（电力系统及其自动化专业论文）三相异步电动机保护装置的研制.pdf

s u b j e c t ：d e v e l o p m e n t o f t h r e e - p h a s e da s y n c h r o n o u sm o t o r p r o t e c t i o n s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i o n n a m e：w d w 巍 i n s t r u c t o r ：f uz h o u x i n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i ti so fi m p o r t a n te c o n o m i ca n ds a f es i g n i f i c a n e ef o rt h ew o r k i n gm o t o rt ob ep r o t e c t e d , r o w m o s t l ym o t o rp r o t e c t i o nd e v i c et h a tt h ep r o t e c t i o np r i n c i p l ei su n i t a r y , w h i c hc a n tr e f l e c t t h em o t o ra l l - r o u n df a u l t , t h u si tc a u s e se a c hk i n do fa c c i d e n t t h e r e f o r e , d e v e l o p m e n t c o m p l e t ef u n c t i o no f m o t e rp r o t e c t i o nd e v i c et h a th a s t h ea c t u a lu s ev a l u e t h ec u r r e n tc h a r a c t e r i s t i cw h e nt h em o t o ri sf a u l t yi sa n a l y z e dw i t hs y m m e t r i c a l - - c o m p o n e n t s - - m e t h o d t h em o t o rs y m m e t r i c a lc o m p o n e n t si sc o r r e s p o n d i n gt ot h ef a u l ts t y l e w e l l t h e r e f o r e , as e r i a lo fp r o t e c t i o nc r i t e r i o n sb a s e d0 1 1s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sa p r o p o s e di nt h et h e s i s ；i na d d i t i o n , t h em e a n s t h a tt h em o t o rw o r k i n gs t a t u sc a nb ej u d g e d c o r r e c t l ya r eb r o u g h tf o r w a r d , a n dt h e nt h es w i t c h i n go ft h ec r i t e r i o n sa n dt h er e g u l a t i n go f t h es e t - v a l u ea l ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h em o t o rw o r k i n gs t a t u sb a s e do nt h ea d a p t i v e p r i n c i p l e ；a f t e r w a r di nt h er e s e a r c ho fp r o t e c t i o na r i t h m e t i c ，t h ei m p r o v e df f t i sa d o p t e di n t h et h e s i s w h i c h 锄e l i m i n a t et h ew e a k e n e dd cs e c t i o no ft h ef a u l tc u r r e n tt oi n c r e a s et h e c o m p u t i n ga c c u r a c yo f t h e d a t a t h em i c r o c o m p u t e rs t r u c t u r eo fm c u + c p l di sa d o p t e di nt h eh a r d w a r ed e s i g ni nt h i s p r o j e c t , w h i c hm a k e su pt h es h o r t a g eo fc o m m o ns i n g l em i c r o c o m p u t e r ：ag r e a td e a lo f t i m e s e q u e n c el o g i cc o n t r o li sp r o c e s s e db yt h em c u ，c o n s e q u e n t l yt h eo p e r a t i o np r o c e s s i n g m m i 础唧c a n tb ed e v o l v e df u l l y t h e r e f o r e , i nt h i s t h e s i st h ed a t ac o m p u t i n ga n d p r o c e 豁i n g a n dt h e p r o t e c t i o nl o g i cj u d g m e n t 黜m a d eb yt h em c um a i n l y , t h e t i m e - s e q u e n c ec o n t r o lo fp e r i p h e r a lp a r t si sd o n eb yt h ec p l d , i nt h i sw a y , t h et w ow o r k s i d e - b y s i d e , w h i c hm a k e st h ea d v a n t a g e so f t b ec o m p u t i n ga n dp r o c e s s i n go ft h em c ua n d t h et i m e - s e q u e n c eo ft h ed i g i t a ll o g i cp a r t , a n df i n a l l yt h es y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y 黜 b o t hi m p r o v e d f u r t h e r , m o d u l a r i z e dd e s i g ns t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h ep r o j e c t , t h es y s t e m s o n 聃啊i sd o n ew i t ht h eca n dc o m p i l i n gl a n g u a g e st o g e t h e rt oi m p r o v et h et r a n s p l a n t a b l e a n de x t e n d a b l ea t l r i b u t e so f t h ep r o g r a m m e r i nt h ec n d ，t h es t a g es h n u h l i n gt e s to f t h ef i n i s h e dd e v i c ei sd o n e ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r e a n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h em o t o rp r o t e c t i o nd e v i c ed e s i g n e di nt h i sp r o j e c tm e e t s t h er e q u i r e m e n t so fm o t o rp r o t e c t i o nb o t h0 1 1t h ea c t i n gc u r r e n tv a l u ea n d 粼：t i l l gt i m ew h e n f a u l t y t h e r e f o r e ，t h em o t o rp r o t e c t i o nd e v i c et h a ti sd e v e l o p e di nt h i sp r o j e c tm e e t st h e e x p c c t e dd e s i g nd e m a n d s k e y w o r d s ：t h ei m p r o v e df f t m c u + c p l d p r o t e c t i o nc r i t e r i o n s 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：镯筏佛日期：珊哆仁聊 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：魂伟 指导教师签名：以咏 - 7 年弘7 t 切e t f 1 绪论 1 i 引言 l 绪论 电动机( 论文中提到的电动机指的都是三相异步电动机) 是所有动力设备中的主力 军，应用普及广泛，其耗电量占总发电量的7 0 e 以上。 由于电动机的耗电量巨大，所以我国在电动机节能方面傲了许多工作。但是在电动 机的保护装置研制方面，由于大部分的继电保护公司将主要精力用于线路、变压器、发 电机等电力系统中主要设备保护装置的研制当中，电动机方面就显得相对薄弱。与先进 国家相比，我国的电动机保护装置也有一定的差距。 如果电动机发生故障，轻者影响生产的正常进行，重者烧毁电动机，使整台甚至整 套设备陷入瘫痪，给企业造成巨大的经济损失，更有甚者引起供电系统故障的发生。另 外，电动机在烧毁过程中消耗的电量也是很大的。据有关部门统计，每年因电动机烧毁 造成的耗电量高达数十亿k w h ，因材料报废所产生的问接损耗更是巨大【l 】。因此，无论 是从减少经济损失还是从节约资源来讲，做好电动机的保护工作都具有重大意义，必须 引起足够重视。 同时，由于现代电动机生产在提高其输出功率的同时，缩小了外形尺寸，采用高级 绝缘材料和电磁材料减少损耗、提高效率，导致电动机内部的电流密度显著增加；加之 生产的自动化和各种顺序控制设备的出现，要求电动机经常在频繁的启动、制动、正反 转、间歇及变负荷等多种状态下切换运行，电动机出现故障的概率更加难以确定。因此 电动机的保护工作对于正常的生产来讲至关重要。 因此，电动机保护装置的研制工作有着重要的现实意义。 1 2 电动机保护装置的发展状况 ( 1 ) 熔断器、蒸继电器和电磁式电流继电器构成的保护 熔断器是使用最早、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，实际上它并不是直接针对电动机的保护。当熔体熔断时， 又往往会造成电动机缺相运行而烧毁。例如：熔断器熔体截面的选择通常是按电动机额 定电流1 5 2 5 倍来选择，但实际上电动机启动时会受到5 8 倍额定电流的冲击。虽 然因时间短，理论上电流可以在熔体不熔断的情况下通过熔断器，但是由于熔体在制造 工艺、时效和安装上存在随机性缺陷，在电动机启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。因而熔断器被淘汰。 热继电器是我国2 0 世纪5 0 年代初从前苏联引进的产品【2 1 ，是用于保护电动机因过 西安科技大学硕士学位论文 载引起过电流的装置。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产 品，利用的是双金属片热效应原理：双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成， 通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成 正比，当电流超过热继电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切 断主回路达到保护的目的。热继电器具有反时限特性和结构简单、使用方便等优点。但 热继电器也存在很大的不足：热继电器参数受环境温度影响较大；热继电器安装在电动 机壳外，一旦发生通风受阻、扫镗、堵转、长期轻微过载使电动机绕组产生热积累等故 障时，热继电器就无法保护电动机；热继电器本身是一个耗能元件，在工作过程中要消 耗电能；当热继电器真正起到保护作用动作几次后，其本身的电阻丝和绝缘材料会因过 热而迅速损坏，不能继续使用，必须全套更换。因此，1 9 9 6 年国家八部委联合发文强制 将其淘汰嘲。 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，这是电磁式电流继电器的优点。但其结构复杂，对机械制造精度要求高， 价格高且体积庞大 3 1 1 4 j 。因而，目前也已被基本淘汰。 ( 2 ) 采用半导体、集成电路构成的模拟电子式保护 2 0 世纪7 0 年代随着半导体、集成电路技术的发展，电动机的保护装置也从分立元 件向集成电路发展。这种保护装置较之以往的保护装置无论在体积上、对信号的检测和 判断上，还是在电动机的保护性能上都向前迈进了一大步。是装置体积缩小，安装方 便；二是功能更为全面：可以保护缺相、过载、欠流、相失衡、逆相、接地、短路、过 电压、过电流等故障，还具有电流电压显示和声光报警等功能【4 1 。虽然这类保护装置的 功能全面，但是也存在一些无法克服的缺陷，包括：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 较好的线性关系比较困难，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。这些都会造成整定的精 度受影响。无法实现具有多种保护功能于一体的全保护。装置复杂，对电磁干扰敏 感，对维护人员的要求很高。鉴于以上原因，纯粹模拟线路的电动机保护装置逐渐被其 他一些更先进的技术产品所代替。 ( 3 ) 微机型的数字式保护 计算机技术的发展带来了电动机保护装置研制的飞跃进步，出现了电动机微机保护 装置。与前两种保护相比较，微机型的电动机保护装置具有速度快、智能化程度高等特 点。电动机微机保护装置主要以单片机作为控制器，实现电动机的智能化综合保护。装 置可以根据需要设有远程通讯功能，在p c 机上实现对多台联网电动机的在线综合监视 与控制。在采样和整定精度方面也有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并 可实现真实有效值的计算，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 2 l 绪论 精度采样和信号提取。在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，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。采用了单片机就使得在相同硬 件条件下集多种功能于一体的综合保护器的出现成为可能。例如，上海万谱的s w j 2 系 列电动机保护器就具有远程通讯、声光报警，过载、堵转、短路、漏电、欠流、故障记 忆等多种功能 3 1 。而且，微机保护装置可以通过软件扩展方便满足不断出现的保护要求。 随着微电子技术的发展，电动机保护装置正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠 方向发展。 1 3 电动机保护理论的发展状况 ( 1 ) 基于过流原理的电动机保护理论 过流保护的基本原理以电流幅值增加作为故障判据，可以反应对称故障。但对于断 相、接地、不平衡运行等不对称故障往往不能做出及时有效的保护。过流保护不能有效 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现 象 5 1 。例如，根据文献【5 】的分析，当发生断相故障时，只有电动机的负荷率大于o 7 ， 健全相才会出现过流，而由于负荷特性及电动机选型等因素，电动机运行于轻载( 负荷 率小于0 7 ) 的情况是很普遍的；二是不对称故障对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。负序电流效应会导致电动机端部发热、转子振 动、输出力矩减小等一系列问题，这时仅以过流来反映故障严重程度显然是不够的。 ( 2 ) 基于序分量法的电动机保护理论 电动机发生对称故障时的主要特征是出现正序电流幅值的增大。负序电流和零序电 流在正常运行或发生对称故障时几乎没有。发生不对称故障时则会出现明显的负序和零 序电流。通过检测负序和零序电流分量来判别各类不对称故障具有很高的灵敏度及可靠 性。基于序分量法，正序、负序和零序可以分别反映对称和不对称故障，以此可以根据 电流的序分量构成电动机的综合保护。而且，电动机的电流序分量及过流程度等故障信 息的分布组合与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，从而实现电动机保护的智能化。 2 0 世纪舳年代中后期，以原电力工业部电力自动化研究院的m p r 2 l 型综合保护 为代表的新一代集成电路电动机保护装置研制成功【7 】，其采用正、负、零序反时限电流 保护实现短路、不平衡和接地保护，从原理和电路上则考虑了电动机过热保护和启动时 间过长及堵转保护。这类保护在保护原理上有了很大进步，但是对于过压、启动电流对 定值整定大小等方面的问题并未能提出详细的解决方案。 ( 3 ) 基于先进信号处理方法的电动机保护理论 随着数学领域和人工智能方面的发展，电动机的保护也有了较大的发展。小波理论、 神经网络、模糊数学、自适应理论等方面的研究取得的成果带来了继电保护方面的进步， 3 电动机保护理论也从中取得了更好的发展。 尤其是自适应理论引入继电保护领域后，为解决电动机启动过程影响保护可靠性的 问题提供了较好的思路。 1 4 课题的提出和主要工作 ( 1 ) 课题的提出 在保护判据方面，以往的保护装置往往采用过电流原理，不能全面反映电动机的故 障形式，更不能准确反映不对称故障时负序电流的危害；近年采用序分量法的保护装置 也由于电动机启动电流的变换范围大，往往采用提高定值，避开启动电流的方法躲过电 动机的启动过程，使得保护的可靠性性大为降低，不能实现根据运行状态、负载特性灵 活地设定电动机保护装置的判据和动作定值。 在硬件方面，现在的保护装置通常采用一片单片机作为装置硬件系统的内核。单片 机在数字运算处理方面具有较强的功能，相对来讲，对于时序逻辑处理比较薄弱，且由 于现在的保护装置的功能越来越全面，硬件系统中外挂器件越来越多，采用单独单片机 的结构的装置存在时序逻辑处理占用单片机资源、不能充分地发挥单片机数字运算处理 优势的问题。 基于以上两个原因，作者选择在电动机保护装置的研究和设计方面做一些工作。 ( 2 ) 课题的设计思路 在保护判据方面采用序分量法，可以全面反映电动机的故障形式，可以正确反映不 同的电流序分量尤其是负序电流出现时电动机故障的严重程度，具有较高的可靠性和灵 敏性，还可以鉴别电动机的故障类型，判别故障原因，从而实现电动机保护的智能化。 结合序分量法的这些优势，课题又将自适应的思想引入到保护理论中，可以较好的解决 启动电流对保护性能的影响问题。 。 在硬件方面，课题采用单片机+ 可编程逻辑控制器( c p l d ) 双内核的硬件系统。 这种设计思路发挥了c p l d 在时序逻辑处理方面的良好性能，一是可以节约单片机的硬 件接口资源；二是可以使单片机充分发挥数字处理的强项，而避开逻辑处理的弱项，真 正做到扬长避短，优势互补。 ( 3 ) 课题的主要工作 在深入研究电动机的运行原理的基础上，本课题针对其保护做了以下工作： 用对称分量法具体分析电动机的故障形式，总结各种故障时的电流特征； 完成保护算法的研究，提出将可以消除直流衰减分量的改进全波傅氏算法用于电 流有效值的计算，实现正序、零序、负序分量的提取； 提出一套基于序分量法的保护判据，并对电动机的运行状态进行实时判别，引入 自适应原理，实现由电动机的运行状态选择保护判据的投切和定值整定； 4 l 绪论 设计完成采用单片机+ 大规模可编程逻辑器件c p l d 的双核硬件系统，利用两者 的优势互补，使得保护更加可靠稳定完成人机界面的设计，采用液晶显示，使得操作 简单化、直接化。 用c 语言和汇编语言混合编写保护软件。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 电动机的故障分析 电动机故障的分析研究是其保护的基础。利用对称分量法对电动机的几种主要故障 进行分析，总结不同故障情况下电流序分量的特征，为保护判据的提出提供理论依据。 2 1 电动机的故障形式 要设计一个保护装置，首先要分析保护对象会遇到的哪些故障，分析其故障特征， 才能提出切实可行的保护方案。对于电动机来说，其故障形式可以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例： 由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动或者短时间内重复启动，使得电动机 因长时间的大启动电流而过热； 长时间受电、热、机械或化学作用，绕组的绝缘老化损坏，形成相间或是对地的 短路； 因机械故障造成电动机转子堵转； 。 三相电源电压不平衡、波动太大或者电动机断相运行； 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、腐蚀气体以及轴承安装等给轴承带来的损坏 由于电动机的微机保护主要任务是通过测量电气量( 电流、电压及开关状态等) 来 监测电动机的运行状况做出保护动作判断，因此课题针对的主要是绕组故障。引起电动 机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要有三相短 路、堵转和对称过载等；不对称故障主要有断相、三相不平衡和单相接地或相间短路等。 发生对称故障和严重的相问短路故障时，例如因为各种原因，如机械故障、负荷过 大、电压过低等，使电动机的转子处于堵转状态时绕组电流大，特别容易烧坏电动机。 其他不出现显著过流的不对称故障，例如断相、不平衡运行等，过流保护常常不能及时 动作。对于电动机的各类内部绕组故障，如匝问短路、接地短路等，往往是由于运行环 境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，若不及时处理就会导 致事故扩大，进而引起电动机机端过热、转子启动力矩降低等一系列问题，并严重损坏 电动机。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著降低破坏其他用电设备的正常工 作。因此，要可靠地保护电动机，单一的过流保护是不够的，必须配置全面的保护方案。 另外几种电动机的故障可以称为不正常的工作状态，通常是由于过负荷引起的过电 流。产生过负荷的原因主要有： 所带机械部分的过负荷； 6 2 电动机的故障分析 由于供电网络的电压和频率的降低而使转速下降； 电动机的启动或自启动时间过长。 2 2 对称分量法 对称分量法，是一种分析电力系统不对称故障的常用方法。根据对称分量法，一组 不对称的三个相量可以分解为正序、负序、和零序三组对称的相量，各序分量独立存在。 在不同的序分量的作用下，系统的各个元件会呈现不同的特性。对称分量法的计算公式 ( 文中的分析是以a 相电流序分量为例) 如式( 2 1 ) 。 l ， ，4 2 ，舯= ；x 豳 眨， 式( 2 1 ) 中，l ，l ：、l 。分别为a 相电流用对称分量法分解所得的正序、负序、 零序电流；运算子口= p j l 2 0 0 。 2 3 用对称分量法分析电动机故障 ( 1 ) 电动机的序网络图 由电机学原理知道，电动机的t 型等效电路如图2 1 所示。 l 、 。12 图2 1电动机t 型等效电路 图2 1 中，五为定子电流；l 为定予电流的励磁分量；，一和x 。分别是定子绕组的 励磁电阻和励磁电抗；和而分别是定子绕组的漏阻和漏抗；丘为转子电流；，! ；和t 分 别是转子绕组的漏阻和漏抗的折算值；j 是电动机的转差率；玩为定子绕组的相电压。 图2 1 是电动机正常运行时的等效图，也是正序阻抗的等效图。 当电动机发生不对称故障时，定子绕组会有负序电流产生。流入定子绕组的负序电 流会产生一个与转子转向相反的旋转磁场，它对电动机产生制动性的转矩。电动机正常 运行或发生对称故障时，转子相对于正序旋转磁场的转差率如图2 1 所示为j 。发生不 7 西安科技大学硕士学位论文 对称故障时转子相对于负序磁场的转差率为2 一j ，将2 一s 替代图2 1 中的j 可以得到电 动机负序阻抗的等值电路，如图2 2 所示 图2 2 异步电动机负序阻抗图 在实际的应用中，电动机通常被接成三角形或是不接地的星形，因此零序电流不能 流通，所以不需要建立零序电流等值电路。 ( 2 ) 电动机正常运行和对称故障分析 电动机正常稳态运行时，定子通过对称的三相电流j 。、厶、厶，根据式( 2 1 ) 进 行向量分解，可得= l ，l ：= l 。= 0 ，也就是三相绕组中只有正序而没有负序和零 序分量，正序电流就是定子绕组中通过的电流。其矢量分析如图2 3 所示 图2 3 三相对称时的电流矢量图 通过对称分量法还可以分析得到结论：电动机堵转、三相短路、对称过载时用对称 分量法分析结果同样是只有正序电流，没有负序和零序电流。 ( 3 ) 不对称故障的分析 两相短路故障分析：当内部发生两相短路故障时( 假设为b 、c 两相) ，其不对 称的边界条件如式( 2 2 ) ： i a = 0 + 毛5 0 ( 2 2 ) u 叱= 0 u s = 0 2 电动机的故障分析 用对称分量法整理可得： i a l = 一i a 2 ，= 0 ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可以得出结论：两相短路时，存在正序和负序电流，而零序电流为零。 由正序网络和负序网络组合而成的两相短路时的复合序网，如图2 4 所示 图2 4 两相短路时的复合序网 因为零序电流为零，所以复合序网中不包含零序网络。图2 4 中，z l 。和z 2 。分别为 保护安装点到系统中性点处的正序、负序阻抗；z 和z 分别为故障点到保护安装处的 正序、负序阻抗；应为保护安装处的等效电势。 根据复合序网，可求出短路电流序分量及电动机各序电流： 奇 l = 一l 2 2 z i s + z + 巳z 一2 s + z 2 4 ) 短路点故障相的电流为： 厶= 口2 l 。+ 以：+ l 。= 2 + 口) l 。= 撕吮。 ( 2 5 ) l c = 一i b = j 西 m 矢量分析如图2 5 所示 9 ( 2 6 ) 西安科技大学硕士学位论文 图2 5 两相短路时短路处电流向量图 电动机单项经电阻接地故障分析 由于电动机的绝缘下降，电动机受潮，转子刮壳等原因，使电动机极易发生接地短 路。当电动机发生接地时，设电动机的a 相端子经电阻，接地( 如电动机因绝缘损坏绕 组刮壳时接地短路) ，等值电路如图2 6 所示。 图2 6 电动0 t a 相经电阻接地等值分析电路图 图2 6 中，z d 为异步电动机每相等值阻抗。 由图2 6 所示的等值分析电路图可求得各相电流为： 小苦 j 。i 磬 小等 1 0 ( 2 7 ) 2 电动机的敌障分析 对式( 2 7 ) 应用对称分量法可求得各序分量为： 五= ；( l + 以丘) = l + 吾t 厶= 吾( l + a 2 厶+ 止) = 三 ( 2 8 ) i o ：专啦。+ i ，+ i c ) ：姜ir jj 根据以上分析，发生单相接地短路时会出现负序和零序电流，其值大小主要决定于 故障程度，值越大，则t 越小 电动机断相故障分析 i 电动机为y 形接法 假设当y 形接法的三相异步电动机运行中因故a 相断开，如图2 7 所示 a f l = o 佤= 一乇 雌：护 k ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 西安科技大学硕士学位论文 k 图2 8y 形接法断相矢量图 电动机为接法 当为形接法的电动机内部绕组断相，电路如图2 9 所示。 图2 9 电动机接断相运行 假设断路发生在a ，b 相间，【k 、c 7 船、【乙仍为三相对称的线电压。根据电路理 论可求得流入电动机的三相线电流为： i l = i l 一6 0 。一尹 厶= i z - 1 2 0 。一矿 ( 2 1 1 ) i 如= 4 3 1 9 0 。一缈 式( 2 1 1 ) 中，为电动机正常运行时的相电流；矿为电流滞后角。显然，这是一组 不对称的三相电流，将式( ( 2 1 1 玳入式( ( 2 1 ) 中，可得正、负序电流分量为 = 竽一帅 a 2 = 压- - j - 31 z 1 5 。一矿 ( 2 1 2 ) ， f 1 1 根据以上分析，当电动机发生断相或缺相故障时，不管电动机内部绕组是y 形还是 形接法，都会出现负序电流。 2 电动机的故障分析 2 4 小结 本章运用对称分量法对电动机的对称和不对称故障特征进行了分析，着重分析了电 动机常见故障，并给出了包括对称过载和不对称故障中的两相短路、单相接地短路、断 相等故障时的具体分析。通过分析，可以得出以下结论：电动机发生对称故障的主要特 征是出现电流幅值增大，只产生正序电流分量，而不产生负序和零序电流分量；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。根据这一结论，可用正序电流、负 序电流和零序电流作为电动机保护的故障判据设定的依据，将电动机的保护分解成过流 速断保护、负序电流保护、零序电流保护、过负荷保护等几个主要部分，由此可基本覆 盖电动机的所有常见故障类型。 电动机的常见故障特征分析结果如表2 1 所示，这些故障特征分析结果为电动机保 护的判据设定奠定了理论基础。 。 表2 1 大型电动机故障特征分布 故障类型零序电流负序电流过电流其他故障特征 对短路无无 6 l o 如i a * 厶z 如 称 堵睫无 无 s s l e i i b i c 故 障 过载 。 无无 1 2 5 i a i b * 如 非相问 一 有( 取决与有( 取决与 ； 接短路 “尤 短路位置)短路位置) 1 。2 叫。 地 断糨无 i l | 矗瓜i i 。= 0 , j b j = 一i c 不 逆相无l无l * _ i b * 厶 对 称 ： 无 有无l 厶，c 故 障 接 萎薹也山枷s 有 嘉二芝爹p 厶= ，c 地 不 对 称 主釜c 厶+ 厶+ 毛，3 有耄二芝至于 l ，厶 毛 故 障 1 3 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 中，以为电动机额定电流；i 为故障前运行电流；单相故障设为a 相，两相 故障设为a 、b 相。 1 4 3 电动机微机保护的原理 3 电动机微机保护的原理 本章的一个主要内容是通过对常规保护算法的比较分析，结合电动机故障电流的特 点提出改进的全波傅氏算法算法，另一个主要内容是提出电动机保护的综合判据。 论文首先分析了常用的微机保护的算法的各自特性，然后根据实际电动机故障电流 的数学模型提出了用改进的全波傅氏算法算法作为本次设计的保护算法。文中采用的改 进的全波傅氏算法算法理论上可以完全地消除故障电流中的衰减分量，更准确地提取工 频电流的幅值。 保护判据方面，论文抛弃了传统的监测三相电流和三相电压，直接用电流和电压幅 值进行比较从而判断保护动作与否的做法，采用基于序分量的保护判据，很好地解决了 在某些不对称故障下，过电流现象不出现或不明显的问题；同时引入自适应原理，自动 区分电动机的运行状态，提高保护的灵敏性和可靠性。 3 1 电动机微机保护算法 微机保护装置需要将采集到的模拟信号转换为数字信号，经过运算求出电流、电压 的幅值、相位，然后与整定值进行比较，以决定是否发出保护动作命令。微机保护装置 对模数转换器提供的电气量采样数据进行分析、运算得到所需信号的方法称为算法。微 机保护的算法有数十上百种，目前仍是人们研究的热点。正是由于算法的创新和进步， 大大推动了微机保护技术的不断发展。 课题采用的保护方案决定需要的电量参数有：电压有效值、电流的有效值、电流的 零序的有效值、负序分量的有效值。装置是用来作故障保护之用的，所以对算法的实时 性要求较高，必须及时处理a d 转换的结果，以免造成数据的堆积。采用的算法还须满 足精度的要求。 电动机发生故障时，故障电流往往是基波上叠加有衰减的非周期分量和各种谐波分 量【l “。由于本次课题研制的装置采用的是工频信号，因此要对输入的电流、电压信号进 行预处理，尽可能的滤掉非周期分量和谐波分量，否则信号的提取将会出现较大误差。 电动机的保护系统处理的是离散采样信号，为了满足采样定理的要求【堋，课题在硬 件部分设计了前置低通滤波器，以滤除那些高于2 f ( f 是所需信号的频率，论文中为 工业频率5 0 h z ) 的频率成分。但这仅仅是为了防止频率混叠，前置低通滤波器的截至 频率一般是很高的，难以接近工频。因此，在设计保护算法时应该考虑消除直流分量和 谐波分量的需要。 1 5 西安科技大学项士学位论文 3 i 1 正弦函数模型算法 正弦函数模型算法的算法主要有以下几种：一点采样法，两点采样算法、三采样 点算法，半周积分算法、均方根算法等。这几种方法相关文献比较多2 1 - 0 8 1 ，论文中仅 对它们各自的优缺点做一分析。 ( 1 ) 一点采样法 这种算法只需对三相电压和电流同时采集一点，就可计算出电压、电流、有功功率 和无功功率。它对采样没有定时的要求，在硬件上只需要每路有单独的采样保持器即可 实现。缺点是没有滤波作用，且要求三相对称，当系统有高次谐波或三相不对称时会产 生严重误差。 ( 2 ) 两点采样算法 两点采样算法要求对电路中电压和电流在任意时刻进行相隔t 4 ( t 是正弦信号的 周期) 采样，就可通过计算获得电压和电流的有效值、有功功率和无功功率。对工频交 流电来说，两点采样法的数据窗为t 4 = 5 m s 。它的优点是计算简单、快速，克服了一点 采样法要求输入对称三相电流和电压的缺点，但是它同样没有滤波作用，受直流分量影 响最大。而且它对采样定时间隔要求精确等于t 4 ，否则将会带来较大误差。 ( 3 ) 三采样点算法 、 对正弦表示的交流信号在t 时刻开始连续进行等问隔( 采样间隔a 3 3 - - - - 次采样，进行 三角运算，消去与时间有关的量t ，可得信号的有效值。三点采样的数据窗为2 a t ，对 工频交流电以频率f = 6 0 0 h z 采样，数据窗为3 3 3 m s 。因此三点采样法比二点采样法还 要快。另外，此法能消除直流分量影响，采样定时要求简单，只要保证等间隔且间隔时 间稳定，这在硬件上是很容易实现的。但对三次谐波敏感。 ( 4 ) 半周积分算法 半周积分算法采用的计算依据是一个正弦信号在任意半个周期内绝对值的积分正 比于其幅值。对于工频电压( 电流) 来讲，该算法的数据窗长度为1 0 m s 。其优点是因为 叠加在基频成分上的高频分量在半周积分中对称的正负半周相互抵消，剩余的部分占的 比重就减小了，有一定滤除谐波分量的作用，计算简单算，避免了平方、开方运算。其 缺点是不能抑制直流分量的影响，求积分存在误差。 ( 5 ) 均方根算法 均方根算法是由有效值的定义，将有效值的公式在计算机中用离散计算表示得到， 均方根法的数据窗为一个整周期t 由于该算法的结果是均方根值，它不仅对正弦波有 效，当采样点数较多时，对波形畸变的电量也是有效的。但该算法用到乘法、开方等运 算，速度较慢，且无滤波作。 上述几种算法都是从电压、电流为纯正弦的情况出发的。由于这些算法都是基于被 1 6 3 电动机微机保护的原理 采样的电压和电流是纯正弦变化，而实际在电动机发生故障时，故障电流往往是在基波 基础上叠加有衰减的直流分量和各次谐波分量，因此要求微机保装置对输入的电流、电 压信号进行预处理，尽可能的滤掉直流分量和谐波分量，否则计算结果将会出现较大误 差。既使经过预处理，由于故障电流中的衰减直流分量和预处理存在的不彻底性，正弦 函数模型算法还是存在较大的误差，因此其只适用于要求不高的保护系统中。 3 1 2 周期函数算法 针对正弦函数模型算法的不足，在算法研究过程中，另外提出了一些更适合微机保 护的算法，这时不再假设输入的电压、电流量为纯正弦量，而是假设它们是由衰减直流 分量、基频和倍频分量所组成的。这些算法中最常用的是傅氏算法及其推广，由于它本 身带有很强的滤除高次谐波的功能，所以一般不需另外再采用数字滤波器。 通常，电动机故障电流可以表示为如下形式l u 】： 奶= i o e “+ 善ls 呱删+ 纯) e 4 + 否k c o s ( 树) + ks 的训 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，k = ls i n 绋，厶= l c o s ，( 1 ) 全波傅氏算法 全波傅氏算法在微机继电保护中得到了广泛的应用，其原理已经很成熟了，这里不 再推导。傅氏算法的对象是周期函数，因此将故障电流可分解为由直流分量( 口= 0 ) 、 基波、谐波分量。根据傅氏级数理论，可得到全波傅氏算法的计算公式： 仁二黧霉 。阵 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 全波傅氏算法的优点是精度高、滤波效果好：能滤除直流分量、2 、3 、m 次 1 7 西安科技大学硕士学位论文 谐波分量，且稳定性好。这种算法需要一个周波内的n 个采样数据，数据窗为一个整周 期r 。在使用傅氏算法时，把信号看作周期函数，但实际中故障电流中含有衰减的直流 分量，故直接采用傅氏算法肯定存在一定的误差。 ( 2 ) 半波傅氏算法 半周波傅氏算法的计算公式为 k = 吾如) c o 咖耐) 班 厶；亍4 | 4 r 砸) s 呱厅甜矽 ( 3 5 ) 经采样、离散化后，n 倍频率电流的实部和虚部分别为 旦 k = 昙孙c o s 争 ! 小专扣咖争 6 ， 这时用式( 3 4 ) 即可求出电流的有效值。 半波傅氏算法的特点是所需的数据窗比较短，相当于全波傅氏算法的一半，响应速 度快，但其滤波功能较弱，不能滤除偶次谐波和直流分量。 为提高电动机保护的可靠性，课题提出了一种新型的可以消除衰减直流分量影响的 傅氏算法。 3 1 3 能消除衰减直流分量的改进全波傅氏算法 由于故障电流中的衰减直流分量的影响，采用常用保护算法存在误差。有些文献中 采用差分的方法对采样数据进行预处理。但是当直流参数口较大，衰减速度快时，效果 不理想。下面给出本次课题设计中的保护算法的推导过程。 ( 1 ) 全波傅氏算法的误差 从前面全波傅氏算法的推导过程，可以看出傅氏算法可以滤出直流和高次的谐波分 量。但是傅氏算法是以周期信号为基准的，所以对于含有衰减直流分量的电流，使用傅 氏算法必定存在误差。实际的故障电流( 3 1 ) e e 口0 ，这时由傅氏算法的计算公式( 3 2 ) ， 得到电流彳导实部和虚部分别为： i b = 亍2 鼬d o t ) d t = i s i n ( p + 吾r 如“c o s ( 一o j o d t = + “ ( 3 7 ) 1 8 3 电动机微机保护的原理 k = ；r 聃s i n ( 一耐弦= i nc o s c p + ；r 印s i l l ( n 耐瑚 = 口+ 衄 ( 3 8 ) 为计算方便，令彳= l s i n ，口= l c o s ，“= 孑2 b1 。p “c o s ( 拧耐) 出， 仙= 吾r 厶p q s i n ( 刀硼西。可以看出实际n 倍频电流的实部应当是彳，虚部应当是 曰j 而全波傅氏算法的计算结果是k 和，如当电流中含有衰减直流分量时，厶o ， 口0 ，则彳0 ，口0 。所以在数据计算中直接全波傅氏算法的必定会带来误差。 ( 2 ) 改进的全波傅氏算法 从上面的分析可以看出，要得到精确的计算结果，就必须弥补直流分量给傅氏算法 带来的误差，也就是要求出4 和曰的值。下面给出新算法的具体计算步骤。 求取衰减电流中的参数口 对于含有衰减直流分量的电流( 3 1 ) ，第k 个采样点t 的值为： = 厶e “+ 厶蛳栉抛r + 州 因为行础r = 疗等r = 破垒n ，所以式( 3 9 ) 又可以写成： e - d c a t - 4 - 善l 蛳麻等圳 ( 3 1 0 ) t = 厶 l 蛳麻等+ 州、 在一个采样周期n 个采样点的序列内，对序号为奇数的点的值求和，得： 托= + 屯+ 厶+ + i x - i = 艺厶口1 2 “a r + 粪善l 如 n ( 2 k - 1 ) 圳 限，。j 对于周期信号有，粪萋ls i l l 【啊2 七一1 ) 等+ 钆】= 。所以，对式( 3 1 1 ) 用序列知 识求和得： =+i，+=篓扩。；厶可eer(en”-1)+iz 1 1 2 ) = + 毛+ + j -