（电力系统及其自动化专业论文）微机式异步电动机综合保护装置的研制.pdf

奎堕查堂堡主堡奎 a b s t r a c t t h ist h e s i si sc o n c e n t r a t e do nr do f t h ea s y n c h r o n o u sm o t o rr e l a yb a s e do nt h e3 2 一b i t m i c r o p r o c e s s o r f i r s t l y ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mo ft h er e l a yisi n t r o d u c e di nd e t a i l t h i sr e l a y i sb u i i to n3 2 一b i t m i c r o p r o c e s s o r ， s oi th a sp o w e r f u l c o m p u t a t i o n 1 0 9 i c a l p r o c e s s i o na n d c o m m u n i c a t i o na b i l i t y ，t o g e t h e rw i t hh i g hp r e c i s i o na dc o n v e r s i o n ，l a r g ec a p a c i t yr a m ，l a r g e c a p a c i t yf l a s hm e m o r y ，e t c i ti sa ni n t e g r a t e dm o t o rr e l a yc o m b i n e dw i t hd a t u mc o l l e c t i o n ， p r o t e c t i o n l o g i cp r o c e s s ，f a u l t w a v e f o r mr e c o r d i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，r e m o t em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l ，t h en u c l e u s ，w h i c hi sak i n do fe m b e d d e dr e a l t i m em u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e m ，a n d t h ee t h e r n e tt e c h n i q u ei sa p p l l e d t h es o f t w a r ei sc o m p o s e di nm o d u l ea n do p e n e d b l o c k ，s oi t h a sw i l d l yc o m p a t i b i l i t ya n dc a nb et r a n s p l a n t e de a s i l y s e c o n d l y ，af u l l yp r o t e c t i o ns c h e m eo fm o t o ra i m e da tv a r i o u sf a u l ti sb r o u g h tu pb yt h e r e f e r e n c eo fe x p e r i e n c eo f t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e l a y s a n dt h em a i np r o t e c t i o ne l e m e n t s s u c ha sm o t o rs t a r t u p ，t h e r m a le l e m e n t ，n e g a t i v es e q u e n c ee l e m e n te t c a r ed i s c u s s e d b a s e do n f a u l tc o m p o n e n tt h e o r y ，t h i st h e s i sp r o v i d e san e wm e t h o d ，w h i c hc o n s i d e r st h en e g a t i v es e q u e n c e d i r e c t i o ni nt h en e g a t i v es e q u e n c ee l e m e n t t h i r d l y ，s o m ed i g i t a la l g o r i t h ma r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，c o m b i n a t i o nw i t ht h ei m p r o v e d d i f f e r e n t i a ls e m i p e r i o d i cf o u r i e ra l g o r i t h ma n dt h e f u l l p e r i o d i c f o u r i e ra l g o r i t h mi s s e l e c t a b l e t h em e t h o du s i n gp i e c e - w i s et a y l o re x p a n s i o nc u r v e f i t t i n gt e c h n i q u ef o ri n v e r s e t i m e c u r r e n tr e l a yi sa l s od is c u s s e d ，a n dt h er e l e v a n te r r o ra n a l y s i si sg i v e n f i n a l l y ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d c o n t e n t sa n dd a t ao ft h ee x p e r i m e n t a t i o na r e c o n c l u d e da n ds u m m a r i z e d ， f u r t h e rm e r e ，t h ea u t h o ra n dp e r s o n n e lo ft h eg r o u ph a v ed e v e l o p e do t h e rs i m i l a rr e l a y su s i n g t h ep l a t f o r ma b o v e ，f o re x a m p l es y n c h r o n i z e de l e c t r i cm o t o rr e l a y ，f e e d1 i n er e l a y ，t r a n s f o r m e r r e l a y ，s m a l lg e n e r a t o rr e l a y ，e t c i t isv e r i f i e dt h a t t h i sp l a t f o r mc a nb eu s e dw i l d l y k e yw o r d s ：t h em o t o rr e l a yb a s e do nm i c r o p r o c e s s o r ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，m u l t i t a s k i n v e r s et i m e c u r r e n tr e l a y ，n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n td i r e c t i o ne l e m e n t 学位论文独创性声明 本人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取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 签名： e t 期：之! ! ：! ，哆 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：主埠导师签名：卑 e t 期：御叩i i 。f 罕 玺主一 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电动机保护发展状况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机技术的应用已深入到各个领域，止如计算机的出现给其他学科 带来的巨人冲击一样。计算机在电力系统继电保护中的麻用，从某种意义上带来了继电保护领域的一场 革新。微机保护就是计算机技术在电力系统中应用的一个重大体现。电力系统继电保护是电网安全稳定 控制的一个重要领域，在这个领域中，就继电保护装置的发展而言，历史上经历了电磁型晶体管型 集成电路型微处理器型四个主耍阶段。 五十年代初我国引进苏联技术开发的金属片机械式电动机热过载保护器。该保护在保护电动机过载 方面具有反时限性能和结构简单的特点。但存在功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅，堵转、长 期过载、频繁启动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致， 失去了保护作用。且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度 的影响等造成保护器性能指标落后的缺陷。 国产j w l 、删2 型温度继电器是采坩双金属片制成的盘式或其他形式的继电器，具有结构简单、动 作可靠，保护范围j “泛等优点，但动作缓慢，返回时间长，只在中小容量的电动机上用作过负荷保护， 功率稍大一些的三角形接线的电动机则不宜使用。 南京电力自动化设备厂也曾在八十年代借鉴国外的经验研制了综台式m p r - 1 型电动机保护”1 ，该保 护用较简单的正、负、零序反时限或定时限来实现短路、不平衡和接地保护。但该保护元件为集成电路 保护，完全由硬件电路实现，对保护整定不灵活：如电流速断保护的整定值在电动机启动完毕后自动下 降一、h 对不同类型的电动机灵敏度可能不能满足要求。另外没有考虑电动机运行时可能存在过电压或 低电压”。，单纯的过流保护也不能满足要求，尤其对钢铁、右化等企业厂用电动机。 电子式电动机保护已由晶体管发展到集成电路，至今已发展到微处理器型数字式保护，微机型保护 具有市能好、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。 我国在微机保护方面的研究和应用也己走过二十多年风风雨雨，高等院校在微机保护方面的研究起 着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、天津大学和南京电力自动化研究院都相继研 制了不同原理、不同形式的微机保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也 取得了很多理论成果。微机型电动机保护近十多年米则经历了微处理器从8 位( 8 0 3 1 为代表) 、1 5 侥 ( 8 0 c 1 9 6 为代表) 的发展过程。可以说从2 0 世纪9 0 年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的 时代。 微机型电动机保护装置一般集保护、遥测、遥控、通讯于一体，对电动机的各种故障实现保护， 还具有电流电压显示、时间控制、软件自诊断、来电自恢复、自启动、故障记忆、远传报警、故障记录 等智能功能，配置r s 4 8 5 通讯接口，或配置局域c a n 网、l o n 网等实现计算机联网。同一个系统可同时 监控上百台电动机工作。 目前国内同类电动机产品，如南瑞继保的r c s 一9 6 4 2 ”。、南京电力自动化设备总厂的w p x 一3 5 3 0 、阿 城继电器厂w d i t 一8 0 等，采用了1 6 位单片机，通讯接口为r s 4 8 5 或c a n 网方式，该类产品一般不具备分 散式的故障录波功能。在网络通讯方面，由丁- 通讯速率低及接点数量的限制( 一般不大于2 5 6 ) ，使得 一些大型电厂中使用数百台同类分散式设备时，在基于问答式( p o l lj n g ) 通讯方式的网络构架上可能 会山现通讯负载过重的现象，如遥控操作相应速度慢、超时现象严重等：止因为此在许多电厂的设计中， 第1 章绪论 遥测、遥控操作仍然采用硬接线，以保证d e s 的正常顺控。 国外同行一些公司正将先进的软硬件技术应用于继电保护中。例如：h b b 公司推出了基于大环境、 工业化的通用软、硬件平台“金字塔”( p y r a m i d ) 系列保护、控制单元，并取得了非常的成功，它采 用d s p 数字信号处理器承担保护及控制单元的信息及信号处理，而由p l c 模块来实施逻辑输出。同时向 用户相对开放保护控制逻辑，由i p c 模块承担人机接口、网络通信等功能，井采用相对弱化面板功能而 强化p c 工具软件、培训辅助软件的方式提高装置的可维护性。阿尔斯通公司的p 4 0 0 ，西门子的7 s j 6 2 ” 电动机保护等也都使用了基于人机接口的图形模块保护模式。目前，这种模块化和开放性平台式开发方 式已成为继电保护及自动装置开发研制的一个发展方向。 1 2 电动机保护在国民经济中的重要意义 电动机是数量最多的一种电气设备，它f j 可靠、安全运行，对生产和供电线路影响很大。电动机保 护装置是发电、供电、用电系统的重要器件，是跨行业、最大面广、社能效果显著的节能机电产品。儿 乎渗透到所有用电领域，是工业、农业和国防以及人民生活止常生产和安全工作的重要保证，在国民经 济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。电动机保护不仅能保证上农业正常生产，提高生产效 率和经济效盏，而且在节能事业中也有着重要意义。据“全国电动机保护与节能技术推j “应用”会议统 计，可靠的保护每年可减少约2 0 万台( 次) 以上的电动机烧毁，减少经济损失数亿元。 随着国民经济的快速增长，电力需求持续上升。全季会的用电量2 0 。2 年增长1 1 6 ，而2 ( 1 0 3 年 达到1 5 左右，大大超过g d p 的增k 幅度。不仅今年电力需求增长速度是近年来最高的，而且也是全 局性的，全国土要电网增幅均超过1 0 ，至2 0 0 5 年都将是用电持续增长阶段，“电荒”的现象将持续 一段时期。目前，我国两网改造已全面实施，新建电站也正大批开工，为电动机保护测控装置的推广应 用创造了良好的外部环境。 1 3 本电动机保护装置的特点 本文讨论的电动机保护采用高性能的3 2 位微处理器为核心的强大硬件平台，并辅以大容量的数据 存储器及程序存储器，使其具有极强的数据处理和存储能力，为实现电动机的保护及控制功能提供了充 足的资源和可靠的硬件基础。电动机保护在硬件上具备了以下特点： 1 ) 采崩高速高性能嵌入式3 2 位微处理器、配置以各l m 字节r a m 及数据存储器，具备强人的数据 处理能力，以实现保护动作时录波数据，便于事后故障分析。 2 ) 高精度保护用h d 模拟采集系统及独立的专用测量表计系统，可满足运行监视和远程自动抄表 的要求。 3 ) 完善的软、硬件自检功能和免调节电路设计，安装调试简单方便。 4 ) 配置强大的通讯功能，提供基于高速烈以太网的通信接口，为片j 户提供可靠完善的组网方案， 最大限度地减少现场硬接线。 5 ) 友好的人机接口，提供汉化大液晶面板及丰富的指示灯信号，减轻运行维护负担。 6 ) 密闭背插式机箱设计，高标准电磁兼容性能，满足装置下放安装的苛刻要求。 电动机保护硬件上的大资源，大配置的设计基础使得嵌入式多任务操作系统的应用成为可能，电动 机保护在软件上具备了以f 特点： 1 ) 真正的模块化软件设计 本电动机继电保护产品软件设计实现了真止的模块化设计。保护软件的设计是按照软件t 程思想来 2 东南大学硕士学位论文 设计的- 经过了可行性研究，需求分析。再进行总体规划，模块化设计与划分。最后是软件编制。由项 目组成员协同作战，严格按模块划分接口而完成的一套真i e b 9 软件系统。每一个设计好的模块化的保护 功能元件都可适用于不同类型的保护和硬件平台，形成了真正的保护元件库。保护功能元件库的形成具 有深远的意义，因为使用经过大量实验、测试和现场实践检验过的保护元件，无疑将提高保护的开发质 量平保护运行可靠性。另一方面将大大减轻保护开发强度，实现真正意义上的资源共享。 2 ) 良好的通用化软件设计 过去的微机保护，多是采用汇编语言编程。利用汇编语言编程的一个问题，就是这些程序在不同类 型的计算机之间是不可传递的。当重新采用不同的计算机模式( 更换新的单片机芯片) 时，就需要重复 开发软件。使用高级c 语言设计的保护元件，可以实现真正意义上的通用化设计，经过不同的编译系统 适， f j 丁：不同的硬什平台，实现真正意义上的保护软件的可移植性和可继承性。这具有着重大的意义，它 可以人大减少保护的开发成本，提高开发质量和保护可靠性。但这只是通用化软件设计的一个方面，另 一方面通用化软件设计是指使用商业化、工业化的软件产品，例如实肘多任务操作系统、以太网技术等。 使用这样的通用软件可以大大缩短研发周期，使研发人员可以从繁重的c p u 系统管理和复杂的通信技术 中解脱出来，将工作重点转入保护及应用功能的开发和研制中来。 3 ) 真正开放性的软件设计 一般认为保护软件由两部分组成：实现保护算法的保护元件和实现保护控制的保护逻辑。一般情况 下保护原理是变化较少的，因而保护元什基本上是完全相同的，而且保护元件是有限的；保护逻辑则因 现场情况的不同而千变万化。如果用传统的保护编制方式，就需要有专职的保护软件工程师，对保护逻 辑软件不断修改、维护、测试以适应不同用户的需求。采用了可视图形化保护的原理”，实现真正保 护逻辑控制功能的开放。通过在图形化保护软件平台上绘制保护逻辑图，并将其下传到保护装置中来实 现保护逻辑现场可编程的功能。这样保护逻辑控制软件就不再需要开发人员修改保护软件，而是只需要 调试人员、工程人员或现场保护工程师在可视图形化保护平台上修改逻辑图就可以完成相应的保护逻辑 控制功能。通过可视图形化保护软件平台可以对用户开放逻辑控制功能，以适应不同的需求，这也是当 前国际国内低压等级微机型继电保护产品的一大特点及发展趋势。 1 4 本论文的主要内容 罔绕3 2 位单片机系统的开发、嵌入式实时操作系统的应用、电动机综台保护功能原理、微机型电 动机保护算法等方面的技术，本论文的主要t 作是： 1 ) 以3 2 位单片机( m c 6 8 3 3 2 ) 为核心构筑电动机保护的硬件平台。按强弱电分离原j f ! | j ，提高装置 整体抗干扰能力，对保护装置的整体结构、模块组成及功能分工等作山相应的分析：并侧重对c p u 主板 模件的主要子系统作详细的讨论。 2 ) 应用n u c l e u s 嵌入式实时多任务操作系统构建完整的软件平台。了解n u c l e u s 多任务操作系统 的主要特点，明确多任务的调度机制、多任务的运行切换机理，实现实时抢占式多任务、嵌入式以太网 技术在电动机保护装置中的应用。 3 ) 研究电动机综合保护的配置及主要保护原理，尤其对过热保护及负序过流保护原理作详细的讨 论，并解决区外相间故障负序电流保护误动问题。 4 ) ，讨论微机型电动机保护的计算方法。对微机保护基本算法进行分析比较，为兼顾微机型电动机 保护的动作速度和测量精度，选择、使用合适的计算方法。对电动机反时限继电器建立起通用数学模型， 采用基于分段泰勒展开法来拟合反时限特征曲线的算法，对该算法产生的误差作出详细的分析，在保证 计算精度和速度的原则下作出必要的仿真。 第l 章绪论 5 ) 对基于故障分量的方向负序电流保护进行动模仿真试验。并对该试验结果进行归纳、分析。最 后分别依照相关电力行业相关标准，对电动机保护功能的特性参数试验、型式试验( 高低温、湿热、绝 缘等) 、抗干扰性能的电磁兼容试验作相应测试，井作出测试结论。 4 东南大学硕士学位论文 第二章电动机保护装置的硬、软件平台 2 1 硬件平台 2 1 1 装置整体硬件结构 电动机保护装置采用铝台金外壳的机箱，高为标准4 u ( 7 英寸) 结构，宽1 9 2 英寸。m l d i 模块安 装在装置前面板内，其他插件由背面插拔，装置整体嵌入式水平安装，采用后接线方式。 图2 - 1 为装置实物图。保护装置可以组屏安装，也可直接安装于开关柜。 图2 一l 装置实物图 牲面板、背插式、全封闭机箱，母板模件走线时仅包含弱电回路，使强弱电彻底分离，提高了装置 的抗干扰能力，辅以软件上的抗干扰措施，装置的整体抗干扰能力达到甚至高于国家最高级标准。 图2 2 为装露背面布置图，该图指示了标准配置下的插什位置及排列顺序。 图2 - 2 装置背面布置图 5 第2 章电动机保护装置的硬、软件平台 电动机保护装置由交流模块、c o w 通讯模块、c p u 主机模块、l o g i c 逻辑模块、t r i p 跳闸模块、p o w e r 电源模块、w m l 人机接口模块以及用于以上各模块间相互联系的母板模块组成。硬件结构模件关系如图 2 - 3 所示： p c 机2 4 v 开入 r s 4 8 5 i o b a s e - ti o b a s e - f 。 寸争 田f 口门1 l no o lo o l 墓i i 1迫i儿| |卜 - q 、 y l2l 1 卜、 母板模块n 介 ” 电源模块跳闸模块 逻辑模块 - 变 厂忑：玎一 路 a d 授 开 口卜+ 模 关 件 c 一 图2 4a d 采样系统原理图 图2 4 中的前置低通滤波采用经典的无源二阶r c 低通滤波电路，这样结构简单、可靠性高，能耐 受较大的过载和浪涌冲击。 对丁保护多通道的采样方式本次设计采用分组采样法“，即将所有模拟量输入通道分成若干组，同 组内的各通道同时采样，卜一组通道在等待一时延后再开始采样。这样同一组内的通道采样是同步的， 不同组间的采样具有一定的延时，f 面具体分析组间延时产生的相移误差。 5 0 h z 的模拟量一周波2 0 m s 转变角度为3 6 0 0 ，a d 每组四通道固有转换时间( c o n v e r t i o nt i m e ) 约 为96 峪，另加上等待运放稳定建立时间( s e t t i n gt i m e ) 约为6 7 p s ，组间等待延时合计不超过( 9 6 + 7 ) 烬，则组间延时角度为 a 0 ：等：坐! ! ：! ：堑：0 2 9 8 8 。 l q d ( 3 1 ) ( 式3 一l 中f 为电流采样值：t 指当前采样点；n 是一周前采样点数，这里= 2 0 ：i 。d 是电流启 动门槛。) 认为电流发生了突变。如果电动机在此前处于停运状态，则可以认为此时发生电动机启动：否则可能是 电动机外部发生短路故障或电动机所带的负荷发生了变化。当检溅到电动机启动，启动记数器开始记数， 达到启动时间后，置电动机正常运行。具体流程如图3 - 2 所示。 奎堕盔堂堡主堂垡望壅 图3 2 突变量检测启动流程图 另一方面，对于某些特殊的电动机启动过程中电流突变量比较小，可能达不到启动门槛，此时可以 通过对静态电流幅值大小的检测，来判断电动机当前的运行状态。启动过程中静态电流幅值特性如示意 图3 - 3 所示。 2 l 第3 章 电动机综合保护的功能配置及原理 ( a ) 7 j 7 弋 l e 一 一产一一一一一3 r 一一 一一 e 一一l 一一一一一二二、， o i e f 0 卜t s t 。一l 图3 - 3 电动机启动电流特性 图3 - 3 中正。为整定的电动机允许启动时间，i 。为电动机额定电流。 ( s ) 具体静态幅值检测启动软件流程如图3 4 所示。 以上两种方法都可以检测电动机的运行状态。突变量检测启动是在i m s 中断一次的a o 采样中断中 进行判断的，具有较高的定时精度，但是这种方法当启动电流fj 槛取得不当时，对于某些特殊的电动机 启动过程中电流变化量比较小，可能无法可靠的检测。稳态量检测启动对于任何电动机都可以可靠地检 测，它是在故障处理g z i s r 中( 运行一个轮回约需5 8 m s ) 进行判断的，其延时精度比突变量检测 启动要蒡些，但对于保护动作延时仍具有可比性，使用时相当可靠，不会带来任何问题。软件中将上述 两者结合起来以突变量启动为主“，以稳态茸检测启动为辅，使得启动检测在时间和幅值两个方 面都可以满足精度要求。 准确地对电动机状态进行判断，有利丁电动机保护性能的提高，除了以上提到的优点外，还可以对 电动机频繁启动进行保护。 电动机额定电流，。一般可以从铭牌参数直接获得或算出，启动时间t 。电动机制造商一般不予提 供，往往需要继电保护人员在现场测试。考虑到使用钳表及秒表测试电动机启动时间t 。不很方便，在 静态幅值检测启动状态程序中，软件将最近的一次启动时间在面板上显示出来。不仅如此，为便于现场 运行人员监视及继电保护人员测试分析，每次电动机启动在其t 。期间内还点亮面板专用的启动状态 信号灯，并且将每次启动时的电流电压波形进行录波记录保存。 堡堕查堂堡主堂垡量茎 图3 - 4 静态幅值检测启动流程图 3 3 自适应速断过流保护 传统的电动机速断电流保护为了躲开人的启动电流，整定值往往较大，在运彳亍时灵敏度不太理想。 本保护则采用整定值白适应改换的方法：在规定的启动时间t 。内取高整定值( l 堙 ) ，以躲开大的启 动电流；启动j 亓取低整定值( ，k 。) ，此时只需考虑躲开电动机出口处相间故障电流。并且这两个定值 可以分别整定而不必使速断保护的整定值在电动机启动完毕厅固定的下降一半，这样可以适应各种电 动机不同的启动电流，使得保护有较高的灵敏度。 速断值整定如下： 2 3 第3 章电动机综合保护的功能配置及原理 ih i 。f kk l 砸 式( 3 2 ) 中： i q d 一一电动机启动电流： k 一一可靠系数。取1 2 1 6 。 ，：益 。” k h 式( 3 3 ) 中： e 一一最小运行方式下电动机出口两相短路电流 k h 一一灵敏系数，不小于2 。 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 电动机启动时电流的变化如图3 - 3 所示。速断电流高定值，蟾 可以取略大于启动电流的最大值， 此时主要考虑电动机启动时的冲击电流，不同的电动机类型和容量取值不同。为了避开启动开始瞬间的 暂态峰值电流，保护在电动机起动时，速断保护经一设定的固定短小延时t ( 约为6 0 m s ) 后再出口动作。 图3 - 5 为速断保护动作示意图。 乜d _ 叫 图3 - 5 速断保护动作示意图 为了给电动机提供堵转保护，设置了一段定时限过流保护，动作时间按最大允许堵转时间整定，过 流整定值取略大于启动结束止常运行( 启动后经过启动时间i 。即认为是正常运行) 电流的最大值， 即电动机正常运行时的最大的负荷电流，随电动机的实际运行工况而变化。过流保护在电动机启动时自 动退出，启动结束后自动投入。 3 4 反映热平衡关系的过热保护 电动机的过载与输电线或其他设备不同，电动机过载将导致电动机过热，但低倍过载，又允许运行 一定的时限。由于电动机的过热特性节现的是反时限特性，因此为了更好的保护电动机，应配置与其过 热特性相匹配的过热保护，以充分发挥电动机的潜力。 过热保护为电动机各种过负荷引起的过热提供保护，也作为电动机短路、起动时间过长、堵转等的 后备保护，过热保护应综合考虑电动机正序、负序电流所产生的热效应。 但是幅值相同的定子正序电流，和定子负序电流，2 在电动机内产生的热量并不相同，对这个问题 z 4 壅堕盔堂堡主兰垡塑塞 一 先作分析。 1 - 电动机过热保护的等效电流 三相定子绕组，l 和，2 产生的气隙旋转磁场，对定子绕组而言为正、n n 步n n ，设定绕组正序 电阻为r i ，定子绕组负序电阻为只2 ，且有盖t = r 2 ，则在i , t u l 2 共同作用f ，定子铜损为 扯= 3 ( i ；+ e ) r 。( 3 - 4 ) 但是二相定子，。和，2 产生的正、反旋转磁场，相对正常运转的转子( 假定滑差s “0 ) ，前者差不 多相对静止，对应的转子绕组电阻近似为直流电阻r j ( 已折合到定子方的转子绕组对正序旋转磁场的 电阻) ，后者近似为二倍同步转速，对应的转子绕组电阻为交流电阻r ；( 已折合到定子方的转子绕组 对负序旋转磁场的电阻) 。对于鼠笼式电动机，有 r 2 r i = i 2 5 6 = k * ( 3 5 ) 因此在，。和，2 共同作用下，转子铜损为( 不计励磁支路) 蛾= 3 ( i ；r ：+ ，；尺：) r = 3 ( 1 ；+ 足。，；皿。( 3 - 6 ) 以电动机a 相断线为例，在忽略励磁电流的条件下，定子电流将与转子电流( 已折合到定子方) 相 等，止序电流和负序电流也相等，即 ，1 2 ，l = 1 2 = 1 2 式中，。、i ：一一定子正序、负序电流： ，、，：一一已折合到定子方的转子正序、负序电流； a 相断线健全相( b 和c ) 电流，。、，c 和定子负序电流，2 各为 铲忙石而叫肝丽2 1 2 = ，b 4 3 式中：m 。一一电动机最大转矩倍数： m 一一负荷率，满负荷时m = 1 0 ，过负荷时m 1 0 。 设m 。= 2 0 ，m = 1 ，按式( 3 8 ) 有 ，口= ，c = 2 3 7( 以电动机定子额定电流，。为基值) 2 5 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) 第3 章 电动机综合保护的功能配置及原理 ，2 = i = 1 3 7( 以，。为基值) ，2 = f 1 = 1 3 7 ( 以t 为基值) 并设k = 6 ，则由式( 3 4 ) 和式( 3 6 ) 得 蝇峨。= s ( 1 ；+ ，；) r 。碱置= z ( 丢 2 c s 砌， a p r z u 。r 。= s ( t 似z 净。棚【= ( 1 蚂) ( a 2 ( 3 - 式中只。一一额定工况下电动机定子铜耗； 氏一一额定t 况r 电动机转子铜耗。 以上述，l = 1 2 = ，：= i 2 = 1 3 7，k 。= 6 代入上两式得 吡只。= 2 ( 1 3 7 ) 2 = 3 7 5 b 叱。= ( 1 + 6 ) ( 1 3 7 ) 2 = 9 5 9 至此可知，由a 相断线引起得转子铜耗a p , 。额定转子铜耗岷。增加到近l o 倍，而定子铜耗仅增 至3 7 5 倍。只, , - i na p r 都，：2 与成正比，特别是转子的铜损显著增大，计入负序电流的热效应，电 动机在不平衡运行时的损耗大大增加。这是制定电动机过热保护方案时必须考虑的一个重要- i x l 素。 对于铁耗、风摩损耗、杂散损耗等其他损耗r 因它们比较小，而且与，、，2 关系不大，不作分析。 为了简单方便的反映，和2 的不同的发热效应，应用等效电流，。来模拟电动机的发热效麻，即： ，。：扛丁面i ( 3 - 1 2 ) 式中：，。一一等效电流； ，一一正序电流： ，2 一一负序电流： k - - i 正序电流发热系数，电动机起动过程中取0 5 ，电动机起动结束后取1 o ： k 2 一一负序电流发热系数，可在 3 ，l o 中选择，一般取6 。 由于负序屯流在转子中感应涡流，引起电动机c c i ：热，为了保护转子不受不平衡电流损害，过热保护 东南大学硕士学位论文 在发热效应的等效电流方程式中加大了负序电流系数( k ) 。 不同的电动机，其k 。= r ；r ( 转子绕组负序电阻与正序电阻之比) 值不同，k rx n k 2 就相 应选大些。对于各种型号的电动机和各种不对称工况，要正确地选择k ，值殊非易事，一般就大致选 定为6 。 2 过热保护特性曲线 根据电动机的发热模型，电动机的动作时间f 和等效运行电流之间的特性曲线可由r 列公式给 出： t = f 1 n( 3 1 3 ) 式中：1 p 一一过负荷前的负载电流，若过负荷前处于冷态，n i p 2 0 。过负荷启动后，i e 采用启 动前的电流； l 一一起动电流，即保护不动作所要求的规定的电流极限值； r 一一时间常数，反映电动机的过负荷能力。 有些厂家“”使用以下特性曲线公式： 扛砑扫 门1 4 启动前电动机处丁停运状态，电动机无发热，处丁冷态；启动时有较大的启动电流，电动机处于升 温过程：启动结束后，电动机正常运行，其发热与散热处于动态平衡，温度是一个较稳定的值，但是电 动机在不同的f 作电流，其温升确有所不同。 看看下面一个简单算例。式( 3 1 3 ) 中，整定t = i 0 0 ，取故障电流9 a ，启动电流l = 6 a ，启动前 电流，p 2 l 5 aa 设定，。2 5 a 、k l2 1 ，0 、k 22 6 0 ，e l n n n ，p 时的动作时间a 由式( 3 1 3 ) 计算其 理论数据见表3 1 。 表3 - i 不同负载电流情况下的过热保护动作时间 l 启动前电流，p ( a ) l2345 l 动作时间理论值( s ) 8 3 1 37 8 1 76 9 3 l5 5 4 33 41 7 由表3 1 可见基于式( 3 1 3 ) 的计算，考虑了启动前不同的负载电流，过热保护跳闸出口时间差 异很大。比较式( 3 1 3 ) 、式( 3 1 4 ) 两种模型，从物理概念上看，前者考虑了过负荷前的负载电流，。， 即充分考虑了电动机定子的热平，衡过程及其过负荷前的发热状态；而后者没有考虑过负荷前的负载电流 i 。最新电力行业标准微机型电动机保护装置通用技术条件( d l t7 4 4 2 0 0 1 ) 推荐的过热保护模 型亦为式( 3 1 3 ) 。 z 7 第3 章电动机综合保护的功能配置及原理 过热保护特性示意图如图3 - 6 。 詈j 哥廿一 图3 - 6 过热保护特性示意图 根据电动机可连续起动两次的原则，每次起动其热积累不应大于5 0 跳闸值，所以当热积累值达到 5 0 以上时，装置合闸闭锁接点动作，禁e 合闸操作。过热保护跳闸后，装露的热记忆功能起动，合闸 闭锁输出接点一直保持，直到热积累值下降( 散热) 到5 0 以下，过热合闸闭锁接点才返同，这时电 动机可以重新起动。紧急情况，要求立即起动时，可对装置进行热复归操作“。 过热起动电流，。可按额定电流。的1 0 5 1 1 5 倍整定。 发热时间常数r 应由电动机制造厂家提供，如果电动机制造厂家没有提供，可按下述方法之一进行 估算： 1 ) 如果厂家提供电动机的热限曲线或一组过负荷能力的数据，则按下式计算f ： 弘焉t 。1 5 求出一组, - 后取较小的值。 2 ) 如己知堵转电流，和允许堵转时间f ，也可由式( 3 一1 5 ) 估算r 。 3 ) 也可根据温升及启动时的参数，按下式计算f ： r ：堡：兰：! 互! !( 3 _ 1 6 ) 吼 式中：p 。为电动机的额定温升，k 为起动电流倍数，o o 为电动机起动时的温升，t 。为电动机的 3 5 基于突变量方向元件的负序电流保护 电源电压不平衡将在电动机绕组中产生负序电流，该电流的值取决于电动机的负序阻抗对正序阻抗 的比值，此比值大致是止常满负荷电流对启动电流之比。例如，一台启动电流为6 倍额定电流的电动 机，电源电压有5 的负序，将引起大约3 0 的负序电流。对于严重的不平衡，诸如断线或反相，必须 提供快速保护一一单独的负序电流保护。 1 负序电流保护特性方程 负序电流保护主要针对各种非接地性不对称故障，如：电动机发生某相断相或反相时，负序分量的 大小因故障前的负荷率而不同，负荷率大于0 7 时，健全相才能引起过电流，因此常规保护不能有效保 护不对称故障。 负序电流保护的动作时间特性有两种可选择，分别为定时限和反时限。 f 面给出负序过流反时限动作方程： 东南大学硕士学位论文 表3 - 2 三种反时限特性解析式 反时限类型 一般反时限 非常反时限极端反时 0 1 41 3 58 0 l 反时限特性公式 扛獗i o扣研u ip 1 一p扣研。 其中：t 。为时间系数，范用是( o 0 5 1 ) ，p 为负序电流基准值，为故障电流，t 为跳闸时间。 扛亦 。_ 1 7 ) 其中：t 。一一时间系数，范围是( o 0 5 1 ) ； 。一一负序电流整定值，整定范围为( o 2 1 7 1 。) ，一般取1 o i ； 为了保护电动机断相堵转或反相，典型的1 0 倍，。的整定值是合适的。 2 区外不对称故障时j 下、负序电流关系 医外发生不对称故障时，保护安装处也将流过电动机提供的负序电流，有可能造成保护误动。为了 防止这种误动有必要分析故障情况下止序、负序电流的相对关系。考虑到l o k v 以下一般为中性点不接 地系统，因此本文仅分析两相短路的情况。 采用以下的电动机稳态等值同路： 互：蜀+ 尚 z ；= 等+ 弼 图3 7 异步电动机等值回路 忽略励磁支路的阻挠，确定电动机的负序阻抗。假设稳态时转差率为5 ，则转子对负序磁通的转筹 率为2 一s ，则正序阻抗z 。l 、负序阻抗z 。：分别为： z 。1 = r - + j x ( 3 一1 8 ) s 2 9 第3 章电动机综合保护的功艟配置及原理 z 。：2 击+ 豇( 3 - 1 9 ) 其中，r 为转子等效电阻，x 为定子、转子的综合等效电抗。 考虑单机无穷大系统，以单台接于1 0 k v 母线的异步电动机作为研究对象。 图3 - 8 等值模型 假设在区外k 点发生两相短路，正序、负序等效网络为： 在故障点k 有 a 正序等效网络b 负序等效网络 图3 - 9 故障等效网络 a u x l = a u k2 “= 等 ， 一【，x 2 “z 一丁 根据前面分析的电动机止、负序阻抗的关系，可以得出 l ： ，。l b 声l r l 石+ f l ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 可见，对- j - 区外两相短路，都大致有i ， k ，其中，系数k 为大y - l 的常数，数值与故障前的转 差率、电动机等效电抗有关。虽然有人提出将， 1 2 ，作为负序保护闭锁的条件”，但从动模仿真 试验( 详见第无章) 的结果来看，由于过渡电阻、电动机阻抗特性等不确定冈素的影响，1 2 1 2 ，l 作 为闭锁的条件并不一定满足，因而系数k 的选取有一定的难度。 3 基于故障分量的方向保护 利用故障分量的方向元件，其动作原理是比较保护装设处故障分量的电压和电流的相位。图3 1 0 ( a ) 给出了一个两端电源的线路，图3 1 0 ( b ) 和图3 1 0 ( c ) 分别是在正方向f 1 点和反方向f 2 点发生故障时 的故障附加状态网络图。假定电流的正方向为由母线指向被保护线路，在正方向f l 点故障时有 d = 一，。z 。 ( 3 2 2 ) 3 0 书 东南大学硕士学位论文 ( a ) ( c ) 图3 1 0 线路正、反向故障时的向革图 u 胛 o 在反方向f 2 点故障有 u 。= j 。【z + z 。) z ， ( 3 2 3 ) 按式( 3 2 2 ) 、( 3 2 3 ) 作出的向量图如图3 一i o ( d ) 、( e ) 所示。由图3 - 1 0 可见，利用故障分量的方 向元件有明确的方向性。 当带有短路故障的线路由一端( 例如m 端) 合闸时，方向元件的动作行为与电压互感器的位置有关。 为了说明这一问题，在图3 - 1 1 ( a ) 、( b ) 中分别给出了电压互感器在母线侧和线路侧的故障附加状态网 络图。由图3 一l i ( a ) 可写出 u 。= 一i g = z 。 ( 3 2 4 ) 由图3 1 1 ( b ) 可写山 u = ，d 【z + z 。肛。 ( 3 2 5 ) 其对应的向量图如图3 - 1 0 ( d ) 、( e ) 所示。由此可见，当电压互感器位于线路侧时，方向元件拒动。 第3 章电动机综合保护的功能配置及原理 上 ( b ) 图3 - 1 1 一端合闸于故障时的故障附加状态网络 由上述分析结果可看出利用故障分量的方向元件有以下特点： 1 ) 不受负荷状态的影响； 2 ) 不受故障点过渡电阻的影响； 3 ) 故障分量的电压、电流间的相角由线路背后的系统阻抗决定，方向性明确 4 ) 可消除电压死区。 以下就故障分量的原理讨论一种负序方向元件。在斟3 - 9 等效电路中，系统侧主要为发电机、变压 器、线路等元件。而发电机的负序阻抗角为9 0 度，线路的负序阻抗角大于6 0 度“，则z 。的负序阻抗 角为6 0 度9 0 度之间。而区内故障时，均有a u 。：= 一1 ，+ z 。由故障分量保护原理可知，正方向故 障时，保护所感受到的负序电流、负序电压之间的相位，仅由保护背侧( 即系统侧) 的负序阻抗决定： 考虑到负序电流超前负序电压9 0 度1 2 0 度，最大灵敏角可以取1 0 0 度，动作范围取8 0 度，由此构 成的负序正方向元件为： 2 0 。 1 “ 其动作判据为： ( 3 2 7 ) 其中，i “为差动速断保护的起动电流定值，。为差动电流。 2 比率差动