（电力系统及其自动化专业论文）同步电动机的失步仿真及其微机继电保护.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u s m o t o r s ，w i t hs y m m e t r i c a l c o m p o n e n tm e t h o d ，a t t h es t a t e so ft h e s y m m e t r i c a l a n d a s y m m e t r i c a l f a u l t s b a s e d o nt h ef e a t u r e sa n d d i f f e r e n c e so f p o s i t i v es e q u e n c e ，n e g a t i v es e q u e n c ea n dz e r os e q u e n c e f a u l t c o m p o n e n t sw h e ns y n c h r o n o u sm o t o r sg e ti n v o l v e di nd i f f e r e n t f a u l t s ，ar e l i a b l ep r o t e c t i o ns c h e m ei sp r o p o s e df o rs y n c h r o n o u sm o t o r s e s p e c i a l l y f o rt h et h e r m a l o v e r l o a d ，o u t o f - s t e pp r o t e c t i o n a n d l o s s 。o f - e x c i t a t i o np r o t e c t i o n ，t h en e wm e t h o d sa r e p r e s e n t e dw h i c ha r e d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s i nt h es t a t e o fl i g h t ，h a l fa n d f u l l yl o a d e d ，s y n c h r o n o u sm o t o r s ， t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa r e o b v i o u s l yd i f f e r e n t b u tt r a d i t i o n a lt h e m a l o v e r l o a dp r o t e c t i o nh a sn o tt a k e nm o t o r s t h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c sb e f o r e t h ef a u l ti n t oc o n s i d e r a t i o n i t st r i pt i m er e l a t e so n l y t ot h ec u r r e n ta f t e r f a u l t s t h i s p a p e r i n t r o d u c e sas c h e m e o fm o t o rt h e m a l o v e r l o a d p r o t e c t i o n i tc o n s i d e r sm o t o r s w o r k i n gs i t u a t i o nb e f o r et h ef a u l t a n d r e l a t i v e l yf a c t u a l l yr e f l e c t st h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r sb e f b r e t h ef a u l t t h a tc a na v o i d m o t o r s d a m a g e sw h i l ef u l l ye x e r to v e r l o a d c a p a c i t y , a n di m p r o v et h e r e l i a b i l i t y o fe l e c t r i c d r a g g i n gs y s t e ma n d p r o d u c t i o nc o n t i n u i t y i nc h i n a ，m a n y s y n c h r o n o u sm o t o r sa r es t i l le q u i p p e dw i t ht h es a m e o u t 讣s t e pp r o t e c t i o na s3 0y e a r sa g o u s u a l l y t h e yu s eo v e rc u r r e n tr e l a y w i t ht h ei n v e r s et i m ec h a r a c t e r i s t i c sa ss h o r tc i r c u i ta n do v e r l o a d p r o t e c t i o n ，a n da so u t o f - s t e pp r o t e c t i o no fs y n c h r o n o u sm o t o r s b u tt h i s p r o t e c t i o n i sn o t p e r f e c t i t c a n n o t g u a r a n t e es y n c h r o n o u sm o t o r s w o r k i n gs a f e t y u n d e ra l lk i n d so fo u t o f - s t e p s i t u a t i o n ，a n d c a n n o t p r o v i d ef u n d a m e n t a lp r o t e c t i o nw h e nn o n s i m u l t a n e o u si m p a c ti sc a u s e d b y a p o w e rb r e a ko u t o f - s t e p f u r t h e r m o r e ，o nt h ep r e m i s eo fs a f e t y g u a r a n t e e ，i tc a n n o tk e e pt h ew o r k i n gc o n t i n u i t yo f s y n c h r o n o u sm o t o r s a n a l y s e d t h eh a r mo f s y n c h r o n o u s m o t o r s o u t o f - s t e p a n d l o s s o f - e x c i t a t i o n ，t h i sp a p e rs u g g e s t st h a t s y n c h r o n o u sm o t o r s p o w e r f a c t o r a n g l e 矿a n ds t a t i c s t a b l ei m p e d a n c ec a nb eu s e da st h ef i x e d s e t t i n go fl o s s 。o f - e x c i t a t i o np r o t e c t i o n i t sv a l i d i t yh a sb e e np r o v e db y m a t l a b s i m u l a t i n gs o f t w a r e k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o r , s y m m e t r i c a l c o m p o n e n t ，t h e r m a l o v e r l o a d ，i n v e r s e t i m e ，o u t o f - s t e pp r o t e c t i o n ，l o s s o f - e x c i t a t i o n p r o t e c t i o n ，s t a t i c - s t a b l ei m p e d a n c e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔注盘茔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了谢意。 学位论文作者签名：李宁签字日期：2 0 0 3 年1 1 月2 0 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编咀供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李宁导师签名：李永丽 签字日期：2 0 0 3 年1 1 月2 0 日 签字日期：2 0 0 3 年1 1 月2 0 目 第一章绪论 随着社会的发展，科技的进步，机械生产规模的扩大和自动化程度的需求， 作为生产中的动力设备同步电动枫的容量越来越大，数量越来越多，当电动 机发生故障时，除电动机本身烧毁外，还经常波及生产系统，因此，对同步电动 机实行有效保护是保证生产系统正常工作的一项重要任务。另外，在运行方式上， 由于考虑节能及各种自动化的需求，要求在间歇；变负荷、变速等各种状态下运 行，所有这些均对保护装置提出了更高的要求。然而，由于以前对同步电动机的 保护问题重视不够，使其并未得到完善的解决，长期以来困扰着继电保护专业人 员和运行人员。据不完全统计，全国每年由于同步电动机过载、短路缺相、接地、 失步等故障引起严重损坏的恶性事故达数百起，直接经济损失上亿元。尤其是失 步故障所占比例更高，据保定地区化工局对所属1 2 家化肥企业的统计，每年因 同步电动枫失步事故造成祝毁、停产损失就达一百多万元。 本论文就同步电动机的微机保护作了研究，尤其是在过载保护和失磁失步 保护方面提出了与传统保护不同的方法。同步电动机工作在空载状态、半载状态 及满载状态下其发热情况显然是不同的，但传统的热过载保护动作方程没有考虑 故障前电动机的发热状况，其动作时间仅与故障后的电流有关r 因此是不合理的。 本文介绍了一种电动机热过载保护的方法，它考虑了电动机故障前的工作状态， 能较真实地反映电动机故障情况下的发热状况。 同步电动机在正常运行过程中，不可避免地会遇到各种各样的影响其工作状 态的外界故障，如：供电电源的短暂中断、母线电压的大幅度突降、电机负载的 大幅度突增、转子直流励磁的丢失或大幅度降低等等。这些非电动机本身的故障， 都会引起同步电动机失步，不同程度的造成电机设备内部暗伤甚至严重损坏。我 国目前绝大部分同步电动机所装设的失步保护仍与3 0 年前相同，一般采用具有 反时限特性的过电流继电器作为短路、过负荷保护兼作同步电动机的失步保护。 其实这种保护是不完善的，它不能可靠地保证电机在各种失步状态下的安全运 行，反而存在着与供电系统各自投和重合闸装置的配合矛盾，对断电失步引起的 非同期冲击根本起不到保护作用，更不能使电机在保障安全的前提下，保持连续 运行。对带励失步，f h 于振荡转矩造成的危害，此种保护方式对较大的同步机如 风机类机组灵敏度是不够的，对如轧钢机组等较小的同步机，一般还可以动作。 但即便动作，由于定子电流值的脉动，其峰值太于继电器整定值，使继电器启动， 低谷又使继电器返回，如此反反复复，大大延长了跳闸时间，由于时限的延长， 电机易遭受损伤或暗伤，因此，起不到保护电机的作用。从6 0 年代起，国际上 有许多国家先后研制了各种新型失步保护，但由于保护或是结构复杂，或是整定 较困难，或是在某些情况下出现拒动或误动，技术性能不够满意。国内从6 0 年 代初开始研制新型失步保护，主要应用于高压、大容量同步电动机，由于结构复 杂，成本较高，很难在中小型工矿企业推广。至今绝大部分同步电机仍未加装失 步保护装置。综上所述，研究设计一种成本低、灵敏度高、动作准确可靠的失步 保护技术及装置非常重要。本文在对同步电动机失磁失步的危害性及其失步后的 运行特性进行了认真的分析之后，在此基础上，提出利用同步电动机功率因数角 及其静稳边界曲线构成同步电动机的失磁失步保护。 第二章同步电动机运行特性及电动机故障分析 2 1 同步电动机运行特性 2 1 1 同步电动机的基本方程式 同步电动机带三相对称负载时，按发电机惯例( 即电流的正方向指向系统) 可画出隐极同步电动机的等效电路图如图2 1 ，凸极同步电动机的等效电路图如 图2 2 所示： x t i， 图2 - 1 隐极同步电动机的等 j 0 效电路图 o 图2 - 2 凸极同步电动机的等效电路图 隐极同步电动机的电压方程式为： e o = u + l ( r 。+ ，) 凸极同步电动机的电压方程式为： 量。= i ： 一妻d 一意q + i r 。= 0 + i r ，+ j id xd + j iq xq ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中，【，为机端的相电压；或为励磁电动势；j 为相电流：j 。为直轴电流 分量；j 。为交轴电流分量；x 。为同步电抗；x 一为直轴电抗；x ，为交轴电抗： 2 1 2 同步电动机的矢量图 当同步电动机将输送感性无功功率至电网或自电网吸取电容性无功功率时， 此时同步电动机工作在过激状态下；当同步电动机将输送电容性无功功率至电网 或自电网吸取感性无功功率时，此时同步电动机工作在欠激状态下。 根据式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可做出同步电动机的矢量图： a 过激状态 b 欠激状态 图2 - 3 隐极同步电动机的矢量图 4 a 过撤状态 b 欠激状态 图2 4 凸极同步电动机的矢量图 由以上这些图形可知：同步电动机工作在过激状态下时， 詈( ( 石；当工作 在欠激状态下时，一石( 一昙。 2 1 3 同步电动机的功角特性 以一台同步电动机经z 。与无限大系统并列运行为例，电路如图2 - 5 所示 1 0 9 图2 5 其中，u ，为无穷大系统母线电压；j 。为系统联系电抗；p 和q 为通过机 端的有功功率和无功功率；p s 和q s 为通过母线处的有功功率和无功功率；电流 正方向为电动机指向无穷大系统母线。 输入系统的有功功率、无功功率各为 只= u f l c o s = u ，i c o s ( 9 一万) = 虬，( c o s 9 c o s 6 + s i n 尹s i n 万) = u ，i q zc o s 8 + u ，d = s i n 8 ：u ；u , ：_ s i n 一8c 。s 占+ u ， 5 爿。z 。等s i n 占+ 堡2k x q 一圳x s m 占协s ， k【。j 、 q = u 。l s i n 妒= u ，s 试 一占) = u ，( s i n p c o s 6 一c o s t ) s i n 8 ) 2 u s i n c 髓6 一us lq s i n 6 u ，e o - u = , c o s b c o s 占一u ，u , s i n 5s i n 艿 ；xe a x n j = u 以, 。e oc o s s _ u j 卜c 。s 5 + 剥2以d l dx 4 zl = 簪d 2c o 蚶一町 去一走卜占一芝c z 剐 i 拉 啦 止 其中，直轴电抗z d = x d + 彳。；交轴电抗z 。：= x 。+ x 。；e o 为励磁电动 势；万为功率角。 隐极同步电动机中x 。= x 。，代入式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 可得到隐极同步电动 机的功角特性： p ：盟s i n 8( 2 5 ) 4 爿以 g = 等c o s 扣笔 s ， 旺 拒 由式( 2 5 ) 画出其功角特性图，如图2 - 6 所示： h 叮 lj 门一 一1 8 0 一g o 。 0 。g o 。1 8 0 。5 v 电动机发电机 图2 - 6 隐极同步电动机的功角特性( 按发电机惯例画出) 以隐极同步电动机为例来分析一下同步电动机的静态稳定极限。从图2 - 6 可知，电动机稳定运行的判据是：当外界的扰动使得电动机的功角增大时，电磁 功率的增量也大于零，即 l i m a s - 0 告) 。或等) o ( 2 - ，) 6 4。j d 6 。 。 这样一旦扰动消失，只起减速作用使功率角返回到扰动前的数值，而使电动机 稳定运行。显然可见当冬越大，保持同步的能力就越大，电动机的稳定性也越 口d 高。反之，如果 盟o ( 2 8 ) d 6 1 则功率角增大时，电磁功率和相应的制动电磁转矩反而将减小，因此电动机的转 速和功率角将继续增大而更偏离原先的数值，电动机就不能稳定。在 盟：o( 2 9 ) d 6 处，保持同步的能力恰好为零，所以该点就是同步电动机的静态稳定极限点。 2 2 同步电动机的故障分析 同步电动机常见故障可以分为对称故障和不对称故障两类。 对称故障包括：对称过载、堵转、对称稳态短路；不对称故障包括：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。同步电动机的各 种故障状态分析常使用对称分量法。假设已知不对称三相电流各为，。、厶、j 。， 电流的正、负、零序分量各为五、，：、i o ( 以a 相为基准相) 。根据对称分量法， 有以下关系： i t 。l i + i t 斗i o j 日= 口2 五+ 掰，2 + 厶( 2 1 0 ) i c = 岱i t + c 【3i 1 + i q 或者： 五；( ，。+ 口，。+ 口z 丘) 厶= ；( j 。+ az?。+口jc)(2-11) 厶= ；( ，。+ ，。+ j 。) 其中，= e j r 2 0 。一丢+ ，譬。 同步电动机正常稳态运行时，定子绕组流过对称的三相电流，根据式( 2 1 1 ) ， 进行相量分析，可知五= j 。，：= 厶= o ，三相绕组中没有负序及零序分量。 同步电动机堵转或对称过负荷时，用对称分量法分析各相序电流关系，除正 序分量增大外，都不存在负序和零序电流分量。 根据同步电动机运行理论，可知各相序的等效电路图如图2 7 所示： z 1 i 臣t 厂丐z o 一 _ 。 c 零序分量等效电路图 图2 7 各相序的等效电路 9 其电势平衡方程式如下： 直= 口l + ，。z 1 0 = d 2 + ，2 2 2 ( 2 _ 1 2 ) 0 = u q + i zo 其中，z 。为正序内阻抗，z ：为负序内阻抗，z 0 为零序内阻抗。 l 、正序阻抗 一 对于隐极同步电动机，正序阻抗就是同步阻抗，即 z l = r o + 瞒 ( 2 1 3 ) 对于凸极同步电动机则要根据具体给定条件先确定正转电枢磁势与转子的 相对位置，然后用双反应理论，用直轴和交轴两个电抗压降的相量和来表达电枢 电流总的电抗压降。在三相对称稳定短路时，如忽略电阻，1 1 = l a ，。= 0 ，所 以可认为五“局。 2 、负序阻抗及其等效电路 首先，我们假设同步电动机的转子绕组也为一对称多相绕组，例如对称二相 绕组。当然这一假设对于凸极同步电动机而言与事实不尽符合，但由于阻尼绕组 的作用以及整块铁芯的阻尼作用，也可认为沿着交轴存在着某一等效的短路绕 组，故以上的假设仍是近似合适的。如此同步电动机的情况便和异步电动机相同。 故负序电抗的等效电路如图2 8 所示哺，对同步电动机而言，转差率s 为零： r 2 j 】( 2j x 2 图2 - 8 同步电动机负序阻抗图 l o z 2 = r 2 + j x 2 +呱喊，降艇 c r 。+ x 。，+ 譬+ ； ( 2 1 4 ) 3 、零序阻抗 由零序电流所产生的漏磁通与由正序电流所产生的漏磁通不同，它们之间的 差别要依绕组的型式而定。对于单层绕组和整距双层绕组而言，零序漏磁通便与 正序漏磁通相同。对于短距双层绕组而言，零序漏磁通便较正序漏磁通小。又由 于零序电流主要产生漏磁通，所以零序电抗的大小与主磁路的饱和程度及转子的 结构无关，零序电阻近似地等于电枢电阻”“”。 2 3 、同步电动机的不对称短路 2 3 1 一相对中性点短路 一相对中性点短路一般是指单相对地短路而言，这种短路一般是在电动机中 性点接地时一相对地短路而发生，今假定a 相发生短路而b 、c 相为空载，如图 2 - 9 所示。 根据假定，其故障处边界条件为： 驴。= o ，口2 k 。0( 2 1 5 ) a cb 图2 - 9 一相对中性点短路的电路 因a 相短路，可知： u _ = u l + u 2 + u = 0 又从式( 2 1 1 ) 可得 i l = i2 = io = i 。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 由式( 2 - 1 2 ) 可得： e i = ( u i + u 2 + u o ) + 1 1 z l + ，2 2 2 + i o z o ( 2 1 8 ) 对照图2 7 和关系式( 2 1 6 ) 、( 2 - 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 可将各相序的等效电路连接 成如图2 1 0 所示的串联形式，并加以短接： 圈2 一l o 一相对中性点短路的等效电路 由图2 - 1 0 可得出流经电动机的序电流分别为 丘吐屯= 寿 ( 2 1 9 ) 由于负序电抗和零序电抗比正序电抗小得多，因此，单相短路电流远较三相 短路电流大。 2 3 2 两相短路 假定b 、c 两相之间短路，如图2 1 l 所示。 此时其故障处边界条件为： i 2 0 i8 2 一i c u 日c = 0 c a 利用对称分量法可得 图2 - 1 i 两相短路电路图 由对称分量法可知： 驴日= a2 矗+ 口d 2 + d 。 吼= 口磁+ a 2 d 2 + 哦 b 把( 2 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 代入( 2 2 0 ) ，化简得：功= 口2 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) o l r = 1 j旁j 仿 印 叫 一 l 这样，从以上分析可得下列关系： i o 5 0 j 。= 一，2 ( 2 2 4 ) u 2 u 2 对照图2 7 和上式可见其相序等效电路如图2 1 2 所示， z 1 图2 1 2 两相短路等效电路 由图2 - 1 2 可得流经电动机的序电流分别为 j l = t 丧( 2 - 2 5 ) 通过以上分析，可知：所有不对称故璋，如断相、短路( 三相短路除外) 等 都将产生负序电流分量，而对称故障如电动机堵转和对称过负荷等都只产生正 序电流分量。因此，可用正序电流和负序电流做为电动机保护的故障判据。 本章小结 本章首先介绍了同步电动机的运行特性，包括它的基本电压方程式、工作在 过励和欠励状态下的矢量图、功角特性的推导过程和静稳极限的条件，其中隐 极同步电动机的运行特性较凸极同步电动机的运行特性简单。接着根据对称分量 法对同步电动机的几种常见故障进行了分析，得出：所有不对称故障，如断相、 1 4 盈臣 短路( 三相短路除外) 等都将产生负序电流分量，而对称故障，如电动机堵转和 对称过负荷等都只产生正序电流分量。因此，可用正序电流和负序电流做为电动 机保护的故障判据。 第三章同步电动机的静稳边界分析与失磁失步的阻抗特性 尉步电动机的励磁骁组失去励磁或严重欠励磁，转于磁场授指数规律捎失， 导致同步电动机反电势e o 按同样规律消失。同步电动机经过过渡过程后，滑出 同步，转变为异步运行，这种失步状态称为失磁失步。由失磁而导致失步后，由 于其输出功率是周期性摆动的，定子和转子都将受到较大的冲击力，又由于转速 很高，将引起定子、转子和基矗的强烈振动，严量危机同步电动机的安全。 以一台同步电动杌经x 。，与无限大系统并列运行为例，电路如图2 - 5 所示， 电动机从失磁开始到进入稳定的异步运行，一般可分为三个阶段： 3 1 失磁后到失步前 由于转子存在惯性，其转速一时不能突变，因此在这一阶段中，电动机输出 的有功功率基本保持不变。发生变化的量是转子电流逐渐衰减，万相应增大，无 功从正值变为负值。电动机机端的测量阻抗为 知孚= 华2 学帆2 靠憾 = 筹丝掣城 = 等m 2 ) + 。 = 簋+ 隅，嗟扩 b t ， 其中，妒= 培- 1 鲁。同步电动机工作在过激状态下时，三( 似；当工作在 欠激状态下时，一万( ( 昙。 如上所述，式中的u ，、x 。和p s 为常数，而q s 和p 为变数，因此它是一个 圆的方程式，其圆心的坐标为( 筹，瓦) ，半径为筹，如图3 一l 所示。 一般情况下，同步电动机失磁前工作在过激状态，故此时p s 为负值，q s 为 正值，测量阻抗位于第二象限。失磁后，随着无功功率的变化，测量阻抗沿圆周 随之由第二象限过渡到第三象限。 i x i j x s t 一 r _ r 图3 - 1同步电动机机端的测量阻抗圆 3 2 静稳极限点 3 2 1 、隐极同步电动机的静稳边界 当j = 9 0 0 时，隐极同步电动机处于失去静稳定的临界状态代入( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 式，则 只：警( 3 - 2 ) a 也 q 一最 s ， q 为负值，表明临界失步时，同步电动机自系统吸收感性无功功率，且为一常 数，故临界失步点也称等无功点。此时机端的测量阻抗为： z = 孚= 华2 学峭2 盎憾r = 簧生掣+ 风一，2 q 。“ ：妥。m脚)+以j2 一 q 、 7。“ ( 3 4 ) 其中矿= 只+ ，q ，。 把( 3 - 3 ) 式代入( 3 4 ) 式，并化简后得： z - - - 半m 功) 肾，半+ 半( 3 _ 5 ) 由( 3 5 ) 式可知，它的轨迹也为一个圆，其圆心坐标为( o ，一兰学) ，半 径为兰 奠的阻抗圆，其中圆内为失步区，如图3 - 2 所示。 j x j x s t 一、 一 l夕 一j x d 如图3 - 2 隐极同步电动机的静稳边界髓 3 22 凸擞同步电动秽l 明削穗边界 对于一台凸极同步电动机( x 。x 。) ，当它经爿，于无穷大系统相联时， 输入系统的有功功率、无功功率为式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，其静稳边界点存在于婴：0 ， 口o 因此将式( 2 - 3 ) 对占求偏微分( 设e o 为某一定值) ，有： 耻啦文击地。s 玩 s ， 其中，口= 去一i i ：，成为静稳极限角。 将静稳边界关系式( 3 - 6 ) 代入式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 得 只= 口u ：垃占，s i n2 艿( 3 - 7 ) q , = - a 咖而，一芝 s ， 静稳极限时无穷大母线处的测量导纳y ；为 e = 毒= 警咄万，s 啦+ ，( a c o s 28 , + 。 b 。， 上式中，当t = 0 0 时，i = j 去：当4 = 9 。时，f = m + _ ，妄三，因此e2 ，i l _“目n 以啦 直线即为静稳极限时誓的渐近线。给定式( 3 9 ) 中不同的正值得相应的e 。已 知t 后，进而可以求出机端测量阻抗为： z - 专+ 、， 协。， 做出机端测量阻抗的轨迹蜘i 图3 _ 3 中的实线所示。在图3 3 中的虚线表示z ，2 专 j x j j x s t 一 f i 一 r 7 。8 沁 u i j j ， 一 、一j x q t 。 ? l3 - 3 机端测量阻抗的轨迹 3 3 失步后的异步运行阶段 失步后的异步运行的电动机，其等效电路如图3 - 4 所示 1 9 图3 - 4 异步运行时的同步电动机等效电路图 电动机机端的测量阻抗为 z = 一川x 1 + x 。s + ：) 百再乃j 习】 式中s 为转差率； j = o 时， z l 议最大值，z = 一，阮+ x ，) = 一。 r 2 7 s 时，z 唰值z 叫卜爱 一俄 s 为其它值时，由式( 3 - 1 1 ) 得： z = 一， c 盖。+ 。，一，j i 了：赫 ：一i ! ! 垄t 兰! ! ! ! 茎! 墨22 一 篓 。 2 ( x 。+ x i )r ；i s + j ( x ：+ x 。) ：一，! 查i ! 垄! 兰! ! ! ：塾! 兰! 兰遗一 兰； 。 2 ( x 。，+ z 2 )r ：i s + j ( x ：+ x 。) = 一， 十x 。) ( x 。，+ x ：) + x ，z + e 2 ( x 。+ z 2 ) ( 3 - 1 1 ) 墨 r ：i s + y ( x ：+ j 。) 叫淞l 圳蛔+ 畿， 一- ，意b 一万案瓦 叫长生+ ， - 1 + ，最嚣 叫墨丛+ f 签：| 罩尘! 竖! ，型j 。 2 。2 ( j _ + x 2 ) lr 2 s + j ( x 2 + x 。) j ：一叠芷量+ ，出 警卫塑幽i 。 2 。 2 lr 2 s + j ( x ；+ x 。) j 叫半+ ，学“ ( 3 - 1 2 ) 她馥罐1 等等。 + 由式( 3 1 2 ) 可知随着s 的变化，z 将取得由同步电抗x 。和直轴暂态电 帆贼的圆肌期啸半径删为i o , _ j 华 ，华。该 圆称为异步边界阻抗圆，如图3 - 5 所示。 对于同步电动机的低励和失磁状态来说，当机端测量阻抗轨迹一旦越过 静稳边界阻抗圆后，电动机不可避免地进入失步运行。在其他条件相同的情 况下，失磁前有功功率越大，则由失磁到失步的时间越短。在失步以前，一 般来说，对机组本身或对系统都不会构成危害。失步之后，有功功率摆动， 过电流、低电压出现，其危害才表现出来。因此，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低励或失磁故障的一个判据。这样，在 低励或失磁讨程对机绍或对系统表现出帚害之前，将故障蛉j 6 1 【出来。 j xj 一 ) r j ) ( d 图3 - 5同步电动机的异步边界阻抗圆 失磁后，随着转差率进一步增加，电动机进入异步运行状态，机端测量 阻抗轨迹进入异步边界阻抗圆。上面己分析过，异步边界是j = 0 到s = o 。范 围内变化时机端测量阻抗的最大边界，因此，异步运行后机端测量阻抗一定 会进入异步边界。故我们也可把异步边晃作为鉴别低励或失磁故障的一个判 据。由于异步边界在静稳边界的里边，所以失磁后，机端测量阻抗轨迹先进 入静稳边界，然后才进入异步边界。也就是说用异步边界作为判据的失磁保 护检出失磁故障的时间要晚一些。特别是联系电抗比较大时，则其差别更要 明显一些。通常，水轮电动机不允许异步运行，大型汽轮电动机一般只允许 短时异步运行，为了减少危害，当机端测量阻抗轨迹进入静稳边界时，就让 失步保护动作。 本章小结 本章就同步电动机的低励、失磁过程分三个阶段作了详细的介绍，并对 相应的等功率阻抗圆、静稳边界阻抗圆、异步边界阻抗圆进行了详细的推导 和论证。当同步电动机失磁后，机端测量阻抗轨迹将由第二象限进入第三象 限，且先进入静稳边界，然后才进入异步边界，为了减少危害，当机端测量 阻抗轨迹进入静稳边界时，就让失步保护动作。 第四章同步电动机的失步仿真 本论文中关于同步电动机的失步仿真是借助了m a t l a b 仿真软件中的 p o w e r s y s t e m b l o c k e t 工具箱来完成的，设计出来的仿真模型如图4 1 所 示： 图4 - 1同步电动机失步的仿真图形 4 1 模块介绍： 1 、s y n c i l r o n o n sm a c h i n e ：同步电动机模块( 7 6 2 v1 1 1 9 k v a ) 2 、n e t w o r k ：三相电压源模块( 7 6 2 v1 0 0 m v a ) 3 、1 0 k w ：负载( 7 6 2 vl o k v o 4 、v f s t e p ：励磁电压源模块 5 、p 。：同步电动机所带的负载 4 2 仿真步骤： 4 2 1 失磁的仿真 v f 由正常运行时的励磁电压在第五秒钟时跳变为零，再利用m a t l a b 中 的p l o t 画图语句画出各输出三相电流、三相电压及转子转速波形图i a b c 、 v a b c 、w i n ，分别为图4 2 、图4 3 、图4 - 4 所示。 说明：5 秒以前已进入了同步运行阶段，第5 秒钟时励磁电压跳变为零， 此后电动机进入异步运行阶段，从波形上看电动机进入了稳定异步运行阶段， 此时电流、电压均按两倍差频摆动。因为转子以( 1 s ) r ll 角速对定子旋转， 定子侧的旋转磁场将在转子回路中产生频率为s f l 的差频电流。这一差频电流 所建立的磁场对转子相对静止，是一个脉振磁场，脉振频率为s f l 。这一脉振 磁场可分解为两个旋转磁场，一个以转差s 顺转子旋转方向旋转，一个以转差 s 逆转子旋转方向旋转。这两个旋转磁场对定子的转速分别为( 1 2 s ) nl 和nl ， 从而在定子绕组中产生频率为( 1 a s ) f i 和f l 的两个电流分量。故定予电流将出 现两倍差频的摆动。由此产生的压降中将包含有两倍差频的分量，因此，机端 电压也将以两倍差频摆动，且联系电抗越大，电压的摆动越明显。但由于是由 压降引起的摆动，且一般联系电抗不大，故一般电压波动不明显。 4 2 2 断电的仿真 在第5 秒钟时让三相断路器断开，在第5 0 2 秒钟时让三相断路器重新 合闸，此时令v f 等于正常运行时的励磁电压。再利用m a t l a b 中的p l o t 画图 语句画出各输出波形图i - a b e 、v a b c 、w r f l ，分别为下列图形4 5 、图4 - 6 、图 4 7 所示。 说明：5 秒以前已进入了同步运行阶段，从第5 秒钟开始发生失步。 4 2 3 带励低电压的仿真 改变三相电压源的输出电压由4 4 0 v 变为1 4 0 v 。此时令v f 等于正常运 行时的励磁电压。同理得出如下图形4 8 、图4 - 9 、图4 1 0 。 4 2 4 低励、失磁的仿真 要实现低励、失磁的仿真，首先让同步电动机带一定负载进入到正常工 作状态，即同步电动机能同步运行。然后改变励磁电压，使其逐渐减小，当 同步电动机发生失步时测定此时的机端电流值、机端电压值和功率因数角， 从而推算出此时的机端阻抗值。再让同步电动机带不同的负载，重复以上的 步骤，均可得到不同的临界机端阻抗值。最后把这些推算出来的机端阻抗值 放到复平面上进行描点画图，就可以得到静稳边界阻抗圆，见图4 - 1 1 。 图4 - 2 机端三相电流波形 图4 - 3 机端三相电压波形 图4 - 4 转子转速波形 图4 - 5 机端三相电流波形 图4 - 6 机端三相电压波形 图4 - 7 转子转速波形 图4 - 8 机端三相电流波形 图, 1 - 9 机端三棚i u 压波形 2 8 图4 1 0 转子转速波形 图4 1 1 静稳边界阻抗圆 对图4 1 l 进行观察，发现该图与第三章中的图3 4 略有区别，同步电动 2 9 机所带的负载很小和很大时仿真偏差较大，而取在两者中间值时仿真情况较 好。现分析如下，：当同步电动机所带负载数值较小时，同步电动机内部自身 的损耗不可以忽略，故从机端处测量的有功功率偏差就很大，并不只是负载 功率：当同步电动机所带负载数值越大时，与电网相比，对电网的影响就比 较大，而且同步电动机在启动过程中就可能进入不了同步状态，所以失稳的 极限点找的就不够准确，这样做出来的静稳边界阻抗圆在负载很小和很大时 就偏差较大。 本章小结 本章利用m a t l a b 仿真软件对同步电动机的失磁失步、断电失步、低励 失磁失步等三种失步状态进行了仿真，仿真出的图形与理论分析基本一致。 第五章微机同步电动机的保护原理 5 1 电动机的故障类型及其保护的特点 电动机的主要故障是定子绕组的相间短路，其次是单相接地故障，相绕组 的匝间短路、断相运行、堵转和转子鼠笼条开焊等。 定予绕组的相问短路是电动机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损 坏并使供电网络的电压显著降低，破坏其它用电设备的正常工作。 单相接地故障对电动机的危害程度，取决于供电网络中性点的接地方式。对 于小电流接地系统中的高压电动机，当接地电容电流大于5 一i o a 时，若发生接 地故障就会烧坏线圈和铁芯。因此，也应装设接地保护，并动作于跳闸。 一相绕组匝问短路、断相运行等，均会破坏电动机的对称运行，并产生负序 电流。最严重的情况是：电动机的一相绕组全部短接，此时，非故障相的两个绕 组将承受线电压，使电动机遭到损坏。因此，应寻求简单而又完善的方法来解决 匝间短路问题。 电动机的不正常工作状态主要是过负荷运行。长时间过负荷会使电动机温升 超过允许值，加速线圈绝缘老化，甚至将电动机烧坏。但其低倍过载，又允许一 定时限，这是因为一般电动机都有一定的过载能力，通过的过载电流越小，允许 运行的时间越长。电动机过载电流与允许工作时间的关系是一条反时限特性曲 线。所以电动机的过负荷保护特性一定是良好的反时限特性，其反时限特性曲线 应能与电动机允许的过载时间特性相匹配，充分发挥电动机的潜力。 同步电动机除了上述的几种保护外，还应装设失步保护。因为同步电动机在 正常运行中不可避免的会受到各种各样的扰动，如：电源短时中断或电压严重降 低，负荷大幅度波动及外部短路等，当这些扰动的幅度或量大到一定程度，超出 同步电动机的稳定极限时，就会引起同步机发生失步，使得定子的旋转磁场与转 子之间不再同步，定子绕组会有较大的振荡电流，引起电动机过热，威胁安全运 行。 5 2 电动机保护的现状 5 2 1 以热继电器为主的组合保护方式 中小型电动机保护采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合。 采用熔断器及热继电器的电动机保护是较为经济，简单的一种方式。但当电 动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器( 或保险丝) 一相熔断时，就会使 电动机缺相运行而使事故进步扩大，造成电动机烧毁。热继电器在保护电动机 过载方面具有结构简单、安装方便等优点，但它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积，而 使绕组绝缘老化造成电机损坏。 5 2 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，另有相当数量的电动机采用一次过电流保 护。根据电动机的起动特性，为了使保护在电机起动时可靠不动作，这些保护的 定值都要躲过电动机的启动电流来整定，这样定值要比本身额定电流大许多倍， 这对电动机匝问故障、相间故障、堵转、转子笼断条等故障均不能可靠动作，而 只能保护电源电缆和定子入口的- - b 部分，这就加重了电动机的损坏程度，有不 少电动机在故障切除后，烧毁的部分已无法修复。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。 s 2 3 温度保护 决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。因此，任何规定的允许过负荷持续 时间，都应以绝缘发热为依据。而热保护( 热继电器) ，电流保护( 电磁型、电 子式) 的本质，都是按照电动机定予电流的大小规定允许过负荷时间的长短。然 而，往往有这样的情况，即电流尽管没有超过额定值，而电动机的温度却达到了 危险的数值，需要把电机从电网断开。由此看来，直接反映电机温度的保护具有 一定的优越性。 温度保护是利用安装在电动机内部的温度传感器来实现的。当电机达到一 定温度时，继电器动作断开电动机的供电电路。此类保护的关键是在制造电动机 时，将传感器直接放在电动机绕组里，但究竟将埋于电机的哪一部位才能最全面 有效地监测电动机绕组的温升，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 到该温度的变化，从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，由于传感器埋在电动机绕组里，对传感器的维护检修就极为 不便，必须拆除电机本体才能对传感器进行检修。因此，温度保护的使用有相当 大有局限性。 5 2 4 电子式保护 随着现代电子工业的发展，一批新型的电子模拟式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： 一是检测电流值反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障：二是通过检测电 动机电压或电流是否缺相来反映断相故障。以过流为目标的保护器从原理上分析 有以下问题： ( a ) 不对称故障及不平衡运行状态与对称故障或过载引起电动机损坏的原 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、转子振动等一系列问题。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的监测和保护。 ( b ) 电动机内部绕组故障，如匝间短路、单相( 两相) 接地等，这类故障 一般是由于环境较差，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，等到故障大到出现足够大的过 流信号