误保护动作的时间而使故障扩大。也就是说它的监测功能是局部的，况且由于 传感器埋在异步电动机绕组里，对传感器的维护和检修极为不便，必须拆除异步电动机本 体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 随着现代电子技术的发展，一批新型的电子模拟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，其原理一般包含两个方面：一是通过检测电流值来反映 过载、短路及堵转等以过流为特征的故障：二是通过检测异步电动机的电流是否缺相来反 映断相故障。基于过流保护从原理上分析有以下问题： 不对称故障或不平衡运行状态与对称故障或过载引起异步电动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 电动机过热、转子震动等一系列问题。因此，若仍以过流为目标构成保护器，则难以实现 对电动机的全面检测和保护。 电动机内部绕组故障( 如匝间短路、单相、两相接地等) 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，等到故障严重到需要过流保护动作时，电动机已损坏，保护就失去了意义。 ( 5 ) 微机保护 微机保护是近二十余年发展起来的一种新型保护方式，深受广大用户的欢迎，发展速度， 也越来越快。微机保护较传统保护有着性能优良、可靠性高、灵活性强和易获得附加保护 功能等优点。但在以前由于其成本高、价格较贵，一般的异步电动机保护基本上不选用它。 随着科学技术的飞速发展，近年来单片计算机和各种电子元器件的价格逐渐下降，微机保 护正在广泛地应用于异步电动机保护，而且以物美价廉、多功能和高可靠性等优点逐步取 代其它保护装置。 传统的电子保护仪器已从模拟技术向数字技术发展，从单台仪器向多种功能仪器的组合 及系统型发展，从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向发展，从功能组合向以计算 机为核心构成多功能模块的保护系统发展。 1 3 国内外异步电动机保护理论的发展 总体来说，国内外异步电动机保护理论的发展经历了以下三个阶段： ( 1 ) 异步电动机常规保护理论 异步我国电动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 3 西安理工大学硕士学位论文 对异步电动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 应会导致异步电动机端部发热、转子振动、减小起动力矩等一系列问题，这时只以过流来 反映故障严重程度显然是不够的。 ( 2 ) 基于对称分量法的异步电动机保护理论晦1 根据对称分量法理论，当发生不对称故障时，异步电动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异步电动机过流程度，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。根据这个原理可构成异步电动机的综合保护。进一步还可以发现，电 动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异步电动机的故障类型之间 具有较好的对应关系。根据这一关系，可以鉴别电动机的故障类型，判别故障原因，从而 实现异步电动机保护的智能化。随着微机保护技术的成熟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动机保护装置，基本原理都是基于上面提到的对称分 量法原理。由于微机保护软件实现的灵活性，新一代异步电动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异步电动机智能化微机保 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 是将异步电动机运行状态的测量、保护、控制、通信集成于一体的微机型异步电动机终端 单元。 目前，对称分量法理论在处理异步电动机外部严重故障的诊断与保护方面已研究得较为 成熟。然而，由于对称分量法是基于理想异步电动机假设，忽略了多种电磁谐波及绕组的 不对称，而这些电磁信号的变化往往是异步电动机早期故障诊断最为关心的征兆。同时， 对称分量法以每相绕组为基本分析单元，当处理异步电动机内部故障时，出现电抗修正和 相序网络间相互关联等困难，从而难以有效地定量分析。因此基于对称分量法的电动机内 部故障机理的研究也只能停留在定性分析的层面。 ( 3 ) 基于先进信号处理方法的异步电动机保护理论 该理论是在原有的异步电动机保护理论基础上，加强了信号处理的能力，使异步电动机 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谱分析技术在异步电动机故障诊断 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。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，给信号加上一个时一频窗口，根据频率自动调节窗口的大小，以确保捕捉到 信号中希望得到的有用成分。小波分析在时域、频域同时具有良好的局部化性质，因此比 傅立叶变换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。 因此适合于处理异步电动机故障特征信号，便于迅速捕捉异常状态以采取保护措施。 近年来，这领域的研究还包括人工智能呻1 、模糊数学口1 、神经网络阳3 等先进信号处理 4 绪论 方法在异步电动机故障诊断中的应用研究，由于微机技术擅长于实现复杂的算法，因此以 上理论研究成果与微机保护的结合可以预期使异步电动机在线状态检测和故障诊断出现新 的突破。 1 4 课题研究的主要内容和任务 本课题是在单片机微处理技术、通信技术以及计算机技术广泛应用的基础上提出的。利 用微处理器强大的的计算能力、逻辑分析能判断能力、记忆能力以及通信能力，既可以为 电动机提供更加可靠和灵活的保护，还可以提高工业生产的自动化水平。课题主要以 a t 9 1 s a m 7 s 6 4 为控制核心，设计三相异步电机的保护装置以及p c 远程监控软件，主要内 容有以下几个方面： ( 1 ) 在对电动机各类故障特征进行了详细的分析的基础上，给出保护的实现方法； ( 2 ) 设计以a i g l s a m 7 s 6 4 为控制核心的异步电动机保护装置的硬件电路，包括系统电 源模块、数据采集及其调理模块、人机对话模块以及通信接口模块等电路； ( 3 ) 设计了异步电动机保护装置系统软件的实现方案，包括主程序、数据处理程序、 键盘中断响应程序、下位机串口程序、上位机监控软件设计等； ( 4 ) 对故障数据进行有效、详细地存储，为故障分析提供依据，又节省存储器的空间； ( 5 ) 利用硬件和软件的方法增强了系统的抗干扰能力，提高了系统运行的稳定性。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 电动机的故障特征分析及保护方法研究 2 1 电动机的常见故障分类 异步电动机因其结构简单、成本低廉、运行维护方便等优点而得到广泛的应用。要使电 动机可靠、安全地运行，就必须研究异步电动机有可能发生的各类故障，以及这些故障给 电动机带来的影响。对于异步电动机来说，其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方 面。造成绕组损坏的主要原因有： ( 1 ) 由于电源电压太低使得电动机不能顺利起动，或者短时间内重复起动，使得电动机因长 时间的大起动电流而过热； ( 2 ) 长期受电、热、机械或化学作用，使绕组绝缘老化和损坏，形成相间短路或对地短路； ( 3 ) 因机械故障造成电动机转子堵转； ( 4 ) 三相电源电压不平衡或波动太大，或者电动机断相运行； ( 5 ) 冷却系统故障或环境温度过高。 造成电动机轴承损坏的原因主要是机械负荷太大、润滑剂不合适，或者恶劣的工作环境， 如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。 由于电动机的微机智能保护主要通过测量电量( 电流、电压以及开关状态等) 来监测电动 机的运行状况，因此面对的主要问题是绕组故障。 引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称性故障和不对称性故障两大类。 对称性故障主要有三相短路、堵转和对称过载等故障。这类故障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，对称性故障可以通过过流程度来反映，这正是常规的 过流保护的基本立足点。 不对称性故障又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、相间短路，匝间短路及不平衡运行等。这类故障 会引起三相电流不对称。由于我国电动机的中心点不接地，因此定子电流中可分解为正序 和负序分量( 零序分量为零) 。由于电动机正常运行时负序电流分量基本没有，所以采用负序 电流分量作为该类故障的判据。此类故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应， 会造成电动机端部发热，转子振动及起动力矩降低等一系列问题。若伴有过流情况发生， 还会使绕组发热。 接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路。由于井下电气设备外壳必须安 全接地，因此电机绕组刮壳、绝缘破坏等都可能导致接地故障，尤其处在尘埃多或湿度大 的井下环境下，故障率就更高。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，可以作为接地性故障的主要判据。 不对称运行的另一个负面效应会引起电动机效率降低，因此必须对电动机的不对称程度 运行进行保护。 从以上故障分析中可以看出电动机故障的突发性与多发性，而要对电动机的这些可能发 6 电动机的故障特征分析及保护方法研究 生的故障实施全面的、完善的保护也是比较困难的，本文主要讨论如何在电气方面对电动 机实施综合保护。 2 2 电动机的故障特征分析 2 2 1 过载故障特征分析 a 电动机的温升 电动机在工作的同时有铜损、铁损和机械损耗产生，它们转变为热量，一部分通过机体 散失到周围空气中，一部分积存在机体中加热电动机，使其温度上升。单位时间内加给电 动机的热量，决定于电动机工作的损耗p 。 p 。1 - r p r ( 2 1 ) 式中卜电动机轴上功率，单位是w ； r 电动机在负载p 下的效率。 在电动机工作温度范围内，散热量与温升( 电动机和周围空气的温度差) 成正比。如果 电动机开始发热时，电动机的温度与周围空气温度相同，这全部损耗热量将保留在电动机 内，温度上升速度最快；随着机体温度的增加，大部分的热量散发到周围空气中，机体温 度上升速度减慢；最后电动机中产生的热量全部散失到周围空气中，此时电动机温度不再 升高，温度达到稳定值，即处于发热与散热平衡的状态。 热平衡方程式为：q a t = c d v + a v d t 整理后为： 式中q 一电动机单位时间产生的热量； a 1 - 电动机单位时间散出的热量，其中a 为散热系数，表示升温为1 。c 时，每 秒钟的散热量； c 一电动机的热容量。 式( 2 3 ) 是一个非齐次常系数一阶微分方程式。当初始条件为t = o ，f 一o 时，特解为 f ：吒+ ( z f 0 - 气) e 专 ( 2 4 ) 式中 乙= 署发热时间常数，指如果电动机所产生的热量不散到周围空气中，而全部 加热电动机本身一直达到稳定温升所需要的时间，表征热惯性的大小。 吒= 等稳态升温； 7 口u2 q 一么 吒 等 蔫 f f + + 打一出如一出 c 一彳乃 西安理工大学硕士学位论文 r f o 起始温升。 式( 2 4 ) 表明，热容量越大，热惯性越大，到达稳态温升的时间也越长；散热越快，达 到热平衡状态就越快，时间常数乃则越小，整个发热过程如图2 1 所示。 图2 1 电动机发热过程的温升曲线 f i g u r e 2 1t e m p e r a t u r er i s i n gc u r v eo fm o t o rh e a t i n gp r o c e s s 此外，电动机的发热情况还与负载的大小、运行方式有关。电动机的运行方式通常分为 长期运行，短时运行和重复短时运行3 种。 长期运行方式时，电动机承担不变负载工作且长时间运行，其各部分的温升都达到实际 的稳定值。 短时运行方式时，电动机承担不变负载且工作时间相当短，不能使电动机各部分的温升 达到实际的稳定值，而电动机停车时间又相当长，其各发热部分都能回复到实际的冷却状 态。电动机在短时运行时，可以容许过载，工作时间越短，过载可以越大，但过载量不能 无限增大，它必须小于电动机的最大转矩【引。 重复短时运行时，电动机在一系列相同的安全工作周期内运行。每一个工作周期包括一 个带有不变负载的工作时间和电动机停止时间，但工作时间和停止时间都很短，不能使电 动机各部分的温升达到稳定值。 b 电动机容许过载特性 电动机连续运行时，其负载不允许超过额定功率昂，但短时过载在一定条件下是可以 存在的。为了保证电动机的稳定运行，不因短时的过载而停机，就要求电动机有一定的过 载能力。电动机的过载能力是用最大力矩m 。与额定力矩m h 之比来表示，即： = m 。m ( 2 5 ) 电动机在额定负载下运行时，额定电流为，。，电动机的发热量为q ，其额定的最终温升 曲线如图2 2 中曲线l 所示。 电动机绕组容许温升为，额定温升为，则温升倍数口；。 由于电动机设计时总留有一定的富裕量，故a 1 ，因此电动机可以容许有一定时间的 过载运行。电动机过载运行时电流为i ，电动机发热量为q ，其最终温升为l ，其温升曲线 8 电动机的故障特征分析及保护方法研究 如图2 2 曲线2 所示。 电动机由额定功率运行开始至过载运行的容许时间乞一乞一 ，称为热态容许过载时间。 而电动机由常温( r = 0 ) 运行开始至过载运行的容许时间乞- t ：，称为冷态容许过程时间。 图2 2 电动机不同负载时温升曲线 f i g u r e 2 2t e m p e r a t u r er i s i n gc u r v ew i t hm o t o r d i f f e r e n tl o a d 0 电动机过载保护特性 电动机过载保护动作时间t 和过载倍数1 3 的关系称为过载保护特性。图2 3 中曲线1 的 左侧为电动机的正常工作区，右侧为电动机不容许工作区，设置过载保护一定要在电动机 的工作区，即图2 - - 3 曲线 t 图2 3 电动机过载保护特性曲线 f i g u r e2 - 3m o t o r so v e r l o a dp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c 1 一电动机容许过载特性；2 一定时限过载保护特性； 3 一阶段式定时限过载保护特性；4 一反时限过载保护特性 图中曲线2 为定时限过载保护特性曲线，曲线3 为阶段定时限过载保护特性曲线，曲线4 为反时限过载保护特性曲线。反时限过载保护的保护动作时间与故障电流的大小成反比， 动作时间随电流大小而变化，因此整定的时间必须指出某一电流值或动作电流的某一倍数 下的动作时间。 对于图2 - 3 中曲线4 所表示的连续的反时限过载保护特性，可以通过取有限个有代表性 的特征点来实现，如表2 一l 所示。 9 西安理工大学硕士学位论文 表2 - 1 电动机反时限过载保护 t a b l e2 - 1o v e rc u r r e n ti n v e r s et i m el a g 过i 实际i 额定动作时间s 流乏1 26 0 1 2 0 1 8 02 4 03 0 0 反苫1 3 14 89 61 4 41 9 22 2 0 时乏1 3 83 67 21 2 01 6 8 2 0 0 限乏1 4 42 46 09 61 2 0 1 8 0 保 2 1 5 082 03 04 06 0 护 2 061 02 03 04 0 2 3 0 0 471 42 02 5 ( d ) 反时限过载保护特性的意义 从以上分析可知，电动机只能工作在保护特性曲线的左侧，保护特性曲线和容许过负载 特性曲线之间的区域是不能充分利用的区域。从图2 3 中可以看出，只有反时限过载保护 特性曲线使这一区域最小。为了充分利用电动机的过载能力，显然反时限的过载保护特性 是最理想的。 若电动机的过载保护采用定时限的过载保护，电动机在稍有过载时，保护就会很快动作， 但实际上这种保护是无法应用的。在实际生产中，拖动电动机的负载是变化的，频繁的保 护停车将影响正常生产。即使是采用反时限的过载保护，若低倍数过载保护工作时间太短， 将不能充分发挥电动机的潜力。所以电动机反时限过载保护特性必须与电动机容许过载特 性很好的配合，也就是使电动机过载保护要具有优良的反时限特性。 2 2 2 断相故障特征分析 断相是引起电动机烧损的另一原因，约占电动机烧损的1 0 以上。从广义上讲，输入 电动机绕组电流不对称达到一定的程度，就是故障状态。电机断相运行则是一种严重的电 动机绕组电流不对称故障状态。用对称分量法分析，电动机三相电流不对称分为正序、负 序和零序。正序电流产生正向转矩，负序电流产生反向制动转矩，零序电流增加损耗。带 动同样负载正向转矩要克服负载转矩和由负序电流产生的反向制动转矩，因此负担加重， 电流剧增，引起损耗增加，结果是造成电动机烧毁。 根据电动机定子绕组的不同接法，断相故障电流值见表2 - 2 。 1 0 电动机的故障特征分析及保护方法研究 表2 - 2 电动机断相故障电流值表 t a b l e2 - 2c u r r e n tv a l u e o fm o t o rw i t hp h a s ef a i l u r e 序号断相类型断相示意图启动情况满载情况 电动机星形接法断 1 4 = 0 i 一= 0 1 !。 i 口一i c = 0 8 6 6 i ，i 口= i c = j 7 3 1 。 一相 c i a 一0 i = 0i 口= i c 。1 7 3 1 。 电动机三角形接法 jv vv 、2 断一线 c i 矗= 2 i e i _ = i c i 。 i a i c 一0 8 6 6 1 。 电动机三角形接法、 i b ；i s i 口一j i e 3 c 垦 l i _ 一i c 一0 5 8 1 ，i a 一0 断一相 i 口一i c 一1 5 1 。 注： 电动机正常超动电流；l 电动机额定电流( 线电流) ；l 电动机额定电流。 当断相信号超过一定值时，保护装置经过一固定短延时后推动触发电路翻转实现保护。 设置固定的短时限是为了避免因电动机启动时发生的三相电流不对称，以及线路中偶然出 现的瞬间电流不对称而使保护装置进行误动作。 2 2 3 短路故障特征分析 短路故障包括供电线路的短路与电动机内部各绕组间对称的断路。电动机的短路会发生 热破坏，在严重情况下将同时发生力破坏，二者形成恶性循环，造成严重的安全事故。 电动机短路故障既然会带来严重的后果，所以在设计电动机综合保护时必须设置短路速 断保护。 短路保护的整定值应大于电动机最大稳定启动电流，一般取电动机额定电流的8 1 0 倍，时限为躲过启动瞬间冲击电流的时间，即大于0 0 4 s 。 为了区分堵转故障和电动机的正常启动，通常将电动机稳定启动电流作为堵转保护的整 定值，时限定为通常电动机重载启动的启动时间( 8 一- - 1 6 s ) 。电动机的堵转时限保护和短路 速断保护一起构成电动机的短路保护，如图2 4 所示。 西安理工大学硕士学位论文 t 1 0 l 024681 0 图2 4 电动机短路保护特性曲线 f i g u r e 2 - 4c h a r a c t e r i s t i cc u l e so fm o t o r ss h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o n 短路保护的信号通常都是取自三相电流，采用电流互感器取出，超过设定值后，直接推 动触发电路翻转，实现速断保护。 2 2 4 堵转故障特征分析 在额定电压下，因为各种原因使转子发生堵转的电动机散热条件极差，电流很大，特别容 易烧毁电动机刚刚开始启动时，由于种种原因( 机械故障、负荷过大、电压过低等) 转子不 能正常起动，使转子始终处于静止状态( 转差率s = 1 ) ，这就是通常意义下的堵转。 电动机在启动过程中除了s = l 为堵转外，由于某种原因使电动机运行在转速很低的状态 下，而达不到设计的额定转速，也是一种堵转状态。电动机在正常运行中，由于机械故障将转 予卡住、负荷急剧增加、电压突然失去等原因也可能使转子转速迅速下降，运行在一个很低 的转速下甚至转子完全停下来，造成电动机堵转【删。 堵转信号可取自于电动机线电流，当线电流超过堵转电流整定值，并达到整定时限时， 立即进行断电保护。堵转保护的电流整定值一般可取电动机的稳定起动电流，即额定电流 的4 7 倍。 由于电动机起动电流也能达到额定电流的4 - - 7 倍，为区分电动机的堵转故障与正常启 动，保护算法上要能够判别电动机是在启动时间内还是在启动时间后，一般采用躲过电动 机启动时间( 8 1 6 s ) 的方法来实现，以此来有效地躲过电动机的启动电流，以免误动作， 使电机无法正常启动。 2 2 5 欠压和过压故障特征分析 a 欠压保护 在电动机负载和转子电阻一定的条件下，电网电压降低时，电磁转矩下降，电动机转速 下降，旋转磁场对转子的相对转速增大，磁通切割转子导条的速度增大，因此转子绕组中 感应出的电动势和产生的转子电流都将增大m3 。这使得定子电流必然相应增大，温升增高。 如果电动机长时间在低电压工作会使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。低电压 1 2 电动机的故障特征分析及保护方法研究 也会使电动机起动转矩下降，当电压降低到能使转矩小于负载转矩时，电动机就无法启动。 欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值低于保护整定值，则认 为有故障产生，应进行断电保护。 b 过压保护 过电压一般是由电网电压波动造成的，当然也可能是伴随其它故障的产生而产生的，如 对于负载星形联接且无中性线的电动机，如果定子绕组一相短路，会造成其它两项负载的 电压增大。 电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，进而缩短电动机的使用寿 命，因此电动机应该装设过电压保护。 过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则 认为有故障产生，应进行断电保护。 2 3 电动机的保护原理 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 3 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。如果以，。，詹，c 表示三相电流，j 一o ，j + ，一表示a 相电 流零、正、负序分量，则它们可以组成唯一的，。同理，矗也可以分解成i a o ，i 肌，l a ， 也可以分解成l c o ，i c + ，i c 。其中，_ + ，口+ ，c + 是一组对称的向量，相位顺序为a 相超前b 相1 2 0 。，b 相超前c 相1 2 0 。，称为正序分量电流；，彳，且，c 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 _ d ，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 ，o i l - l 口 ；! i1厶： 3i i1 1 l l ib i c ( 2 6 ) 由式( 2 6 ) 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。 1 3 西安理工大学硕士学位论文 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 分量是独立的。 2 3 2 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 - 3 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；，表示故障 前电流幅值；罗，。l + l + 。 一 表2 - 3 电动机常见故障电流情况表 m l b l e 2 3c u r r e n ts i t u a t i o no fm o t o ru n d e rc o m m o nf a u l t 故障类型零序电流负序电流过电流其它故障特