（电力系统及其自动化专业论文）一体化同步电动机保护测控装置设计.pdf

硕l j 论文一体化吲步电动机保护测拄袈督设汁 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f t h e d e v e l o p m e n t o f s y n c h r o n o u s m o t o r p r o t e c t i o n ，s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o le q u i p m e n ta r ep r o p o s e di n t h i st h e s i s i nt h i st h e s i s ，t h ee q u i p m e n ti se x p o u n d e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h i s e q u i p m e n t u s e st h e1 6 b it m i c r o d r o c e s s o ro fi n t e l8 0 2 9 6 s aa sit sc e n t r a l p r o c e s s o r ，p u t t i n gt o g e t h e r s u c hf u n c t i o n sa s p r o t e c t i o n ，c o n t r o l ， s u p e r v i s o r y ，c o m m u n i c a t i o n ，d i s p l a y a n de t e i t sc o m m u n i c a t i o nm o d eo f w o r i d f i pf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m i ts u p p o r t sd o u b l e n e tc o m m u n i c a t i o n i nt h e s o f t w a r ed e s i g n ，t h ep r o t e c t i o nm o d u l ei sa b s o l u t ef r o mo t h e rm o d u l e s i t s s t a r t u pr u n s f jr s t l ya n dt h e ni t sm e a s u r er u n s oi t sp r o t e c t i o nm o d u l ei s in d e p e n d e n c e t h i se q u i p m e n tw i l lb eap a r to ft h er c s 一9 0 0 0s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a n di tc o n n e c tw i t ho t h e re q u i p m e n tb yn e tt of o r mt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u s p r o t e c tio n ， m o t o ri n t e l 8 0 2 9 6 s aw o r l d f i p s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o le q u i p m e n t y 6 2 4 6 7 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：逊蚺口严年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕卜论文 体化可步电动机保护删抖f 皴置歧汁 l 引言 同步电动机主要应用在各大型厂矿企业，与异步机相比有许多优点，尤其是能 发送无功功率，提高功率因数，节约电能，利于系统电压稳定，在工业生产中起重 要作用，因此，它的运行安全性和连续性对生产具有重大影响“。同步电动机价格 昂贵，其保护相应地要求较高，同步电动机发生故障时，保护应能快速可靠地动作， 避免故障的加剧和扩大；同步电动机异常运行时，保护应能适时给出报警信号。由 于微机保护具备快速实时计算存储和记忆的功能，与传统电磁式保护比较而言，具 有更大优越性，因此用微机来实现的同步电动机的保护，能更好的满足同步电动机 的保护要求。 1 1 同步电动机保护现状和发展 在继电保护技术领域，6 0 年代术期已提出用计算机构成保护装置的倡议。在 7 0 年代，掀起了研究热潮，在此期间提出了各种不同的算法原理和分析方法。但是 限于计算机硬件的制造水平以及价格过高，故当时还不具备商业性地生产这类保护 装罱的条件。早期的研究工作是以小型计算机为基础的，出于经济上的考虑，曾试 图用一台小型计算机柬实现多个电气设备或整个变电站的保护功能。这种想法使可 靠性难以得到保证，因为一旦当该台计算机出现故障，所有的被保护设各都将失去 保护。到了7 0 年代术期，出现了一批功能足够强的微型计算机，价格也大幅度降 低，因而无论在技术上还是经济上，已具备用一台微型计算机来完成一个电气设备 保护功能的条件。甚至为了增加可靠性还可以设置多重化的硬件，用几台微型计算 机互为备用地构成一个电气设备的保护装置，从而大大提高了可靠性。 近二十年来，随着电力系统向高压、大容量方向的发展，以及自动控制系统的 提高，对电动机继电保护装嚣的需求量越来越大，对装置性能的要求越来越高。由 于近几年高性能微型计算机的出现，以及新的快速算法的出现，为电动机微机型继 电保护装置的发展提供了强有力的技术保障和支持。 我国对电动机微机保护的研究从7 0 年代后半期开始。最初是几个高等学校和 继电器厂家的一些继电保护工作者对国外计算机继电保护的状况作了广泛的归纳 和深入的研究。7 0 年代术至8 0 年代初则广泛地开展各种算法以至样机的研制。 目前，国外电动机保护装置的主要生产厂家有通用电气( g e ) 公司、美国西屋 电气公司等，但他们更侧重于大型发变机组保护的研制，在小型同步电动机保护方 面投入人力、物力相对较少。国内的保护厂家在同步电动机保护的投入也相对较少， 而随着科学技术水平和安全生产要求的提高，用户对于电动机的保护测控和信息通 硕i j 论文一体化同步电动机保护测控装置设计 讯的要求也越来越高。随着继电保护技术的发展和安全生产要求的不断提高，研制 一套符合现场实际需要的同步电动机保护测控装霞显得迫在眉睫，这一装置也必将 得到广泛的应用。 随着各种保护原理的提出和计算机技术的发展，同步电动机的保护测控装置的 保护功能将更加完善，性能价格比也将更加合理。新的保护原理和技术的应用，使 保护单元能够更好地发挥作用，提高判别的准确性；将高性能的微处理器应用于整 个装置中，可以大大提高其运算速度，减少运算时间。同步电动机保护测控装嚣的 广泛推广，将提高同步电动机运行的可靠性，简化系统配置，方便用户的运行管理。 1 2 本课题研究的目的和意义 电动机是将电能转换为机械能的电气设备，它能带动机械作旋转、角位移或直 线运行。现代化生产中，多数生产机械都采用电动机作为原动机。电动机的种类和 规格多，功率范围大，使用和控制非常方便具有自启动、调速和制动等功能，能 满足各种运行要求，工作效率也比较高。由于它有一系列的优点，所以在工农业生 产、交通运输以及人们的日常生活中得到了广泛的应用。用电设备中，约有7 0 为 电动机。在一些恒速运转或不要求调速的、容量较大的大型机械设备上，例如电厂 的鼓风机、给水泵、循环水泵、球磨机以及其它工业用的轧钢机、透平压缩机，均 需使用同步电动机。虽然同步电动机需要增加励磁系统因而比较复杂，造价较高， 但这也给它带来异步电动机所不具备的优点，例如可以发出无功、改善功率因数、 转速不随负载而改变、运行效率较高、稳定性好，因而有广泛的应用“”。 同步电动机在运行过程中，由于自身设备的损坏或者电力系统本身的一些异常 状况会导致同步电动机的故障和异常，如过流、过压、低压、失步、电动机内部线 圈绕组短路、开路、接地等，可能导致电动机自身的损坏并严重影响工农业的安全 生产，由此带来极大的损失。由于电动机本身质量问题以及启动频繁、工作条件恶 劣等各种原因，其故障率相当高。原电力部发电厂国产高压电动机质量调查报告 表明：在所调查的3 4 个电厂中高压电动机总共6 8 1 台，损坏1 0 3 台，占1 5 1 ： 带缺陷运行1 8 3 台，占3 6 9 ；由于设备质量问题引起的占7 8 0 3 。在损坏的1 0 3 台中，相问和接地故障损坏1 5 台，占1 45 ；定子绕组丌路引起不平衡运行故障 2 5 台，占2 4 3 4 ；其他原因引起的故障6 3 台占6 1 l ，仅就定子绕组故障统计， 开路故障台数约占4 5 4 。“” 因此，对电动机的运行状态，必须进行实时监控，并且要采取一系列的保护措 施，来保证电动机和整个系统的安全稳定f 常运行。同步电动机发生故障时，保护 应能快速可靠地动作，避免故障的加剧和扩大；同步电动机异常运行时，保护应能 硕 j 论文一体化刮步电动机保护测拄装置设计 适时给出报警信号。由于微机保护具备快速实时计算存储和记忆的功能，与传统电 磁式保护比较而言，具有更大优越性，因此用微机来实现的同步电动机的保护，能 很好的满足同步电动机的保护要求。 同步电动机微机继电保护装置的特点。”3 ： a ) 维护调试方便 目前在国内大量使用的整流型或晶体管型电动机继电保护装置的调试工作量 很大，尤其是一些复杂的保护，有时调试一套保护常常需要一周甚至更长时间。究 其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和 连线来实现。为确认保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟试 验来校核遍。微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相 应的软件来实现的。换言之，它是用一个只会几种单调的、简单操作( 如读数，写 数以及简单的运算) 的硬件，配以软件，把许多简单操作组合从而完成各种复杂功 能的。因而只要用几个简单的操作就可以检验微机的硬件是否完好。或者说如果微 机硬件有故障，将会立即表现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序 和设计时一样，就必然会达到设计的要求，用不着逐台做各种模拟试验来检验每一 种功能是否正确。实际上如果经检查，程序和设计时的完全一样，就相当于布线逻 辑的保护装置的各种功能已被检查完毕。微机保护装置具有自诊断功能，对硬件各 部分和存放在掣p r o m 中的程序不断地进行自动检测，一旦发现异常就会发出警报。 通常只要上电后没有警报，就可确认装置是完好的。所以对微机保护装置可以说几 乎不用调试。从而可大大减轻运行维护的工作量。 b ) 可靠性高 计算机在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保 护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。 另外它有自诊断能力，能够自动地检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有 效地防止拒动，因此可靠性很高。 c ) 易于获得附加功能 应用微型计算机后，如果配置一个打印机，或者其它显示设备，可以在系统发 生故障后提供多种信息。例如保护各部分的动作顺序和动作时间记录，故障类型与 相别及故障前后电压和电流的波形记录等。 d ) 灵活性大 出于计算机保护的特性主要由软件决定( 不同原理的保护可以采用通用的硬 件) ，因此只要改变软件就可以改变保护的特性功能。从而可灵活地适应电力系统 运行方式的变化。 顽0 j 论文 一体化问步电动机保护测拎装置设计 e ) 保护性能得到很多改善 由于计算机的应用，使很多继电保护中存在的技术问题，可找到新的解决办法 1 3 本课题研究内容和工作重点 相比于异步电动机，同步电动机的保护更为复杂，目前，对于异步电动机的保 护测控装置已有较成熟的产品，如南瑞继保电气公司的r c s 。9 6 4 1 电动机保护测控 装置，四方亿能电力自动化有限公司的c s m 2 0 1 电动机综合保护等，但对于同步电 动机的保护测控装茕比较少。本课题就是以南瑞继保电气公司的这一研究项目来完 成的。 对同步电动机的保护方面主要实现失磁保护、失步保护、逆功率保护、电流纵 差保护、二段定时限过流保护、不平衡保护、过负荷保护、过热保护、接地保护、 低电压保护、过电压保护、非电量保护、故障录波等功能；在其测控方面，主要实 现各种遥信、遥控量采集，模拟量的遥测，开关事故分合次数统计及事件s o e 等。 以8 0 2 9 6 s a 为控制核心做出一台同步电动机的保护测控装置，实现其各种功能。 概括来说，研究内容和工作重点为： a ) 分析比较同步电动机各保护的原理和算法，选择合适的保护原理和算法； b ) 完成芯片选择，进行保护测控装置的c p u 插件的硬件设计； c ) 完成采样及实现各保护功能软件设计，调试； d ) 对整个装置进行最终调试和各种试验，验证其综合性能。 硕_ 论史 一体化同步电动机保护测控装冒设计 2 装置总体设计 在国民经济各行业及日常生活中都广泛地使用着各种同步电动机。特别在电 厂、煤矿、石油、化工等领域的许多部门，电动机的正常运行极为重要，因此识别 和判断电动机的各种不正常运行状况以及各种故障类型，并对电动机实施有效的保 护是很重要的，根据中华人民共和国电力行业标准d l t 7 4 4 2 0 0 1 微机型电动机保 护装置通用技术条件结合同步电动机的特点，对保护测控装置进行总体设计。 2 1 故障形式和类型 同步电动机可以发出无功、改善功率因数、转速不随负载而改变、运行效率较 高、稳定性好，因而有广泛的应用。 同步电动机是指电机转子的转速与旋转磁场转速相同的交流电机。同步一词因 两转速相同而柬。同步电机的转速n ，电枢电流的频率和交流电机磁极对数p 之 间的关系为；”：旦p m i n ) m 。 p 电动机故障形式是多样的，大体上可分为绕组损坏和轴承损坏两方面”1 ： a ) 绕阻损坏： 1 1 由于电源电压太低不能顺利启动，或者启动过于频繁，使电动机因长期过负 荷而损坏。 2 ) 长期受电、热、机械或化学作用，使绝缘老化或损坏，形成相间或对地短 路。 3 ) 三相电源电压不平衡、波动过大、或者断相运行，长期承受负序电流而烧 毁。 4 ) 冷却系统故障或环境温度过高。 5 ) 轴承损坏造成偏心、扫膛，以及因机械故障造成堵转( 闷车) 。 应该说明，在一定电源电压下，频率变化与铁芯磁密变化成反比，相应的 励磁电流也与频率成反比变化。但是转子电流却与频率成正比变化，频率增加 时转予电流剧烈上升。当轴上有负荷时，频率增加也将使定子电流增加。可见 频率增加时，定子、转子绕组电流均增大，绕组铜损增大，引起过负荷。 电网电压的降低，有载电动机的定孑电流增大，而且电压降低会使滑差增 大，转子电流随之增加，致使电动机过热。 b ) 轴承损坏： 1 ) 负荷过大或震动太大。 硕十论文一体化同步电动机保护测控装置设汁 2 ) 使用润滑剂不合适、缺少润滑油甚至无油。 3 ) 环境恶劣，如多尘、腐蚀性气体等。 4 ) 绕组温度过高，热量传至轴承，致使轴承烧损。 同步电动机的故障类型和不正常运行状态主要有：定子绕组相间短路、定子绕 组- - * h 的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁 回路励磁电流消失、由于外部短路引起的定子绕组过电流、由于负荷超过电动机的 额定容量而引起的三相对称过负荷、由外部不对称短路或不对称负荷而引起的电动 机负序过电流和过负荷、由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压、由于电源中断 再恢复时造成同步电动机的非同步冲击、同步电动机近处系统发生三相短路时电机 送出逆功率、由于电动机过载、电源电压降低、电动机励磁电压太低等引起的同步 电动机失步等等。 2 2 装置功能设计 针对以上各种故障类型，装置需要实现以下保护功能： a ) 失磁保护； b 1 失步保护； c 1 低功率或逆功率保护： d 1 电流纵差保护磁平衡差动保护； e ) 短路保护和启动时间过长及堵转保护：二段定时限过流保护： n 不平衡保护( 包括断相和反相) ：二段定时限负序过流保护，一段负序过负 荷报警，其中负序过流l i 段与负序报警段可选择使用反时限特性； g ) 过负荷保护； h ) 过热保护：分为过热报警与过热跳闸，具有热记忆及禁止再启动功能，实时 显示电动机的热累积情况； i ) 接地保护：零序过流保护，j 、电流接地选线，零序过压保护； i ) 低电压保护； 过电压保护； n 两路非电量保护。 测控方面的主要功能有： a ) 4 路遥信开入采集、装置遥信变位、事故遥信； b ) 正常断路器遥控分合、小电流接地探测遥控分合； c ) p 、q 、，。、，( 、c o s t , 等模拟量的遥测； d 1 开关事故分合次数统计及事件s o e 等： 颁i ：论文一体化问步屯动机保护测控装置设计 e ) 4 路脉冲输入。 2 3 算法分析 保护算法的选择是完成装置设计的一个重要部分，在此着重讨论纵差保护、过 热保护、失磁、失步和功率保护，对其算法进行分析，为保护功能软件设计提供理 论依据。 保护测控装置不仅要实现同步电动机的各项保护功能，还要实现其测控功能。 所有这些功能的实现，其基础是选择一个合理有效的采样算法，所以，在算法选择 中，同时对采样算法进行研究分析。 2 3 1 保护算法分析 同步电动机保护算法的选择标准首先考虑其可靠性和实用性，故选择的均是比 较成熟的算法。 2 3 1 1 纵差保护 电动机纵差保护是电动机相间短路和匝间短路的主保护。其保护原理如下： 一次电流，和，。的正向定义如图2 1 所示： 。阿么： 图2 ，1 比率制动式纵著保护原理接线图 相应的二次电流为i ，和i 。，比率制动式纵差保护继电器的差动电流i 。和制动电 流f 。各为： = 汁之一( ，托) 。 c z ， 硕1 。论文 一体化同步电动机保护测摔装置设计 f 。，2 f l f 2 2 ii i - - 1 2l 2 n 。 ( 2 2 ) ， 当差动保护区外短路时外部短路电流i 。为，= ，。= ，。，f ，= d ，考虑t a 误差2f 。 ，f 。= ，h ”竹。 随着外部短路电流一的增大，虽然不平衡电流和差动电流之均有所增加， 但制动电流k 随，“u 线性增大，继电器动作电流i 。也就相应增大，达到不误动的 要求。可见比率制动式纵差保护的动作电流不是固定不变的，它随外部短路电流的 增大而增大，既保证外部短路不误动，同时对于内部短路又有较高的灵敏度。 当发电机内部短路时，如图2 2 所示： 图2 2 内部短路 短路电流，t 为 沪州：= ( 卜jz ) 。= ，t 厶。 ( 2 4 ) = i 。一f ：= li ，+ 1 2 l 2 忆= ii t + 2 i z i 2 吃 ( 2 5 ) ，|，| 鉴于通常的基于电流平衡的电动机纵差保护，在电动机自启动和外部短路暂态 过程中，由于两侧电流互感器对穿越性暂态电流的传变特性不一致，产生不小的暂 态不乎衡差动电流，造成纵差保护误动作，为此继电保护技术人员与电机和互感器 制造厂合作，共同提出并研制了“磁平衡式纵差保护”1 。 磁平衡差动保护的具体工作原理可参见参考文献 2 ，在本装置中，如果电动 机安装磁平衡式电流互感器，投入磁平衡差动保护时，要退出差动速断保护、比率 差动保护、t a 断线判别功能。 2 3 1 2 过热保护 通过对参考文献【2 第十四章第八节的分析，统一考虑电、热和机械仿真模型的 电动机微机型热保护相当复杂，只有对那些特别大型的电动机，才可能花费较大的 硕卜论文 体化同步电动帆保护测挣装置设计 人力和物力来实现这种保护。在本装置中，可以通过一个简化的模拟电动机的发热 模型来进行计算，实现过热保护的要求。 过热保护主要为了防止电动机过热，因此在装置中设置一个模拟电动机发热的 模型，综合计及电动机f 序电流的热效应，引入了等值发热电流，。其表达式为： i 。2 = k i 1 1 + k 2 i2 ( 2 6 ) 式中k = 0 5 ，防止电动机正常启动中保护误动； k ，= 1 0 ，在整定的启动时间乙以后，2 值不再故意减小； k ，= 3 1 0 ，模拟，2 的增强发热效应，一般可取为6 。 保护动作方程：【( i 。1 。) 2 0 ，0 5 ) 2j ，f ( 2 7 ) 式中f 为电动机热积累定值，即发热时间常数h e a t ， ，为使得【( i 。，。) 2 一( 1 ，0 5 ) 2i 0 的时涮之和。 当热积累值达到h e a t x g r b j ( 过热报警水平) 时发报警信号： 当热积累值达到h e a t 时发跳闸信号。 电动机被过热保护动作跳闸后，不能立即再次启动，要等到电动机散热到允许 启动的温度时，才。能再启动。在需要紧急启动的情况下，通过装置引出的热复归接 点强制将热模型恢复到“冷态”。 2 3 1 3 失磁保护 失磁保护，有时也称为低励保护。电动机低励或失磁后，将过渡到异步运行， 转予出现转差，定子电流增大，定予电压下降，有功功率下降，无功功率反向( 原 为过激运行时) 并且增大：在转予回路中出现差频电流等，所有这些电气量的变化， 都伴有一定程度的摆动。“。 电动机发生低励和失磁后所产生的危险主要有：a ) 从系统吸收无功功率，引 起电力系统的电压下降；b ) 由于出现转差，在发电机转子回路中出现差频电流， 可能使转子过热；c ) 低励或失磁的电动机进入异步运行之后，电动机的等效电抗 降低，从电力系统吸收的无功功率增加，可能使电动机定子过热：d ) 低励或失磁 运行时，定子端部漏磁增加，将使端部的部件和边段铁芯过热等等。 在定子方面可以做为低励、失磁保护判据的特征有两个：机端测量阻抗的轨迹 越过静稳边界；机端测量阻抗的轨迹进入异步边界。可以用这两个特征来鉴别是正 常运行，还是发生了低励、失磁故障。具体分析详见参考文献 1 ，可以得出如下结 论： a ) 从保障机组和系统安全的角度考虑，可以把静稳边界作为鉴别励磁或失磁故 硕士论立一体化| 司步电动机保护测控装置设计 障的一个判据。这样，在低励或失磁过程对机组或系统表现出危害之前，将故 障检出。 b ) 异步运行后的机端测量阻抗一定会进入异步边界，故可以把异步边界作为低 励、失磁保护判据的依据。由于异步边界在静稳边界的罩边，所以失磁后，机 端测量阻抗的轨迹先进入静稳边界，然后才进入异步边界。也就是说用异步边 界做判据的失磁保护检出失磁故障的时间要晚一些。特别是联接电抗比较大 时，这一差别更要明显些。 c ) 除用静稳边界和异步边界做低励失磁保护的判据外，还需要监视机端电压。 d ) 有时把进相无功功率超过静稳极限所限定的无功功率，作为失磁保护的判 据，并把这种判据称为“无功方向”。 以异步边界和静稳边界为判据的低励、失磁继电器，他们能正确地鉴别正常运 行和低励、失磁故障。但是，不论采用哪种整定方式，当外部短路、系统振荡、长 线充电、自同期及电压回路断线时，继电器都要误动作。因此，必须利用其它特征 量作为辅助判据，增设辅助元件，才能保证选择性。 针对可能引起低励、失磁继电器误动作的异常工况，可以提出以下特征量作为 辅助判据。 a ) 失励、失磁过程中，励磁电流和励磁电压都要下降，而在短路、系统振荡过 程中，励磁回路中电流、电压的直流分量不会下降，反而会因强行励磁的作用 而上升。 b ) 失励、失磁过程中没有负序分量，而在短路、断路引起的振荡过程中或最初 瞬间，总是有负序分量产生。 c ) 系统振荡过程中，振荡阻抗轨迹只是短时穿过低励、失磁继电器的动作区， 而不会长时间停留在动作区内。 d 、正常情况下自同期并列属于正常操作，可以利用操作特性( 例如控制开关的 状态) 来防止误动作。 e 1 电压回路断线时，加到继电器上的电压，其大小和相位都发生变化，三相电 压的平衡遭到破坏。 励磁电压下降，是造成低励、失磁故障的直接原因，可以把励磁电压的下降， 作为低励、失磁故障的主要判据。但是，励磁电压是一个多变的参数，变化的幅度 可达正常工作时励磁电压的6 8 倍，甚至更高。此外，在系统振荡、短路故障的 过程中，励磁回路中还要出现交变分量电压，与直流分量相迭加，有时甚至过零。 在失磁后异步过程中，在励磁回路中也要产生很大的感应电压。由于这些原因，现 代失磁保护，通常不再把励磁电压的变化作为主要判据，而仅把它作为辅助判据之 一加以运用。但是，随着运用方法的改进和对其运行特性研究的深入，以后也有可 1 0 硕士论文 一体化同步电动机保护测挣装置设计 能把励磁电压下降这一特性，作为主判据使用。 对励磁电压下降的运用方法，目前有两种：一是用等励磁电压作为判据，二是 用变励磁电压作为判据。 a ) 等励磁电压判据：等励磁电压判据，是以一个给定的电压值，作为鉴别失磁 故障的依据。实现这一判据的检测元件为一低电压元件，当励磁电压下降到低 于这一给定值时，低电压元件动作。等励磁电压的给定值，一般按可能的各种 正常运行状态下低电压元件不误动作的条件确定。 b ) 变励磁电压判据：等励磁电压判据存在着重负荷下低励时可能拒动，在轻负 荷下进相运行时可能误动的缺点，虽然可以按最低运行负荷整定来减少拒动或 误动的机会，但并未从根本上消除上述缺点。作为鉴别失磁故障的依据，不是 一个固定的励磁电压整定值，而是一个随负荷大小改变的励磁电压整定值。实 现这一判据的方法，是把一个与励磁电压成正比例的电压与一个与负荷大小有 关的电压相比较，使检测元件的动作电压随负荷的大小而变化，当负荷增大时， 其动作电压相应提高，其变化规律，一般由静稳边界决定，即在给定的负荷下， 励磁电压下降到等于或低于静稳边界上所对应的励磁电压后，检测元件动作。 上述分析只是对保护算法的原理性分析，在装置的实际研制中，保护采用异步 阻抗圆原理“3 ，如图2 , 3 所示： 弘 ，。删当h 一，i 2 l 时； l ，+ ，。i i 曲。 k 。i ，一，i 2 一i 。 当i ，一，。2 l 时 式中，为电动机机端电流，i 。为中性点电流，k 。为比率制动系数，洲为 差动电流起动定值。比率差动保护能保证外部短路不动作，内部故障时有较高灵 敏度，动作曲线如图4 1 所示： 硕十论文一体化i 叫步电动机保护测控装置设计 i e l 图4 1 纵筹保护动作曲线 上图中，i d 为差动电流b + ，。i ，i ，为制动电流h 一1 。1 2 任一相的比率差动保护动作即出口跳闸。 c 1t a 断线判别 装置设有延时t a 断线闭锁或报警功能，其动作原理如下： 1 ) 延时t a 断线报警在保护每个采样周期内进行。当任一相差流大于o 0 8 ，。 的时间超过l o 秒时发出1 a 断线报警信号，此时不闭锁比率差动保护。这也 兼作保护装置交流采样回路的自检功能。 2 1 瞬时t a 断线报警或闭锁功能在比率差动元件起动后进行判别。为防止瞬 时t a 断线的误闭锁，满足下述任一条件不进行瞬时t a 断线判别： 起动前各侧最大相电流小于o 0 8 ，。； 起动后最大相电流大于过负荷保护定值。； 起动后电流比起动前增加。 机端、中性点的两侧六路电流同时满足下列条件认为是t a 断线： 一侧t a 的一相或两相电流减小至差动保护起动： 其余各路电流不变。 通过控制字s h t a d x b s 选择瞬时r i a 断线发报警信号的同时是否闭锁比率差 动保护。 如果装景中的比率差动保护退出运行，则瞬时t a 断线的报警和闭锁功能自动取消。 d 1 磁平衡差动保护 磁平衡差动保护，俗称“小差动保护”。当电动机安装磁平衡式电流互感器时 控制字c p h c d 投入，c d s d 、b l c d 、c t d x b s 退出，此时磁平衡差动保护投入， 颅l 。论文 一体化步电动机保护测控装置世计 差动速断保护、比率差动保护、t a 断线判别功能退出。 磁平衡差动保护的电流从装置中性点侧电流回路输入，过电流定值取自。 若未装设磁平衡式电流互感器，但装置所引入的电流已经是差动电流，其接线和整 定原则同磁平衡差动保护。 其逻辑框图如图4 2 所示： q d i d a i s d z d i d b i s d z d i d c i s d z d b l e d a b l c d b b l c d c s h c t d x y s c t d x i d a ( 1 a 2 ) i c d q d i d b ( i b 2 ) i c d q d i d c ( i c 2 ) i c d q d 图4 2 纵著保护逻辑框图 其中：q d ：装置总起动，如果装置没有动作，则延时5 0 0 m s 返回； ( 所有逻辑图中相同符号的意义均同，下面不再加以说明) ： b l c d a 、b l c d b 、b l c d e 分别为a 、b 、c 相比率差动元件动作； s h c t d x 、y s c t d x 分别为延时t a 断线和瞬时t a 断线判别动作元件； c d s d 、b l c d ：分别为差动速断、比率差动投入控制字( 所有控制字均为置 “l ”相应功能投入，置0 相应功能退出，下面不再加以说明) ； s h c t d x b s ：t a 断线闭锁比率差动； y s c t d x b s ：延时t a 断线闭锁控制字； c p h c d ：磁平衡差动保护投入控制字； q j 、b t j 、b y l 、b j j 分别为启动继电器、跳闸继电器、备用继电器1 ( 电动 机保护动作保持) 、报警继电器； b s j ：闭锁继电器，常闭节点，只有出现硬件故障等情况时打开； l p l ：纵差保护投入压板。 硕士论文 一体化同步电动机保护测控装置设计 4 1 2 过热保护 过热保护主要为了防止电动机过热，因此可通过设置一个模拟电动机发热的 模型，综合计及电动机j 下序电流的热效应a 电动机被过热保护动作跳闸后，不能立即再次启动，要等到电动机散热到允 许启动的温度时，才能再启动。在需要紧急启动的情况下，通过装置引出的热复 归接点强制将热模型恢复到“冷态”。 其逻辑框图如图4 3 所示： k l l l 2 + k 2 1 2 2 热复归 图4 3 过热保护出口逻辑 其中：g r t z 、g r - - b j 分别为过热跳闸和过热报警投入控制字 b y 2 ：各用继电器2 ( 禁止再起动) ； 4 2 程序整体设计 为了保证保护测控装置中保护功能的独立性，在设计时，将保护模块与其它模 块完全分开，并且先起动，后测量，其整体流程设计如图4 4 所示： 硕士论文 体他同步电动机保护测控装置设计 图4 4 程序结构框图 主程序按固定的采样周期接受采样中断进入采样程序，在采样程序中进行模拟 量采集与滤波，开关量的采集、装置硬件自检 足起动条件而进入正常运行程序或 故障运行程序。 4 3 主程序设计 主程序按每周2 4 点的采样周期 接受采样中断进入采样及计算程序， c p u 只有在主程序中允许响应通信 中断。采样程序实时计算数据，在每 一个采样周期完成全部计算。 主程序中完成初始化工作，然后 进入人机界面，等待中断。初始化包 括数据区初始化，串口初始化、l c o 初始化、采样间隔设置等等。在循环 过程中不断地等待采样定时器的采 样中断和串行通信口的中断请求信 号，当c p u 接到中断请求信号，在允 起动判据的计算等等，根据是否满 l关中断 图4 5 主程序流程图 干 ，。，。l 颈士论文 一体化同步电动机保护测控装置设计 许中断后，程序就进入中断 服务程序。每当中断服务程 序结束后又回到人机界面程 序并继续等待中断请求信 号。其流程设计如图4 ，5 所 不o 4 4 采样程序设计 通过设置采样时间，开 e p ：a 中断，装罱定时进入采 样程序。由于采用较为合理 的保护算法，使软件简单可 靠计算量减少，严格保证了 在每个采样周期内完成全部 测量计算，在采样中断期间 就完成了起动、正常运行报 警、故障运行处理等功能， 从而适应了快速保护的实时 性要求。其流程设计如图4 6 所示。 采样程序对调理过的信 号进行采集，a d 转换，应 采样算法进行采样值滤波和 电气参数的计算。采样完成 以后，通过计时，开放遥测 功能，如果跳闸标志( t w j ) 显示为跳闸状态，则不进行 电度的测量，反之，则进行 电度测量，当有功功率大于0 对，计算正向有功，小于0 时则计算反向有功，同样， 当无功功率大于0 时，计算 正向无功，小于0 时计算反 图4 6 采样程序流程圈 4 1 硕士论文 体化i 司步电动机保护测控装置设计 向无功。 通过调用对时程序和l c d 通讯子程序，进行对时和l c d 显示，完成以后，在 e p a 中断时间达到后，进行相电流绝对值、线电压绝对值、j 下负零序电压及零序电 流、线路电压绝对值的计算，遥测量计算完成以后，系统进行外回路自检( 包括开 关电流检测、t a 断线、控制回路断线) 。开入量检测等工作，系统工作完全正常， 则进行故障程序运行起动条件判别，根据判别结果进入诈常运行程序或故障运行程 序。 4 5 正常运行程序设计 当保护未起动时，执行正 常运行程序，完成t v 断线 检查、频率异常报警、负序 过负荷报警、过热报警、接 地报警、失磁保护报警、失 步保护报警、功率保护报警 功能。各报警程序处理的基 本原理是相同的，总的来说 包括查询功能是否投入、是 否满足报警条件、如果功能 投入并满足条件则立标志 位，最后根据所有标志及整 定时间发出报警信号，报警 继电器动作。故只给出其通 用流程，研制过程的软件的 具体实现不一一阐述。流程 图如图4 7 所示： 图4 7 正常运行程序设计流程图 硕l 论文一体化i 司步电动机保护测控装置设汁 4 6 故障运行程序设计 当保护起动时，进入故障运行程序，首先清标志位，开放起动继电器。在故障 处理程序中要安排处理多个保护的逻辑程序，在具体实现时有一定差异。但就其原 理而言，都需先查询保护“软压板”( 即开关量定值) 是否投入，是否满足动作条 件，如果软压板未投则转入其它保护功能的处理程序：如果该保护软压板已投并超 定值，则进入该保护的逻辑判断程序，若逻辑判断保护动作则立标志位，最后根据 所有标志及整定时间发出跳闸信号，跳闸继电器动作。其流程设计如图4 8 所示： i保护n 故障处理程序卜l 一 立标志 l l + 一l 1 一 广j l = = _ i! 兰竺至竺竺! 翌望苎竺竺! ! l 囱i 图4 8 故障运行程序设计流程图 4 3 硕士论文一体化同步电动机保护测控装置设计 4 7 软件抗干扰设计 采用硬件抗干扰措施可大大提高装置的可靠性。但由于系统中增加了一些抗干 扰硬件，使系统结构复杂，成本也相应增加。另外，系统的抗干扰又不能完全依靠 硬件来解决。软件抗干扰技术可以弥补硬件抗干扰的不足。以下是在编制系统软件 过程中采取的抗干扰措施。 a ) 自检程序 自检程序可以有效提高系统的可靠性，自检程序可对内部r a m 、f l a s h 、酽p r o m ， 电源等进行故障检测和诊断，这样就能了解系统各个器件的运行状况，进行及时有 效的维护，并可避免因器件原因使系统受干扰而不能工作的情况。 b ) 指令冗余技术” 因干扰而使系统失控的原因很多，但大多可以归结为程序计数器的内容发生了 变化，引起程序“跑飞”，使c p u 执行一系列错误的指令，从而导致程序失控。当 程序计数器p c 受干扰指向非程序区时，采用指令冗余技术可以使其纳入正轨。单 字节指令可以使程序自动纳入正轨，因此在程序中多用单字节指令，在双字节和三 字节指令之后插入两条空操作指令n o p 。在一些对程序和系统工作起重要作用，特 别是对程序流向起决定作用的指令之后进行指令重写，并在其前后插入两条n o p 指令，可确保程序的正确执行。 c ) 软件陷阱 在单片机受干扰而指向系统未使用的存储区时，采用指令冗余技术已经无能为 力，可使用软件陷阱技术使单片机复位。其基本方法是在p c 正常运行时不该到达 的存储区设置引导指令，强制单片机到一个指定的地址，对错误进行处理。即在程 序存储器的空白区填满无条件转移指令，一旦程序进入空白区，也能重新启动程序 或转向系统复位中断程序。 d 1 安全退出等待 程序设计中，很多情况下都要用到等待某一条件的变化，然后根据条件分支处 理。但在某些干扰的条件下，很可能条件不能满足，这样程序就陷入了死循环状态 中。为了避免这点，程序在每个等待条件变化的语句之后加一个延时程序，延时 后再判断条件是否变化，如果变化就转向相应的程序，如果不变化就安全退出。 4 8 本章小结 本章对装置程序整体设计进行分析，给出了主程序流程图、采样程序流程图、 故障运行程序逻辑图、正常运行程序流程图，并分析其基本实现过程。 硕士论文一体化| 司步电动机保护测控装置设计 5 试验结果及分析 装置软硬件设计完成以后，通过南京南瑞继保电气有限公司的h e l p 9 0 a 继电 保护测试装置、q u i e kh e l p 继电保护通用手动试验软件及r c s 一9 0 0 0 变电站综合 自动化后台监控系统，对装置的各个保护功能进行试验，并进行结果分析。 5 1 试验辅助设备及软件介绍 q u i c k _ h e l p 的主窗口如图5 1 所示： 图5 1q u i c k _ l t e l p 的主面e t 图 q u i c kh e l p 具有以下功能： a ) 量中任何一路的幅值( 有效值) ，相位可以随意设定。 b ) 每一路模拟量的幅值( 有效值) 可以根据设定好的步长递增或递减。 c ) 1 6 路模拟量被划分为5 个组，每个组的三相幅值( 有效值) 可以根据设定 好的步长同时递增或递减。 d ) 每一路模拟量可以作为电压，也可以作为电流。可适用于所有的l f p 一9 0 0 或r c s 一9 0 0 0 装置的模拟量输入的要求。 e ) 模拟量输出的相位可以适应电抗互感器相移的特性。 硕1 论文一体化同步电动机保护测控裟霭殴计 f ) 模拟量输出设定可以借助矢量图这种直观的图形工具。 g ) 2 4 个开关量输出可随意控制。 h ) 所有输入的故障参数，不同保护的模出配置参数，串口配置参数等等数据 都可以保存。默认的文件扩展名是h 9 0 。 i ) 状态条内容丰富。当前p c 与h e l p 一9 0 a 之间的串行通讯的状态，当前 h e l p 一9 0 a 是否正在输出模拟量，当前的时间等等信息都在状态条中以文字和图标两 种方式显示。 j ) 功能强大的谐波模拟功能。 k ) 变频功能。 通过r c s 9 0 0 0 变电站综合自动化后台监控系统，可以方便地通过p c 机对装 置的所有数据进行监控，其显示界面如图5 2 所示： 图5 ，2r c s - 9 0 0 0 变电站综合自动化后台监控系统界面 5 2 装置整定 装置的参数、定值及整定原则按照以下标准进行，在此基础上，完成各项试验。 硕十论文 一体化间步电动机保护测控装置设汁 5 2 1 装置参数整定 装置的主要参数整定按照以下原则，如表5 1 所示 表5 1 装置参数整定 说明：a ) 定值区号：本装置提供1 0 个可使用的保护定值区，整定值范围为o 9 ， 整定值越限时装置自动将定值区号改为o 区。运行定值区可以是其中任意一个，如 果要改变运行定值区，有两种方式：其一是进入装置参数整定菜单，改变定值区号， 将其值整定为所要切换的定值区号，按“确认”键，装置复位即可：其二是通过远 方修改定值区号，将所要切换的定值区号下装到装置，装置自动复位后即可。 b ) 总线地址和装置地址：按照实际使用情况整定。当采用w o r l d f i p 现场总线方式 通讯时总线地址用于总线初始化，每一个总线仲裁器下的总线地址必须唯一。装 置地址是装置的定位表征，全站的装置地址必须唯一。如果采用4 8 5 方式通讯，则 总线地址是装置的定位表征，全站的总线地址必须唯一。装置地址没有任何用途， 总线地址成为装置的定位表征，其整定范围也可扩展为0 0 1 2 4 0 。如果没有通讯， 坝七论文律化同步电动机保护测控装置设计 则总线地址和装置地址都没有任何用途，此时，两个地址都可以不整定。 c ) 规约：整定为“l ”，表示串口采用l f p 企业规约进行通讯：整定为“2 ”，保留 方式；整定为“3 ”，表示串口采用d l t 6 6 7 - 1 9 9 9 ( i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 ) 规约进行通讯： 整定为其他值，表示采用w o r l d f i p 现场总线通讯。本项定值需要用户根据实际使 用情况整定，不用通讯功能时可按默认值整定。默认值为“0 ”或“1 ”均可，整定 值越限则默认为0 。 d ) 串口波特率：整定范围为0 3 ，整定值越限则自动默认为“3 ”。 e ) 保护采样测量上送周期：整定值含义为保护采样测量值( 模拟量) 定时主动 上送的时间间隔，整定为零，表示保护采样值不需要定时主动上送，但是响应监控 的查询。本项定值需要用户根据实际使用情况整定，不用通讯功能时可整定为“o ”。 默认值为o 。 f ) 遥测上送周期：整定值含义为遥测值定时主动上送的时间间隔，整定为零，表 示遥测值不需要定时主动上送，但是响应监控的查询。本项定值需要用户根据实际 使用情况整定，不用通讯功能时可整定为“o ”。出厂默认值为“1 ”。 g ) 遥信确认时间l ：开