（电力系统及其自动化专业论文）空压机保护与智能诊断系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h eu n d e r - m i n e1 0 w v o l t a g ep o w e rg r i di n o u rc o u n t r ya n dt h es t a t u sq u oo ft h ea i rc o m p r e s s o ru s e di nm i n e ，t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e sa 1 1k i n d so ff a u l t sw h i c hm a yo c c u rd u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ea i r c o m p r e s s o ri nt h ep o w e rg r i d ，f o re x a m p l e ，e l e c t r i c i t yl e a k a g e ，p h a s eb r e a k u n b a l a n c e ， o v e r l o a d ， o v e r v o l t a g e u n d e r v o l t a g e ， s h o r t c i r c u i ta n d n o n e l e c t r i c i t y f a u l t s c o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o np r i n c i p l ea n da r i t h m e t i ca r ep u tf o r w a r da i m i n ga tt h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i c s r e l e v a n tr e s e a r c ha b o u tt h ea i rc o m p r e s s o rp r o t e c t i o na n dt h e i n t e l l i g e n td i a g n o s i ss y s t e mi sd o n e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e e m t d ci su s e dt oc a r r yo u ts i m u l a t i o no nt h ec o u n t e r - e m fp h e n o m e n o nw h e nt h e p o w e rs u p p l yo ft h em o t o ri ss u d d e n l yc u to f f a n di t si n f l u e n c et ot h ee a r t hl e a k a g e l o c k o u tp r o t e c t i o no ft h es y s t e mi sa n a l v z e da n ds t u d i e d t h r o u 吐e m t d c s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o no nt h en o r m a lf a u l t si n c l u d i n ge l e c t r i c a l ( p h a s eb r e a k ) a n d m e c h a n i c a l ( r o t o rl o c k ) f a u l t s r e s u l t si nc o m p l i a n c ew i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u ea r e a c h i e v e d 。h e n c eas i m u l a t i o np l a t f o i t ni sp r o v i d e df o rt h em o t o rf a u l t h a n d l i n g r e s e a r c h l a s t l y , ab r i e fd i s c u s s i o ni s c a r r i e do u ta b o u tt h el a t e rw o r kd i r e c t i o n i n t e l l i g e n td i a g n o s i st e c h n o l o g ys u c ha sm u l t i - a g e n ts y s t e ma n ds e l f - a d a p t i v ef u z z y c o n t r o lw h i c ha r eu s e di nt h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e r nm a k e se v e r ya g e n tf l e x i b l e q u i c kt om a k ed e c i s i o n sa n dc o r r e c tt oj u d g e a g e n t sa r ea p p l i e da c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n s w h i c hm a k e st h es y s t e mo p e r a t i n gi nap a r a l l e lm o d ea n dt h ed e c i s i o n s p e e di se n h a n c e d t h ei n t e l l i g e n t i z a t i o no ft h ea l t e r n a t i n gb e t w e e nt h es t a t u s j u d g m e n ta n dt h ea g e n t sf u r t h e ri m p r o v e st h ea d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e m d s p i c 3 0 f s e r i e sm i c r op r o c e s s o rw h i c hh a sag o o dp e r f o r m a n c e p r i c er a t i oi sc h o s e n , c o m b i n e d w i t ha t m e g a l2 8 ，t ob u i l da ne f f e c t i v ea n dr e l i a b l ef i r m w a r es y s t e m t h es o f t w a r ei s b a s e do nb c o s i ir e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m m a k i n gf u l lu s eo ft h ev a r i o u s s e r v i c e sw h i c hi - t c o s - i ip r o v i d e sa n dt h r o u g hr e a s o n a b l et a s k p l a n n i n g ，ar o b u s t ， r e l i a b l ea n ds e a l a b l ep r o t e c t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e d t e s t sh a v ep r o v e nt h a tt h ev e r a c i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e m e a s u r e - c o n t r o lp r o t e c t i o ns y s t e ma r eg r e a t l ye n h a n c e d k e yw o r d s ：a i rc o m p r e s s o r , m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ，p s c a d e m t d c ，i n d u c t i o n m o t o r , i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：莶i 毒年 z 嗍年岁月j 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：套曙啤 妒g 年岁月j e l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 压缩空气是现代矿山所采用的原动力之一，用以带动凿岩机、风镐及其它 气动机械进行工作。由于像凿岩机这类气动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬 的岩石，而且气动工具结构简单、重量轻、操作方便，尤其在有瓦斯和煤尘爆 炸危险的矿井里，使用这种动力比电力安全。虽然整个气动系统的效率很低， 成本较高，但目前矿山采掘工作仍然普遍采用气动工具来凿岩和落煤。 空气压缩机是一种由电动机拖动的动力机械，将空气压缩，使其动力增加， 具有一定的能量，以便利用这种能量作为风动机械、风动工具等的动力。其工 作状态的好坏直接影响着煤矿的经济效益。经济、安全、使用方便的空气压缩 机具有广阔的市场应用前景口1 。 1 2 压缩空气设备的种类和特点 空气压缩机的种类很多口1 ，按工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩 机。容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度 增加，以提高压缩空气的压力。近年来螺杆式和滑片式压缩机的使用逐渐增多。 1 2 1 活塞式空压机 活塞式空压机工作原理是由原动机( 电动机或内燃机) 直接带动曲柄旋转， 然后通过连杆与十字头，使曲柄的旋转运动转换为活塞的直线往复运动。空气压 缩机中的进气、排气过程与液压泵的吸油、压油过程类似。 从全国矿山情况来看，进入2 0 0 0 年以来，以前一直使用的老式活塞式空压 机已经进入了老化报废和更新换代阶段，随着我国煤炭市场的好转，设备的接替 从经济方面已经具备了条件。 1 2 2 螺杆式空压机 第1 章绪论 螺杆压缩机分双螺杆与单螺杆2 种。单螺杆压缩机的发明比双螺杆压缩机 晚十几年，设计上更趋合理先进，单螺杆压缩机克服双螺杆压缩机不平衡、轴承易 损的缺点，具有寿命长、噪音低、更加节能等优点，2 0 世纪8 0 年代技术成熟后其 应用范围在日渐扩大。 1 3 螺杆式空压机的发展现状 1 3 1 螺杆式压缩机在国内的技术发展状况 螺杆式空压机是属于容积型旋转式的空压机，它具有零件少、结构紧凑、 体积小、运转平稳、寿命长、维护管理简单等优点，但转子线型复杂，加工工 艺要求较高，以前我国的技术水平达不到，故较少生产。从1 9 7 5 年开始国内先 后有几个科研单位研制蜗杆空压机，1 9 8 6 年国家科委曾将蜗杆空压机的研制工 作列为重点攻关项目。这些研制工作均因未能解决一系列的关键技术而未获成 功。 齿廓及其加工技术是空压机的核心技术。我国厂家经过深入研究，掌握了 加工单螺杆空压机啮合副的技术和制造出了精密专f - j j j n 工机床，高精度加工机 械的研制成功与包络面加工技术的解决，为我国单螺杆空压机超越世界先进水 平奠定了良好的基础。 与双螺杆空压机相比，单螺杆空压机唯独缺少能耗指标上的优势。世界各 国都在寻求降低单螺杆空压机能耗的技术，然而均未能取得成功。1 9 9 8 年单螺 杆空压机新齿廓的发现及其高精度加工技术的解决，改变了星轮是“易损件” 的历史，也改变了星轮寿命不如双螺杆转子的历史，是中国在基础理论方面的 重大成就，也是中国对世界单螺杆空压机技术的重大贡献，至今我国还保持着 新齿形加工技术上的优势。 目前，无油螺杆压缩机尚为国内空白，国内已有厂家正在积极研制，样机处 于寿命考核之中，性能表现良好，不久将有产品上市。 1 3 2 国外螺杆压缩机的技术概况 单螺杆空压机发明于1 9 6 0 年，当时星轮与螺杆间只有一条接触线( 母线) ， 2 第1 章绪论 其它部分用仿形法，以不干涉为原则加以切除。 单螺杆空压机又称蜗杆空压机，蜗杆空压机的啮合副由一个6 头螺杆和2 个 1 1 齿的星轮构成，蜗杆同时与两个星轮啮合，既使蜗杆受力平衡，又使排气量 增加一倍；空压机的体积小，9 m 3 m i n 蜗杆空压机的重量仅为活塞式的1 6 。蜗杆 受力平衡使蜗杆空压机具有一系列优点：( 1 ) 运转平稳、振动小、噪声比双螺杆 1 氐1 0 以上；( 2 ) 蜗杆没有弯曲变形，可以在高压下工作。例如：美国德莱赛兰 德公司生产的蜗杆工艺空压机即使在一级压缩的条件下也能达n 6 6 1m p a l ( 3 ) 啮合副可以在很小的间隙下工作以减少泄漏，因而容积效率高、能耗低、比双 螺杆节能。 近年来，双螺杆由于加工技术的提高和在研究新齿形、挖掘各种参数( 包括 材料强度) 的潜力方面已接近极限，双螺杆比过去节能约2 0 。而喷油蜗杆空压 机因粘性减少，引起的剪切损失而不能采用小间隙，目前单、双螺杆空压机在 喷油机方面的能耗数相当。但是在无油空压机中，因粘性剪切损失大幅度降低， 蜗杆空压机的节能优势仍然明显。此外，蜗杆空压机由于轴承受力小，且星轮 轴与蜗杆轴垂直交错，轴承尺寸不像双螺杆那样受限制，采用标准轴承时，轴 承寿命为5 万h ( 球轴承) 至1 0 万h ( 圆锥滚子轴承) 。整机的“免维修 时间相应地 在5 1 0 万h 之间，空压机的可靠性高，寿命长。特别是潜艇对空压机的各项性 能均有严格的要求，美国海军为了淘汰活塞式空压机，对现有的各种空压机进 行了大量的试验与论证认为：蜗杆空压机是潜水艇用最佳空压机，对于高压无 油空压机来说是唯一的选择。 用可靠性高的螺杆式空压机取代易损件多、可靠性差的活塞式空压机已经 成为必然趋势。日本螺杆空压机1 9 7 6 年仅占2 7 ，1 9 8 5 年则上升n 8 5 。目前， 西方发达国家螺杆空压机市场占有率为8 0 ，并保持上升势头，螺杆空压机具 有结构简单、体积小、无易损件、工作可靠、寿命长、维修简单等优点。 通过比较，螺杆式空压机更适合做为矿山空气动力源设备。特别是井下空间 狭窄，环境恶劣，用气地点不固定，螺杆式空压机比活塞式空压机更容易实现 电气隔爆和本质安全。尤其是在瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井中使用防爆型螺杆 空压机，具有活塞式空压机无可比拟的优点。 1 4 空压机保护与诊断的发展趋势 3 第1 章绪论 1 4 1 硬件方面 电力系统微机保护经过长期发展，从9 0 年代开始进入了微机保护发展时期， 微机型保护装置的种种优越性也为大家所认识，现在新投入使用的微机保护装 置都几乎无一例外的选用了微机保护。随着人们对微机保护的要求不断提高， 比如要求具有多种保护功能，并且能够快速、准确的判断故障，另外在用户界 面，故障录波等方面，这样需要处理的数据量不断增大，因此选用的微处理器 性能不断提高，从早期的8 位微控制器，例如m c s 5 l ，到1 6 位的m c s l 9 6 ，再到3 2 位的高速a r m 、d s p 处理器，甚至是多处理器结构。 1 4 2 软件方面 相对于硬件的快速发展，软件方面的发展相对滞后。微机保护系统是一种 实时系统。长期以来，国内微机保护软件的结构一般为前后台结构，主程序m a i n 在初始化系统之后进入一个无限循环，而利用中断机制来处理对实时性要求较 高的事件。采用这种结构的程序一般规模较小、扩展性差、维护成本高，更为 重要的是它很难保证系统的实时性。因此构建新的硬件平台，采用新的软件技 术已经成为当务之急。 引入实时操作系统，不但可以提高软件开发的效率，更为关键的是在调度 器的管理下，可以保证每个任务的响应时间。 一方面，在微机保护中采用实时操作系统可以提高开发效率，缩短开发周 期。将一个应用程序分解为多个任务，只要任务的划分合理，可以独立的对每 个任务的调试、修改。实时操作系统的使用使得应用程序的设计和扩展变得容 易，不需要做大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分隔为若干独立 的任务可以简化应用程序的设计过程。开发人员也只需要了解涉及到自己的模 块，而无需掌握整个系统。 另一方面，微机保护系统是一个实时系统，而实时操作系统主要功能正是 为了简化实时系统的软件开发。实时操作系统使得所有时间要求苛刻的事件都 得到了尽可能快捷、有效的处理。通过各种系统服务，实时操作系统使得资源 得到更好的利用。 1 4 3 智能诊断技术在空压机系统中的应用 4 第1 章绪论 空压机保护与智能诊断系统，基于多a g e n t 系统( m a s ) ，并且结合了自适应 模糊控制技术，可以方便地检测单台空压机的各项运行状态参数，包括排气温 度、排气压力、油滤网、气滤网状态，以及电动机的电压值、电流值等参数，当 空压机出现故障或处于不正常工作状态时，能够实时准确地采取相应的故障处 理措施，或者给空压机的操作人员发出警告信息。并且当空压机的结构、工作 环境、运行状态等发生改变后，系统能够自适应调整和显示。 1 5 本文主要研究内容 目前，国内大量运行的空压机大都采用一般的继电器控制，温度和压力的 检测均采用电接点压力表和电接点温度计，与之配套的控制及保护系统更是主 要采用机械和人工相结合的方式，其功能少、可靠性差、控制精度不高，影响了 压缩机工作的质量和稳定性，尤其在现场事故发生时无法自动采取紧急措施， 容易造成巨大的经济损失，也大大地影响了机器的使用寿命h 1 。 针对上面的分析，通过查阅大量国内外文献，结合现场实际情况，确定本 文研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析矿用空压机系统的工作方式及发生故障时的故障特征，提出相应的保 护测量原理与算法。 ( 2 ) 利用电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c 对异步电机的常规故障进行仿真，并与 理论计算值进行验证；对电网( 电机) 断电瞬间产生的反电势对漏电闭锁 保护的影响进行仿真研究。 ( 3 ) 将多a g e n t 系统( m a s ) 、自适应模糊控制等智能故障诊断技术应用到矿用空 压机的保护与诊断中，以提高系统运行的准确性和可靠度。 ( 4 )实现以d s p i c 3 0 f 6 0 1 5 微处理器与a t m e g a l 2 8 微处理器为核心的空压机保护 与智能故障诊断系统，并最终完成硬件和软件的设计与开发。 ( 5 ) 移植嵌入式实时操作系统1 1c o s i i ，利用其提供的强大的任务管理功能和 各种服务完成软件开发，构建更加健壮的软件系统。提出利用uc o s 实现 m a s ，并通过任务的方式实现各a g e n t 。 5 第2 章空压机护测量原理与算法 2 1 引言 第2 章空压机保护测量原理与算法 微机继电保护在我国的电力系统中得到了广泛的应用，基于不同微处理器 的保护装置不断出现。煤矿井下大多采用功能单一的电磁型继电器，随着煤炭 生产机械化、自动化程度的提高，供电容量的增大，对矿用空气压缩机的可靠 性和安全性要求越来越高。传统的电磁式继电器虽然在一定程度上也能够满足 井下电网保护的需要，但是随着微处理器技术、信号处理算法以及人机接口等 方面取得的重大进步，将各种保护功能集成到一个数字式的继电保护单元成为 可能。 在这种背景下，为了适应当前煤矿电网的发展，满足井下低压电网保护的 需要，本文设计了一种新型空压机保护与智能诊断系统，它以d s p i c 3 0 f 6 0 1 5 微 处理器与a t m e g a l 2 8 微处理器为核心，除了具有计量、保护诊断、故障记录等 功能，而且还具备丰富的通信和人机交互接口，其主要特征如下： ( 1 ) 保护功能：短路保护、过载保护、断相不平衡保护、漏电闭锁保护、过 欠压保护、排气压力保护和排气超温故障保护等； ( 2 ) 测量功能：在线测量采区低压电网电压、主电机和风扇电机的负荷电流、 有功功率、排气压力、排气温度、气滤网和油滤网的状态； ( 3 ) 遥信功能：在线监测开关分合闸状态； ( 4 ) 人机交互：采用液晶显示模块，可以实时显示空压机的合闸分闸运行状态、 故障次数电压、主电机电流、风扇电流、主电机的有功功率、主电机和风 扇总的电度累计、每天累计运行时间、总累计运行时间、排气温度、排气 压力等状态参数； ( 5 ) 通信功能：上、下位机之间通过s p i 接口进行通信。通过装置的r s 4 8 5 总 线接口，可以实现系统的遥测、遥信、遥控、遥调的“四遥功能。 2 2 漏电保护原理 6 第2 章空压机护测量原理与算法 伴随着矿井电网的出现，漏电保护技术就相伴而生。早在2 0 世纪3 0 年代， 英国就在磁力启动器中装设了漏电保护装置，从此建立了矿井低压电网漏电保 护原理。漏电保护是保证煤矿井下安全供电的三大保护( 即过流保护、漏电保 护和保护接地) 之一嵋1 。煤矿安全规程规定：井下低压馈电线上应装设带有 漏电闭锁的检漏保护装置或有选择性的检漏保护装置。我国的煤炭生产，现在 主要还是在井下进行。煤矿井下的工作条件特殊，环境比较潮湿，相对湿度往 往高达9 5 以上嵋1 。为此，对其使用的电气设备和电缆的绝缘性提出了较高的要 求。尽管如此，运行中的电气设备及其供电电缆，仍然有发生漏电的危险。特 别是工作面的电缆，被砸和挤压的机会较多，绝缘更容易损坏，漏电的可能性 更大。 漏电的后果，可能导致人身触电、瓦斯煤尘爆炸，此外，大量的漏电电流 如果长期存在，还有可能使电气设备的绝缘进一步恶化，以致损坏，从而造成 相间短路、电气火灾及其它危及矿井安全的事故。总而言之，漏电保护对于煤 矿井下供电至关重要，因此我国的煤矿安全规程已有明文规定哺1 ：“变压器 中性点不直接接地时，高压、低压电气设备必须设接地保护，并应在变压器低 压侧装设自动切断电源检漏装置。” 一个完善的漏电保护系统，不是用一台总的漏电保护器对整个电网起漏电 保护作用，而是由多台具有不同保护原理的漏电保护器一起配合，构成漏电保 护系统，共同完成漏电保护任务。我国现有的漏电保护系统大体上可以分为两 种：选择性漏电保护系统和非选择性漏电保护系统。选择性漏电保护系统的优 点是很明显的，它可以只切除漏电故障线路和设备，而让非故障部分继续工作， 这样，既可以缩小停电范围，还有助于寻找漏电故障，便于迅速处理，对生产 有利。选择性包括横向选择性和纵向选择性。横向选择性是指当电网的某一线 路发生漏电故障时，漏电保护装置使开关仅切除漏电故障所在线路，保证非故 障线路的正常供电。纵向选择性是指当故障点位于下级开关( 分支馈电或磁力 启动器) 的保护范围内时，如果下级开关已经成功隔离了故障，那么总馈电保 护器就不应该动作，否则就是越级跳闸；相反，如果下级开关不能及时切除故 障，那么总馈电保护器就应动作，起到后备保护作用盯1 。 2 2 1 附加直流电源式漏电保护原理 7 第2 章空乐机护测量原理与算法 电网若发生漏电故障，最容易检测到的是电网各相对地绝缘电阻的下降n 刳。 可以设想在三相电网中附加一个独立的直流电源，使之作用于三相电网与大地 之间。这样，在三相对地的绝缘电阻上将有直流电流流通，该电流大小的变化 直接地反应了电网对地绝缘电阻的变化，有效地检测和利用该电流，就构成了 附加直流电源式漏电保护。其电气原理图如图2 1 所示。 图2 1 附加直流电源式漏电保护的电气原理图 c b a 直流电源通过三相电抗器组成的人为中性点，施加在三相电网与地之间， 于是就会有直流电流，由电源的正极流出，入“地”后，经采样电阻r 。、电 网绝缘电阻弥_ r b 和_ r e 进入三相电网，再由三相电抗器5 m 限流电阻尼返回 负极。对于稳定的直流电源，电容器g 和电网对地电容易、g 和g 相当于开路， 不会有电流流过。此时的直流电流，可由式( 2 1 ) 求得。 ，：j l ( 2 1 ) 恐+ 在 式中，咚：譬+ 尺+ r ；在为三相电网每相对地的绝缘电阻并联值。若一相( 如 a 相) 绝缘电阻降低，另外两相无限大，则在= 么；若a 、1 3 两相绝缘电阻同时 降低，且= r b = ，而另外一相为无限大，则在= 三；若三相绝缘电阻同时下 降，且_ = = 七= ，则在= ：f - 。 式( 2 1 ) 中，只有乓是一个变量，因此检测电流，直接反映了电网的绝缘 8 第2 章空压机护测量原理与算法 情况。取样电阻上的电压【厂。可表示为 虬= 取2 而u b ( 2 2 ) 三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算 佳= 等b 一避 ( 2 3 ) o s 电网正常运行时，根据式( 2 3 ) 可实现对电网绝缘电阻的连续监测；当人 身触电或发生漏电故障，使一达到装置动作设定值时，迅速将电源切除。另外， 即使电网的绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障现象检测出来，这是附加直流电 源漏电保护原理的一大优点。 采用附加直流电源进行工作的检漏继电器，存在动作没有选择性的问题， 因为电网中不管哪个地方发生了漏电故障，直流检测电流都可能形成通路，使 检漏继电器跳闸。， 2 2 2 漏电闭锁保护 考虑到进下设备和人身的安全性陆1 副，目前井下低压电网的所有开关中都应 该设有漏电闭锁保护功能。漏电闭锁一般采用附加直流电源检测绝缘电阻值的 保护原理，本装置可以应用于1 1 4 0 v 和6 6 0 v 电网中，其对应的动作电阻值分别 等于( 4 0 士1 ) k q 和( 2 2 士1 ) k q ，在开关合闸前，漏电闭锁立即投入，对线路 进行检测，如果发现漏电，则不允许空压机主电机启动，同时记录漏电故障， 并在液晶屏上进行显示，反之如果线路正常则允许开关合闸。 2 3 断相不平衡保护 电网正常运行时，三相电流一般是对称的，各种电气参数中只包含正序分 量。当发生两相短路、断相、单相接地等不对称故障时，三相电流不再对称， 此时总会产生负序分量口l ”1 埔1 。负序保护原理就是把反映负序分量的电流值或 电压值作为保护依据，从而达到对断相或不对称短路故障进行保护的目的。因 为只有发生不对称故障的时候才会出现负序分量，因而故障整定值可以选的比 9 第2 章空压机护测量原理与算法 阱1 隰4 ， 式中口= p m 矿，厶，五，厶分别为零序、正序和负序电流分量。 厶= 妻( 丘+ 口2 乞+ 口丘) = 当( 乞+ 乞p 7 了+ 丘p 7 了) ( 2 5 ) = 妻( 丘+ 毛p 1 了+ 丘p 吖了) i 2 ( k ) = 扣卅馓一n 州七一争 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 所需要的数据窗宽度为2 n + l ，为了使数据窗更短， 进行改写： 之( 后) = 妻( 丘+ 厶e 吖了一之e 吖了) 离散化后得到： 可以对式( 2 5 ) ( 2 8 ) i 2 ( k ) = 争水) 堋后一了n ) 一砸一詈) 】 ( 2 9 ) 此时，数据窗宽度为学+ 1 ，当n = 1 2 时 之( 七) = 吾 乞( 七) + 屯( 七一4 ) 一t ( 七一2 ) 】 ( 2 1 0 ) 通过式( 2 1 0 ) 计算出负序电流瞬时值后，可以采用傅氏算法来计算有效 值厶，当其有效值大于整定值厶埘时，即当满足式( 2 1 1 ) ， ，。 ( 2 1 1 ) 1 0 第2 章空压机护测量原理与算法 时，判定为不对称故障。 2 4 过载保护 严格的讲，过载只是一种非正常运行状况，它在一定范围或一定运行时间 内是允许的，但长时间过载则会导致热量的积累，最终损坏设备。煤矿井下的 主要电气负载是电动机。统计数据表明，在正常的工作条件下，长时间的过负 荷运行是导致电机故障的主要原因，7 ，1 3 1 5 。1 8 1 。在分析了由于过负荷运行引起的热 效应和电动机的热辐射之后，采用式( 2 1 2 ) 作为过负荷保护的模型，它具有 反时限的特性。 ( m ) = t d ( 志+ 曰) ( 2 1 2 ) 式中，t ( m ) 是保护的动作时间，单位为秒；m 是过载电流的倍数；a 、b 均为常 数，这里分别选取常数a = 1 9 6 1 ，b = 0 4 9 1 。t d = 5 1 5 ，是一个热效应时间常数， 为了模拟负载曲线，根据不同类型的电动机，这个值是可以调整的。 根据式( 2 1 2 ) ，当过载倍数为6 时，所容许累积的热量可以这样求取： q = 1 2 t = 6 2 * t = 3 6 * t d 木( 糌+ 0 4 9 1 ) - 3 7 舻仍 除了连续过载以外，还应该考虑到热量的累积和辐射效应，这主要是由于 电动机负载的波动所造成的。可以认为热量累积量q 是一个上下浮动的值，当 电动机运行于额定状态下时，热量的累积与辐射正好平衡，此时q 不变；当i ， 时，q 增加；当， 1 2 5 ( 2 1 4 ) 时，判定为过电压故障；当实际电压等于或低于7 5 额定电压时，即当满足式 ( 2 1 5 ) u 竺。j 、 t e 。 图3 3 转速和电磁转矩输出 图3 1 可以用来研究电机由启动到稳态的整个过程，最右端是对称三相正弦 电压源；i m 为绕线型电动机；s 为控制开关，其值为l 时电动机运行于由( ) 指 定的速度控制模式，多用于分析轴扭振：s 的值为0 时电动机运行于由负荷转矩 2 7 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 t l 控制的转矩控制模式下。图3 2 为s 的控制电路，决定s 的取值。本例采用 的控制电路使得整个运行过程中s 均取0 值，从而电机运行于转矩控制模式下， 转矩标幺值为0 7 3 。图3 3 为转速和电磁转矩输出，我们可以实时地观察电机 从启动到稳态的整个变化过程，结果如图3 4 所示，横坐标为时问。 曲1 五妫3 b 4 j d5 。一! 二强 n u 】 j ： ： 门 ! ： ： ! ： i ： 1 5 d 3 图3 4 转速与电磁转矩输出随时间的变化 由实例看出，e m t d c 仿真软件操作简单、界面直观、准确度高，再加上丰富 的元件库，使得该仿真软件越来越得到大家的认可，得到了广泛地应用，从而 为仿真领域做出了贡献，也为很多电力系统新问题的研究提供了一个权威的平 台，无论从学术上，还是经济上都具有重要意义。圳1 。 3 2 2e m t d c 中的异步电动机模型 e m t d c 以通用电机模型为基础来模拟各种类型的电机，这种模型能够较为详 细地模拟电机的电气部分和机械部分，可以用来精确地描述较长时间范围内的 电机暂态过程，为研究电机的各种运行状态提供了强有力的工具。e m t d c 提供了 鼠笼型和绕线型两大类三相异步电动机模型，其中鼠笼型又细分为单笼和双笼 电动机。尽管如此，这两种类型的电动机模型本质上是统一的。 2 8 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 芝 = 孑墨圣。 兰 + 丢 三；d + 三竺： c 3 - ) 伤 。侈 、n f r f 0 0 0r f 0 00r | j b 饧 t o f d d t 吨8 吨q 吨af ( 3 2 ) d 、q 两个轴上的磁链电流关系式表达了定子侧和转子侧之间的耦合关 系，即 甲d 甲d 甲g 甲q 厶m 加0 0 m d dl d 00 00 l 口m g ，口 00 m 相岛 0 b z q 切 ( 3 3 ) 而零序磁链在电枢和转子间是无耦合的，即 t o 。= l o 。i o 。，甲o ，= 厶，i o r ( 3 4 ) 式( 3 3 ) 中为常规的异步电动机，转子只有一个鼠笼( 或一组三相绕线绕 组) ，对于双鼠笼转子，相应在转子侧变为2 对绕组，即d 。、q 。，d ：、q 。，余此类 推。 异步电动机模型的实现基于以下假定：在把转子侧的量折算到定子侧后， 一个轴上只有一个互( 主) 磁链通过所有的绕组，而一个绕组的漏磁链只通过 该绕组本身。据此，式( 3 3 ) 的磁链电流关系可简化成： 2 9 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 甲d = 厶d + 甲柑 甲t d = l w iw d + 甲耐 甲g = l l q i q + 甲哟 甲q = l i q i o - k 甲删 ( 3 5 ) 其中，d 、q 轴互磁链甲矿甲啊为： 甲耐= m d ( + f d ) ，甲啷= m g ( + f 口) ( 3 6 ) 式中，上标”，表示转子侧的量己按d 与d 、q 与q 的匝数比折算到定子 侧，这种模型中所有折算后的互感等于尥、鸩，式( 3 3 ) 中折算后的各绕组的 自感和漏感有以下关系： l d = k d + md l d = l l d + m d 厶= l l g + m g l i q = 三t l q + m q 如果用r ，、i d 、i q 替换髟、f d 、岛， 算后的量仍然正确。 ( 3 7 ) 式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 的电压方程对折 2 模型参数的获得 三相感应电动机的己知数据通常为相量，经派克变换后有 厶= 厶= 厶一丝 ( 3 8 ) 其中，l 。为定子绕组的自感， i s 为两个定子绕组之间的互感。 定、转子之间的互感为 一v 1 3m 扣( q 轴类似) ( 3 9 ) 其中半v 2m 4 d 为定子a 相绕组与转子d 绕组之间的互感。注意隽改变了匝v 数比，在把转子量折算到定子侧时，必须考虑这个系数。可以看出：只要在e m t d c 中输入定转子侧漏感及定转子互感，即可建立起电动机模型。 3 机械部分模型 e m t d c 中三相异步电动机模型中没有内在的机械部分模型，而是将机械部分 转换成具有集中参数的r - l - c 等值电气网络，然后将它们作为整个电气网络的 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 部分求解，电磁转矩则作为电流源注入到电气网络中。对于电动机轴等值电网 络增加一个节点，其对地电容对应于其转动惯量如果阻尼正比于电动机轴的 转速，用电导为刃的电阻与其电容并联；如果一机械负载作用在电动机轴上， 就用一负向电流源接到该节点。电气量与机械量之间的等值关系如表3 1 所示。 机械量和电气量通过电磁转矩联系起来。 表3 1 机械量与电气量间的等值关系 机械最 电气量 t ( 作用在质量块上的转矩) n m i ( 注入节点的电流) a ) ( 角速度) r a d s v ( 节点电压) v 0 ( 转子角) r a d q ( 电容上电荷) c j ( 转动惯量) k g m 2 c ( 对地电容) f d ( 阻尼系数) n m s r a d 1 r ( 电导) s 电动机机械方程为： ，窘+ 。警= 毛d t 2d t ”iu ” 或用电气量表示为： c 安+ 丢，：l n e t ：屯一o ( 3 1 0 ) 出r ”1 其中，j 为转动惯量；d 为阻尼系数；0 为转子角位移；为电磁转矩；t o 以 为机械负载。求取电磁转矩的公式为 死= 冬( 甲。一甲，) ( 3 1 1 ) 蠹=孑晏妾耋量+丢【-i；v：y：(：t；)jl+三：芸；：葚；+l2h萎is乏t,。二(：t篇-at)，lj c 3 - i ! ， 3 1 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 嵫 + 删瞄 ，lw d ( t a t ) li + 缈( t - a t ) 甲，o 一i 一云卜o _ di + i 喇o - f ) o 础) i 恻嘲 定子在a b e 坐标的电压、电流，可通过派克变换转换到d q o 坐标。 同样，如果转子侧接有外回路，它们也可以用戴维南等值电路模拟，其方程 的形式为 o ( f ) = - iv o o ( f ) v o f , o ( f ) + 髟棚 | i o ( t ) i o l ( f ) ( 3 1 5 ) 式中下标“0 表示无外接回路时的解。 求解时首先解不包括异步电机的整个网络，得出戴维南等值开路电压以及模 拟机械系统的网络开路电压，用线性外推法预报转子速度( t ) ；接着将网络从相 空间转换到d q o 空间，计算电气侧电磁转矩，并转到机械侧作为模拟机械系统 的戴维南等值电路的电流源，求解得转速( 等值电压) 。如果所得速度与预报速 度相差太大，则重新计算，否则更新d q 轴历史项；然后将定子电流从d q 量转 换到相量，并计入定子电流、转子电流( 如果它们与外界电路相连) 和机械系 统等值网络中模拟电磁转矩的电流的作用，求解整个网络的最后解；最后再进 行下一时步的计算。e m t d c 环境下电动机与外部网络的连接如图3 5 所示。 3 2 o o o 山 m m屹匕 l 一 = 1j 、，、，、， 0 o o屹匕 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 图3 5 电动机与外部网络接口 3 3 电动机常规故障仿真 下面几种常见的电动机外部故障的仿真都基于图3 6 所示的电动机外部故 障仿真接线图。 图3 6 电动机外部故障仿真接线图 本文仿真所用的电动机主要参数为：额定输出功率：5 5 k w ，额定相电压： 6 6 0 v ，额定电流：7 5 a ，额定转差为6 4 7 ，效率为7 8 3 9 ，功率因数为0 7 8 8 ， 起动电流倍数为6 5 ，起动转矩倍数为2 7 5 ，最大转矩倍数为2 5 0 。 3 3 1 机械堵转 用e m t d c 仿真电动机堵转需使电机处于速度控制方式，并将转速置零。电动 机堵转是比较严重的问题，因为堵转时转速n = o ，转差率s = l ，电动机电流将增 3 3 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 大为起动电流2 | ，从而大大超过正常工作电流，时间长了将烧坏电机。图3 7 所示为a 相堵转电流，证明利用e m t d c 可以有效地仿真机械类电动机故障。 r 。 3 3 2 断相故障 7 0 d 6 0 0 s 0 0 伽 3 0 0 卸 1 慧0 硼1 0 0 晕2 口0 3 0 0 - 4 0 0 0 枷 一7 0 0 吣1 5 0 百百石百石百万1 石1 b 图3 7 堵转定子电流 在e m t d c 中用一开关元件来模拟断相故障，设3 0 秒时c 相开关断丌，断相 前后的a 相电流和负序电流的r m s 值分别如图3 8 和图3 9 所示。理论证明断 相电流与负载率有关，本文仅对空载断相进行了仿真，其他情况只需改变负载 即可。 图3 8c 相发生断相故障的a 相电流 图3 9c 相发生断相故障的负序电流r m s 值 3 4 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 由图3 8 可以看出空载时断相电流在很短的几个周波的时间内即达到稳态， 断相前电流幅值约为1 0 6 a ，断相后电流幅值约为1 9 0 a ，断相后电流约为断相前 的3 倍；由图3 9 可以看出j 下常运行时没有负序电流，而断相后有负序电流生 t 成，其有效值大小约为7 7 a ，约为断相后a 相电流有效值的倍。可见运用e m t d c 3 可以有效地仿真断相类故障。 为了对各种故障有一个整体的、定量地了解，并采取相应的保护措施，文 献口3 3 对各种故障状态下定子绕组电流的变化、故障特征等进行了详细分析，并 给出了如表3 2 所示的故障信息分布表，上面的故障仿真定量分析就是基于该 表进行的。 表3 2 电动机常见故障信息分布表系 保护 故障类型 零序负序过电流其他故障特征 特性 过载无无 ( 1 5 5 ) i oi n i b ic 反时限 对称故障堵转无无 ( 5 7 ) 厶 id ib 锚i c 短时限 短路无无 ( 8 1 0 ) 厶i o i b ic 速断 断相 无 ic 惦 矗i o1 4 = o ，i b = 一ic 短时限 不不 逆相无 i d 无 i a i b i c 速断 对 接 不平衡无有无 i n i b ic 短时限 称 地 相间短路无有取决于位置 i l ib ic 速断 故 接单相接地 i 3 有取决于位置 i ， ib 锚ic 速断 障 地 两相接地 1 3 有取决于位置 ib ，ic i ，i 口 速断 注：( 1 ) 单相故障设a 相为故障相，两相故障设b ，c 相为故障相； ( 2 ) i o 表示故障前电流幅值， ：i = 厶+ 厶+ 。 可见，运用e m t d c 可以实现对电动机各种故障的仿真研究，包括机械类故障 和电气故障，并且得到了与理论相符的结果。从而为研究各种常规电动机故障 提供了一个仿真平台。 3 4 反电势对漏电闭锁保护的影响 3 5 第3 章异步电动机故障诊断与保护的仿真研究 3 4