（电力系统及其自动化专业论文）自适应电动机保护研究.pdf

声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 自 适应电动机保护研究)， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中 特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学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己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_腐梦奋 。 口 . 义二 g j 工 子 一 一 一 曰 期:州 ，j.沙 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被 查阅或借阅;学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文;同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: . 吐邺一 导师签名 日期: 卿2 /. 去 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 课题的背景和意义 电动机是工业生产和日常生活中广泛使用的电气设备，它将电能转换为机械 随着经济的发展和自动化程度的提高，电动机起着越来越重要的作用，现代工 月.卫0 1-能 业生产及产业部门以至我们的日 常生活， 几乎离不开各种各样的电动机， 它们已经 是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。川 电动机及其保护装置运行正常与否， 直接关系到国民经济的发展和人民生活的 提高。 每年因使用不当或制造原因造成损坏的电动机无法统计。这不但造成电气设 备的浪费，还由于电动机工艺过程的不同而带来不等的间接损失。 由于电动机保护技术落后，其烧损情况严重。据某省电力试验研究所对 1997一 20o 2 年该省11个大型火电厂数千台大型高压电 动机的故障情况所作的调查， 在 122 台故障电动机中，定子线圈故障占32 台，转子断条等故障占27 台，其他由 于机械原因引起转子扫膛等故障占 20 台，总共反映为电动机内部绕组故障约占故 障总数的70% 。 某大型化工厂通过25年来对4 83 台电动机的故障情况分析表明， 电 动机发生内 部故障的 几率约占 所有故障的8 5%。 tz 以往由于每台电动机容量不大，电动机保护不为继电保护者重视，保护装置 经常出 现拒动而使电动机烧毁，或者由于保护装置的误动跳闸，中断了生产过程， 影响产品的产量和质量。并且现在，为了节省原材料，现代电动机的设计制造正 走向“ 极限设计” ，与 30 年代相比，容量相同的电动机，重量减轻了一半以上， 体积减小约 1 /3， 这就使现代电动机的热容量和耐热度急剧下降， 为了确保电动机 的安全运行，更有必要改善电动机保护的特性。 日 1 . 2电动机保护的现状分析及发展 电 动机作为现代工业动力源的宠儿， 机电一体化最完美的结合体， 其保护问题 长期困 扰着继电保护专业人员及运行人员。 据不完全统计，全国每年由于电动机过 载、短路、缺相、接地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。 随着我国电力工业的发展， 电动机将会更加广泛地应用于石油、 化工、 冶金、 纺织等国民经济各主要部门， 而对其保护问题的解决将更加迫切，因此需要对电动 机做深入的研究，以求得电动机保护的重大突破。于是，全国在近几年出现了一个 华北电力大学硕士学位论文 电动机保护热潮。相继研制并生产了各式各样的电动机保护装置，据不完全统计， 目前电动机保护装置的品种，至少有 50 多种，但由于性能、原理和价格等原因， 都存在一定的不足。纵观电动机的保护发展经历以下几个阶段:【， ， 1 . 2 . 1以热继电器为主的组合保护方式 建国以来我国电动机保护主要是沿用苏联模式，中小型电机采用熔断器、接触 器和断路器及热继电器的组合，其配置方式大约分 4种类型:( 1)熔断器一交流接 触器一热继电器;( 2)断路器一交流接触器一热继电器;( 3)熔断器一断路器:( 4) 熔断器 一断路器一交流接触器二热继电 器。 采用熔断 器及热继电 器的电 动机保护应 该说是最廉价的， 且是最容易掌握的一种方式。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) 某相熔断时就会使电动机缺相运行而使事故进一步 扩大， 造成电动机烧毁。据了解造成电动机缺相运行使电机烧毁的大部分原因，就 是由于熔断器某相熔断造成的。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，但其存在保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点，因而容易 导致电动机长期轻微过载运行， 使电动机绕组产生热累积， 而使得绕组绝缘老化造 成电机损坏。 另外， 由于原材料及工艺水平的落后等原因造成热继电器性能不稳定， 动作曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降。 1 . 22电子式保护装置 热继电器作为传统的保护方式，由于以上诸多弊病，因而不能很好的保护电动 机。 而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装置应运而生。 我国电子式保护装置是由晶体管型发展至集成电路型， 其功能的设置基本满足低压 电动机保护的要求，如过载保护、短路保护和接地保护等。其保护原理大都是抽取 三相电流经电流电压变换器取出电压电 流信号， 经整流滤波送至监幅电路。 此种原 理是实现一般保护最简单的方式， 但由于其判据不清， 动作特性与电动机热曲线不 协调及选用材料不当等原因造成拒动或误动，给运行人员带来了很大麻烦。况且， 严重的会烧坏电动机. 1 . 2 . 3微机型智能保护装置 随着微处理器在继电保护中的应用，微机型保护装置开始进入电动机保护领 域，为实现电动机保护与控制的高精度、高智能化提供了广阔的应用前景，取得了 一些成绩。 但在国内实际应用上， 微机型保护装置离所期望的高精度、高智能化还 有一段距离。根据实际调查来看，有些装置存在误动、抗干扰差的情况，对一些特 华北电力大学硕士学位论文 殊用户的需求没有考虑等不足。因此，在这方面我们还有很多的工作要做。 1 . 3自适应原理概述 自 适应继电保护是在20世纪80 年代提出的一个较新的保护理论.自 适应继电 保护可以定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、 特性或定值的保护。 引 其基本思想是使保护装置尽可能地适应电力系统的各种变化， 改善保护性能，即能够适应电力系统各种运行方式和复杂故障类型， 有效地处理故 障信息，从而获得更可靠的保护.5 在我国，2 0 世纪8 0 年代后期开始引入自 适应保护的概念，各大科研院所和高 校开始了研究工作， 并且取得了长足的发展。 自 适应保护逐渐应用于自 适应重合闸、 自 适应馈线保护、 对串补输电线路的自 适应保护以及自适应行波保护。随着电网调 度自 动化系统的建立和实用化，变电站自动化技术和无人值班运行方式的迅速普 及，微机保护在不同程度应用了自适应原理，自适应保护将使我国微机保护智能化 水平进一步提高。e 【” 迄今为止，自适应保护的研究虽然取得了一定成果，但大多数都是处于研究和 试运行阶段， 在开发和实用化方而还处于起步阶段， 现有的微机保护有相当部分仍 是原有模拟式保护的翻版，原理上没有创新， 传统保护中存在的问题依然存在。 传 统的继电保护也采取了一定措施应对系统运行方式的变化和不同的故障状态， 但是 以牺牲保护的灵敏性来保证保护动作的可靠性。 例如电流速断保护的整定值，按系 统最大运行方式下， 线路末端发生三相短路考虑。 这种按最严重的条件确定保护定 值的方法，能保证所有可能的正常和故障条件下， 保护都不会错误地切除被保护的 线路，但却存在以下缺点:按该方法设定的定值，在其它运行方式( 其中包括系统 的主要运行方式) 下保护区会缩小;在最小运行方式或最不利的短路条件下，保护 可能失效或性能严重变差。 的 为了 进一步提高保护的性能， 应进一步发挥微机的智能作用，改进传统微机保 护的缺陷，自适应保护是其中一个值得注意的研究方向。自适应保护的目 标是解决 传统保护中存在的问 题， 并进一步使保护的性能最佳化。自 适应继电保护的研究内 容主要集中在两个方而: 利用适当的故障信息实现自 适应保护和应用适当的信息处 理方式提高保护动作性能。自 适应继电保护今后的主要研究方向是利用通信网络更 加灵活地获取和应用故障信息， 将人工智能技术应用于继电保护， 将使保护装置获 得更强的自 适应能力， 从而显著提高其动作性能.19 tl0) 目 前，自 适应继电保护还处在研究开发的初期， 现在已有的研究成果已经有力 地说明了它的优越性。总体来说自 适应继电保护将朝着以下几个方而发展。 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 保护性能最佳化 电力系统继电保护的四个基本要求是选择性、速动性、灵敏性、可靠性，它们 之间既矛盾又统一，问题在于如何根据实际情况正确处理这四个基本要求之间的辩 证统一关系。由于传统的保护装置不能在线自动识别千变万化的一次系统的运行方 式和故障状态，因此传统的保护是必须在最不利的条件下考虑选择性和灵敏性，从 而最大限度地满足了选择性和灵敏性的要求， 其效果虽不是最佳的， 但却是正确合 理的。 与传统保护不同，自适应保护的突出特点之一就是具有自动识别系统运行方式 和故障状态的能力，并针对状态的改变，实时自 动地调整保护的性能，其中包括动 作原理、动作特性和整定值，从而使其达到最佳效果。 ( 2)整定计算在线化 继电保护装置整定计算的目的是对电力系统中已经配置安装好的各种保护装 置， 按照具体电力系统的有关参数和运行要求，通过计算分析给出所需要的各项整 定值，以使全系统中的保护装置正确协调地工作，有效地发挥其作用。由于电力系 统的结构变化和运行情况的复杂性， 继电保护的整定计算是一项复杂而又艰巨的工 作，目前已开始进入计算机辅助整定计算的阶段，尽管还存在着不足，但整定计算 工作效率已显著提高了.迄今，所有的整定计算都是离线进行的。自 适应继电保护 技术的发展预示出未来整定计算在线化的可能性， 本文所给出的自 适应电流保护就 具有在线整定计算的能力。当然，电力系统整定计算在线化的任务要远比这种最简 单的电流保护的整定计算复杂得多，但是随着自适应继电保护技术的进步，特别是 电力系统继电保护信息网的形成和发展， 可以预见整定计算在线化的时期一定会到 来。 ( 3)使用简便化 微机保护装置由于现场调试、维护简便化深受用户的欢迎，在短短的 10 余年 间取得迅猛的发展。自 适应继电保护将进一步发展计算机的智能作用， 使装置使用 更加简便化。 1 . 4 本课题的工作概述 本论文围绕电动机自 适应保护装置的研发展开， 主要内容包括自 适应电动机保 护原理的分析、 总体保护配置方案设计、 硬件平台的设计和软件结构的设计等方面。 论文的具体章节安排如下: 第一章简要介绍了电动机在工业生产和日常生活中的重要性， 然后着重论述了 4 华北电力大学硕士学位论文 电动机保护现状及存在的问题， 接着介绍了自适应继电保护的研究现状、 特点及发 展方向，最后，结合课题项目背景，提出了本论文中电动机保护自适应功能的研究 内容。 第二章对电动机自 适应保护的主要保护原理和算法进行了分析说明。 结合电动 机保护装置项目的研制情况， 将堵转保护原理等自 适应保护原理分别应用于电 动机 保护原理中。 第三章对课题中研制的自 适应微机型电动机保护装置的硬件平台进行了介绍， 并对各模块功能特点进行了详细的说明。 第四章详细介绍了自适应微机型电动机保护装置的软件结构方案。 第五章对研制的自适应微机型电动机保护装置进行了模拟试验，以验证所设计 的电动机保护装置是否达到了设计的性能。 第六章对全文进行了总结，概述了全文取得的成果和需要进一步研究的问题。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电动机保护的构成原理 2 ， ，电动机保护原理概述 本文采用检测过流幅值、 零序电流分量和负序电流分量为基础的故障判据，并 在这个基础上形成了各种保护算法，探讨了自适应保护原理在电动机保护中的应 用。 2 . 1 . 1电动机故障情况分析 ， 】 ， 1 电动机的故障形式主要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: ( 1)由于电源电压太低使得电动机不能顺利起动，或者起动过于频繁，使得电 动机因长期过负荷而损坏。 ( 2)长期受电、热、机械或化学作用，使绕组绝缘老化和损坏，形成相间短路 或对地短路。 ( 3)因机械故障造成电动机转子堵转。 ( 4)三相电源电压不平衡或波动太大，或者电动机断相运行，长期承受负序电 流而烧损。 ( 5)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、腐蚀性气体等。 由于电动机的微机保护主要通过测量电量( 电流、电压以及开关状态等) 来监测 电动机的运行状况，因此面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、单 相接地和相间短路等。 发生对称故障和严重相间短路故障时， 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，由于散热条 件差、电流大，特别容易烧坏电机。由于这类故障可以由过流的程度得到反映，因 此仍然以电流强度作为故障判据。 对于严重的三相短路应该采用速断跳闸或差动保 护跳闸，堵转故障的保护应为短时限跳闸，而对于对称过载应采用反时限跳闸。 华北电力大学硕士学位论文 其它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，如匝间短路、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 不及时处理会导致事故扩大， 进而引起电动机机端过热、转子及起动力矩降低等一 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， 破坏其它用电设备的正常工作。 2 ， 2电动机综合保护分析 当电动机三相对称运行时，负序电流和零序电流为不平衡电流，数值较小;而 发生不对称故障时则会显著增加.因此可以在检测电动机过流程度的同时，以序分 量为基础， 通过检测负序电流、 零序电流的大小来判断电动机是否出现故障。 这样， 不但能更好的反应电动机的运行状况， 还可以大大提高保护的灵敏度和可靠性。 异 步电动机常见故障的过电流、 负序和零序电流的分布情况如表2 一 1 所示， 表中单相 故 障 设a 相 为 故 障 相， 两 相 设b 、 c 为 故 障 相， 几 表 示 故 障 前 相电 流 的 幅 值。 表2 一 1电动机常见故障信息分布表 故障类型过电流负序电流零序电流其他故障特征 设置保护类 型 对称 故障 三相短路 ( 8 一 1 0 )1 ， 无无 几=几= ic 电流速断 堵转 ( 5 一 7 )1 。 无无 几=几= 人 过流反时限 过载 ( 1 2 一 5 )1 。 无无 几=几= 天 过流反时限 不 对 称 故 障 月 卜 接 地 断相 石/ 2 ， 。0 5 1 ， 无 ia= 0 ， 几， 一 几 负序定时限 逆相无 1 。 无 几= 几= 几 不平衡无有无 几禅 几笋 人 相间短路有 儿“ 无 几= ic ia 接 地 单相接地有 形 几写 几几 几= ic 零序定时限 二相接地有 有( 值的大小取决于位置)几 ， ic la二 ip 对于自 适应电动机保护， 为了实现自 适应保护功能， 本论文主要从以下方面入 手进行研究分析:对于电流速断保护配置，由于起动状态与运行状态整定值不同， 则需要对电动机运行状况自 适应判断. 对差动速断保护， 其制动特性曲 线应具有自 适应特性: 对于堵转保护， 根据电动机在堵转状态和正常运行状态时的机端阻抗变 华北电力大学硕士学位论文 化率的不同，把机端阻抗变化率作为特征量，解决常规保护不能保护堵转时间小于 起动时间的难题，从而实现堵转保护的自 适应功能:对过负荷保护，本文考虑采用 更准确反映电动机温升过程的正序电流和负序电流的热积累模型， 充分考虑了电动 机在冷态和热态时允许的温升不同， 分别用全电流热过载和负序电流热过载保护电 动机的定子绕组。 2 . 2 . 1电动机状态在线检测和起动过程判断 电动机作为一种单独的电器元件， 有其特殊的运行方式一存在起动问题。 起动 前电 动机处于停运状态，电动机无发热，处于冷态; 起动时有较大的起动电流，电 动机处于温升过程;起动结束后，电动机正常运行，其发热与散热处于动态平衡， 温度是一个比较稳定的值。 准确而可靠地对电动机起动过程进行判断， 直接关系到 电动机保护的性能。 电动机起动前电流为零，合上断路器后，电流瞬间增大，随着电动机转速的升 高，电动机的电流逐渐减小。当电动机达到额定转速后，电动机的电流也稳定在额 定电流附近。 于是我们从两个方面对是否起动进行判断， 从电流发生突变的角度考虑，电动 机起动时电流会发生突变。当我们检测到: “ i( k)一 i( k 一 玛卜l i(k一 n 卜j(k一 2 扔卜与仪 一 1) 式中:1 为电流的采样值; k 为当前采样点; n是一周采样点数; 与是电 流 起动门 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 机起动; 否则可能是电 动机外部发生断路故障或电 动机所带的负荷发生了变化。 当检测 到电动机起动时，起动计数器开始计数， 达到起动时间后，置位电动机正常运行。 另一方面， 对于某些特殊的电动机， 其起动过程中电 流变化量比 较小， 可能达不到 起动电 流门 槛， 此时可以 通过对电 流幅值大小的定时检测， 来判断电动机当 前的运行状 态。 根据电 流特征自 动判断电 动机的 状态。当电 动机的电 流1 0 ， 1 几 时( 几 为电 动机额 定电流) ，认为电动机处于停止状态;当电动机电 流从无到有，认为电动机进入了起动 华北电力大学硕士学位论文 状态; 此后当电流由大变小， 并稳定在额定电流附近时， 则认为电动机已经进入稳定运 行状态。 电动机起动的整定时间应稍大于电动机最长起动时间。 当电动机起动后， 电流经过 整定时间仍然不能降到额定电 流附近时， 仍然认为电 动机已 经进入运行状态。 l21 2 . 2 . 2电动机起动时间过长保护 正常的起动结束后电动机的运行电流将低于额定值或在额定值附近， 而起动时 间过长则是在起动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值 ( 一般为机械原因) 。 本文所研制的自适应微机型保护装置可自 动识别当前过程是否为起动过程， 如是则 当整定的起动时间到达后，电动机的相电流仍大于整定值时，本保护动作于出口跳 闸。起动时间过长保护可作为电动机起动过程中短路保护的后备保护。 电动机起动过长保护在电动机起动过程中投入。 如果电动机在整定时间内 起动 成功，则该保护不动作;如果电动机在整定时间内不能成功起动，则该保护动作。 另外如果在电动机起动过程中起动电流过大， 则会通过速断保护或差动保护来保护 电动机。 电动机的起动时间整定按电动机的实际起动时间，即从起动到电动机转速达到 额定转速的时间，考虑留有裕度，可整定为实际起动时间的 1 . 2 倍。 2 . 2 ， 3自适应堵转保护 电动机发生堵转故障时， 传统的保护原理是通过电流量的定时限或起动时间过 长来实现的. 但传统的保护原理对电动机起动过程中出现的堵转故障保护不理想， 都需要经过电动机起动时间之后才能做出是否堵转的判断，保护动作时间比较长: 另外， 起动过程中出现堵转更容易引起电动机绕组过热甚至烧毁电动机绕组。 本文 采用了利用机端阻抗变化率判断电动机起动过程是否出现堵转故障的新方法， 缩短 了起动过程中堵转保护的动作出口时间。 电动机因机械原因、负荷过大等原因造成转子被卡死或低速运转，发生这种故 障会造成过热而危及电动机的安全，必须予以切除故障。 本文所研制的微机型保护 装置能可靠地区分电动机的起动过程中堵转和运行时的堵转。 电动机起动过程发生堵转的判据为: 2 (t ) 一 子 又 !lj 匀 0 (l. 一 内丫|/ 叮 斤日队 式中:t 为电动机运行时间; 几 为额定电流; 几 为电 动机热积累定值，可整定， 表示电 动机的过热能力。 为实现发热模型的热积累特性，可将上式改写为: 二 一 : 令 )2 一 ，“ ，” “ ( 2 一 8 ) 式中:h为电动机的热积累值，表示电动机的过热程度; 夕为相邻两次热积累计算的时间间隔。 当热积累值为0 h 几 时， 表示电 动机由 于过负荷运行而有一定的 热积累， 但 还未达到使保护动作的程度，如此时过负载消除，则应考虑模拟电动机的热发散。 过负荷保护是采用积累的热量按指数规律衰减的模型来模拟热散发: 万 ， = 价一 1， 2( 2 一 9 ) 式中:h为过负荷消除时的热积累值; 几 为电 动机热发散时间常 数， 可整定， 反映电 动机散热的快慢程度; h 为经t 时间衰减后剩余的热积累值。 当热积累值达到告警的热积累定值时，发过热报警信号并保持: 低于告警的热 积累定值时，自行复位;当热积累达到 1 0 0%的热积累定值时，跳闸出口。 当电动机停止时，散热效果变差，为了补偿这种情况，获得精确的发热模型， 散热速度自 动降为正常散热速度的1 /3。 电动机因过热保护动作于跳闸后， 不能立即起动， 要等到电动机散热到允许起 动的温度时才能起动。需要紧急起动的情况下， 通过复位键，强制将电动机发热模 型恢复至冷态，电动机可起动。 过负荷保护反映定子绕组的平均发热状况，防止电动机过热， 主要保护电动机 l 2 华北电力大学硕士学位论文 的过负荷及不对称过负荷。 该保护在电动机起动完毕后自 动投入。由程序选择跳闸或告警， 看过负荷的量 的大小。 从以上所介绍的短路保护、 堵转保护、 过负荷保护及起动时间过长保护的保护 原理不难看到这几项保护之间的配合关系:tlsl ( 1)电动机在起动过程中，两段式过电流保护中的速断保护是电动机起动过程 相间短路的主保护， 起动时间过长保护为其后备保护，用于对电动机因长时间过电 流起动造成过热损坏的保护。 ( 2)电动机在起动过程结束后的运行过程中，运行过程短路保护、堵转保护、 过负荷保护三者间的配合关系如图2 一 1 所示。 运行过程短路保护为无时限电流速断 保护，是电动机相间短路的主保护; 堵转保护为定时限过电流保护，是电动机转子 卡死或低速运转的主保护， 相间短路的后备保护; 过负荷保护为反时限过电流保护， 是电动机定子绕组过流发热的主保护， 相间短路及转子堵转的后备保护。 这种配合 关系更加符合电 动机的实际 过电 流特性， 而且， 在额定电 流几 和短路 保护定值之间 的过电流保护，由于采用了相互独立的过负荷保护和堵转保护来实现，从而就克服 了以 往应用由 感应型继电器构成的过负荷保护所存在的，当过电流倍数不大时，继 电器动作时限不够长，而不能充分利用电 动机的过负荷能力的不足。 速断保护 公却号。日; 玩i 山l d 图2 一 1电动机速断保护、堵转保护、过负荷保护的配合关系 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 . 6 反时限过电流保护 在电动机起动过程中， 反时限过流定值自 动升为整定电流的整定倍数躲过电动 机的起动电流:当电动机起动结束后，保护定值恢复整定电流值。这样可以有效地 防止起动过程中因起动电流过大而引起误动。 保护由控制字 ( 分别由0 、1 、 2 表示) 选取曲线。 根据 d l / t 7 4 4 一2001微机型电动机保护装置通用技术条件 、 dl / t 8 2 3 一 2 0 0 2 微机型反时限电流保护通用技术条件的规定， 本装置可以任意选择如下所 示的三种反时限特性曲线: 一般反时限特性 0 . 1 4 非常反时限特性 一 切 ， 分 一石范 了 1 35 一 伽不 万 ， 极端反时限特性 ! 斌粉 式中:几 为电 流基准值 ( 整定电流) ; 东 为时间常数; 1 为故障电流; t 为动作时间。 一般情况下，采用其标准反时限特性方程中的极端反时限特性方程 ( e x 七 r e lne i d m t ) 。 2 . 2 . 7两段式负序过电流保护 如果电动机三相电流不对称， 会出现较大的负序电流，而负序电流将在转子中 产生2 倍工频的电流，使转子附加发热大大增加，危及电动机的安全运行。 两段式负序过流保护，分别对电动机反相、断相、匝间短路以及较严重的电压 不对称等异常运行提供保护。1 段负序过流保护为负序速断保护，为不平衡保护的 主保护;h 段负序过流保护为不平衡保护的后备保护。h 段负序过流保护可由控 制字选择定时限延时和反时限延时。h段负序过流保护在反时限保护中只有跳闸; 在定时限保护中，由控制字选择跳闸或告警。 华北电力大学硕士学位论文 为了避免断路器合闸时三相不同步引起的保护误动，电动机负序过流保护延时 应不小于0 . 2 秒。 2 ， 2 . 7 . 11 段整定 在系统最小运行方式下电 动 机机端两相短路时， 最小的 短路电 流负序 分量班 焦 应使负序电 流保护1 段可靠地动作， 其灵敏度戈阴 至少为1 25， 按此原则得: 只 j _ 谧 _ 益 气1 2 5 ( 2 一 1 0 ) 本负序电流保护1 段的延时时间固定为 1 秒，以短延时躲开断路器跳、合闸及 其他暂态干扰出现的短时间的影响。 2 . 2 . 7 . 211段的整定计算 由于负序保护能反映像局部匝间短路之类的轻微故障， 对于电动机故障的早期 诊断具有很大优势. 但是由于实际供电电源总存在一定的不对称，即使在正常运行 时，电动机也会有一定的负序电流存在，负序保护整定必须躲过这一不平衡电流。 在电动机正常运行及起动过程中，允许三相电压之间有持续性的 5 % 以内的误 差， 此时 会出 现 较长时 间的负 序电 流几 ， 应 保证负 序电 流保 护第11段可 靠地 不动 作，为此: 踢 = (0.3 一 0. 4) 几( 2 一 1 1 ) 按上式整定的瑞躲不开断路器合闸 或者其他暂态干扰所出 现的短时间数值较 大的人 ， 但因为有长时限， 则能 保证11 段不误跳。 整定时间由 用户整定， 一般整定 为3秒。 22 . 8零序过电流保护 对于电动机所在的低电压电网，中性点一般不接地或经消弧线圈/ 电阻接地， 其定子单相接地主要由绝缘损坏引起， 其零序电流主要为电容电流。 保护用零序电 流应取自零序电流专用c t 。 本系 统配置 零 序互 感器 测 量零 序电 流3 几 。 零 序电 流3 10 输入除可 用作 零序 过流 保护，又可用作小电流接地选线的输入。 当单相接地短路电流大于 sa 时应装设零序电流型接地保护;两段零序过流保 护各带延时，均可作用于跳闸，其中零序 h段由控制字来投退。动作条件如下: 华北电力大学硕士学位论文 10= 凡x lor( 2 一 1 2 ) 几 ， 为 外部发生接地故障时流过保护安装点的电容电流。 当保护的时限很短时，取kk= 3 4. 当保护的时限很长时， 取凡二 2 一 3 。 当保护动作于信号时， 取凡=l. 5 一 2 . 当零序电流超过零序电流保护定值时，启动零序过流延时，当延时满足后发告 警或跳闸，告普或跳闸由控制字整定。 整定值应躲开外部发生接地故障时流过保护安装点的电容电流。 2 . 2 . 9磁平衡差动保护 磁平衡差动保护主要用于2 0 o okw 及以上或z o o okw以下但电流速断保护灵敏度 不够的电动机，作电动机相间短路或匝间短路的主保护。磁平衡差动保护配有专用 磁平衡互感器。 在电动机启动过程中， 增加延时1 2 o m s 保护出口 或控制退出本程序， 以躲过电动机启动过程中瞬时暂态峰值电流，提高保护可靠性。 ， ， 差动电流定值:按躲开正常运行时最大不平衡差流整定。 2 . 2 . 10低电压保护 当电源电压由于某种原因降低到额定电压的 85% 及以下时，保证电动机的电源 不被接通的措施，叫做电动机的欠压保护。 采取这种保护措施， 可以保证电动机在 电源电压过低时自动退出运行。 电动机的转矩和定子电流与电压密切相关。当电源电压上下波动时，电动机的 电磁转矩和定子电流也相应发生变化。与过电压相比，电动机欠压运行危害更大。 当电动机的负载一定时，电网电压降低，将使定子电流显著增大，而电动机的电磁 转矩与电压的平方成正比的下降，结果电动机的转速降低， 温升增高， 严重时电动 机停转而发生堵转短路事故。 如果电网电压暂时中断，随后又自 行恢复， 则电动机 停机后又会自 行起动， 这对正在检查电动机故障的人员构成人身威胁; 如果电动机 的起动转矩较小，不能直接带负载自 起动，则可能继续处于堵转或低速爬行状态， 同样电动机将承受大起动电流的作用而过热甚至烧毁。 因此， 电动机应有欠压保护， 以 保证一旦发生欠压故障它就能够自 行脱离电源。lel 电动机欠压保护的整定原则是: 151 华北电力大学硕士学位论文 ( 1)当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，为保证重要电动机自起动而 需要断开的次要电动机，应装设欠压保护。起动作电压一般可按下式整定: 吸一 丝 一竺 竺 卫 兰( 动 作 时 限 一 般 取 0. 5 5 ) 愉 (2一 1 3 ) 式中:认为电 源 额定电 压: 勺为电 压 互感器 变比 。 ( 2)当电源电压短时降低或短时中断后，根据生产工艺过程，不允许或不需要 自起动的电动机，装设欠压保护，其动作电压可按下式整定: 叽二 些 二上 卫 互 乡 竺( 动 作 时 限 一 般 取 0.5 一 1 .5 5 ) nys ( 2 一 1 4 ) ( 3)对于需要自起动，但为保证人身和设备安全，在电源电压长时间消失后， 须从电网中自动断开的电动机，应装设欠压保护。其动作电压可按下式整定: 叽= 玉 坚 .二 卫 且 竺( 动 作 时 限 一 般 取 5 一 1 0 5 ) 与 ( 2 一 1 5 ) 为了保证电动机的欠压保护安全运行， 避免由于出现某些异常情况而使保护误 动作，对欠压保护有以下要求: ( 1)电压互感器一、二次侧发生各种断线故障时，保护不应误动作，而应发出 断线信号。但在断线故障期间，如果母线确实失去电压或电压下降到整定值，保护 应能正确动作。 ( 2)当电压互感器一次侧隔离开关或隔离触头因误操作而被断开时，保护不应 误动作，但应发出信号。 2 . 2 . 11 过电压保护 当电动机与架空线直接相连时， 此，对直接与架空线路相连的电动机 线路上传来的雷电波将威胁电动机的绝缘.因 ，应采取适当的过电压保护措施. 由于电动机绕组的绝缘材料都是固体介质，所以，在电动机的运行中， 绕组绝 缘容易受潮和污秽物质的侵蚀。同时，绕组绝缘也经受机械力的作用， 特别是在导 线出槽处，由于电场极不均匀，在过电压作用下，导线受到磨损，时间一久，可能 发生绝缘击穿事故。【 lel 华北电力大学硕士学位论文 任一相电压大于过电压保护定值，时间超过整定时间，过电压保护动作。 2 . 2 . 12 异步电动机的断条保护117 ll 8 鼠笼转子一般比较坚固，不易损坏.但是，如果铸铝或铸铜笼质量不佳、制造 工艺粗糙或设计不合理， 运行起动频繁， 操作不当， 急促的正反转造成剧烈的冲击， 则可能发生转子断条故障。 断条是笼型电动机常见故障。 如果只有一二根断条，暂时无明显影响;如果断 条严重，将出现以下现象: ( 1)带负载运行时，三相电流表指针周期性摆动; ( 2)起动转矩降低。若停止运行后再次送电，转子左右摆动，电动机不能起动 运转。 ( 3)满载时转速降低，转子过热，温升增高 ( 4)满载时机身剧烈振动，并有较大杂音 ( 5)起动时从通风道飞出火星。 笼形异步电 动机发生断条故障 后， 在其定子电 流中出 现( 1 土 2 5 ) 石 频率的附 加 电流分量 (s为转差率，关 为供电 频率) ，可将其作为转子故障特征。 在转子断条故障发展初期， 其故障 特征 一定子电 流(l 士 25 以频率分量是细小、 微弱的。因此，进行转子断条故障检测， 特别是早期检测必须保证高灵敏度。另一 方面，由于本身所固有的非对称、气隙偏心、转子不对中及其他因素，异步电动机 即 使 处 于正 常运行 状 态， 其定子电 流中 亦可能 包 含0 士 2 5) 沂 及其他频 率 分量。 并 且 对不同的异步电动机，情况不同。 笼型异步电动机转子断条故障检测方法的基本思路如下: (l ) 采集一相定子电流瞬时信号，记为礼 ; (2 ) 对心 做连续 细化傅立叶 变换， 确定 其基波分量的 频率关 、 幅 值和初相角， 据 此形成噪声信号气; (3 ) 根据人 、气 对礼 做自 适应 滤波， 抵消其心 分量， 结 果记为 ; (4 ) 对et做连续细化傅立叶变换， 分析定子电流齿槽谐波分量以 估计电动机转 差率 5 ; (5)根据石 、 5 ， 在的 连 续细化 频 谱图 中 查 询(l 士 2 5) 五 边 频分量 信息， 确定当 前(i 士 2 5) 厂 边 频 分 量 与 五 分 量 幅 值 之 比 ra tio(、 绷、 加 打 代 i+ 2 仄 ， 华北电力大学硕士学位论文 (6 ) 若 处 于 样 本 学 习 阶 段 ， 则 将ratio(l 一 2 )， 、 ra ti o(l 、 ，)a存 储 于 样 本 数 据 库 : 若 处 于 故 障 检 测 阶 段， 则 根 据5自 整 定 检 测 定 值， 将阴 了 才代 卜 、 )犷 raiio( 、 25 ) 与 之 对 比 ， 检测转子断条故障。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电动机保护装置的硬件原理 3 . 1 电动机保护装置的硬件结构tl gll zq 【川 从功能上来划分，微机保护装置可以分为6 个部分: ( 1)模拟量输入系统 ( 或称数据采集系统) : ( 2 ) c p u 主系统; ( 3)开关量输入/ 输出回路: ( 4)人机接口回路; ( 5)通信回路 ( c an 总线) ; ( 6)供电电源回路. 图3 一 1微机保护硬件结构示意框图 模拟量输入系统的主要功能是采集由电流电压互感器输入的被保护设备的模 拟信号，并将此信号经适当的预处理，然后转换为所需得数字量。 cpu 主系统包括微处理器c pu， 程序存储器( f l a s hr明) ， 随机存取存储器( ram ) 及定时器 ( t i 配r) 等。c pu执行存放在f lashr om 中的程序，对由数据采集系统输 入至ram 区的原始数据进行分析处理， 完成各种继电保护的测量、 逻辑和控制功能。 开关量输入/ 输出回路由并行口、 光电祸合电路及有接点的中间继电器等组成， 以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部触点输入等工作。 人机接口部分主要包括显示、键盘、各种面板等，其主要功能用于人机对话， 华北电力大学硕士学位论文 如调试、定值调整、人对机器工作状态的千预等。人机接口应定时或在保护动作后 显示运行情况及保护执行结果，及相应的故障录波功能。一一 通信接口采用了基于现场总线的通信接口，可以和多台保护装置形成基于 以n 总线的电动机保护网络。 供电电源回路提供了整个装置所需的直流稳压电源，以保证对整个装置的可靠 供电。 3 . 2电动机保护装置 c p u的选取 如果用普通计算机中的cpu 来处理算法，做乘法和加法都要调用相应的乘法、 加法函数;如果是浮点数运算，通常c pu需要将浮点运算交给协处理器处理。虽然 协处理器的浮点运算速度可能很快; 但加上cpu 将输入参数传出，再将运算结果取 回的时间，会显得速度很慢;做循环时，要有循环变量，每次循环变量加 1 后再判 断是否己经循环了n 次，这一过程也是比较慢的。 而dsp 则在硬件设计上针对这类计算采取了一些独特的设计， 以求最快的运算 速度，以至于趋于模拟电路的延迟时间. dsp能在一个时钟周期内完成乘法和加法运算，并能并行地同时将下边运算要 用到的两个参数传入相应的数字寄存器。在乘法及乘/ 加指令的执行方式上，d sp 的小数乘法在算法上分定点算法d s p 和浮点算法dsp 。在定点类的d sp 中，小数点 的位置是固定的，不论定点的还是浮点的 dsp ，乘法器都是用硬件逻辑完成的，乘 法可以 在一个指令周期内完成。 在循环方面，d sp有诸如重复n 次或循环 n 次等指令，使dsp 能迅速完成n 次 循环， 而不必每次都检查是不是已经循环了n 次。 这就使d sp在做数字信号处理方 面的优势有独到之处，也是dsp 区别与c pu 的地方。 dsp 与c p u 在结构方面的另一个区别是， d sp往往采用哈佛结构， 而传统的c pu 多为冯. 诺曼结构。冯. 诺曼结构指的是将程序与数据统一编址，不区分存储器的程 序空间和数据空间;而哈佛结构是指将程序空间与数据空间分开编址，这样在 d sp 出路数据空间运算与数据传输的同时可以并行地从程序空间读取下一条指令。 d s p 在内核设计方面还有一个特点，是采用多重流水线结构。流水线结构的层 次深度可以从3 级到6 级。 程序的执行过程大致可分为读指令、指令译码、指令执 行 等 几 个 阶 段 。 【2:1 1:; :2。， 由于要研制的自 适应微机型电动机保护装置最大的输入信号为 10 路，设计的 华北电力大学硕士学位论文 每周期采样点数为 24 点，而且要求对每路采集信号进行多次乘除运算后送软件保 护模块， 这就要求cpu 有较高的运算速度. 同时为了保护整定值和故障数据的存储， cpu 上还应有大容量的f lashrom 和ram 。 并且对电动机保护还需要多路信号的开入 和信号的开出，这也要求c pu有较多的并行接口。为了提高电动机保护装置的灵敏 度，采用高精度的a/d 模块。 为实现多个保护设备的现场互连，系统有c an 总线接 口。综合以上因素，选用m otorola 公司生产的dsp ee ee 初 c 56f 8 3 6 7 作为自适应微机型 电 动 机保护装置的 主c pu。困 图3 一 zd s p内核框图 该芯片内核特点如下: ( 1)高效的16位5 6 8 0 0e家族控制器，采用双哈佛结构; ( 2)在6 o m h z 时钟频率下可达到60兆条指令的指令执行速度; ( 3)单指令周期可以完成 16位x l6位的并行乘一加运算: ( 4)数字和逻辑多位转换开关; ( 5)具有两个带扩展位的36位累加器; ( 6)支持位操作; ( 7)支持硬件 d o 和 rep 循环指令; 22 华北电力大学硕士学位论文 ( 8)具有 3 条内部地址总线和 1 条外部地址总线; (9) 具有 4 条内部数据总线和 1 条外部数据总线; ( 1 0)支持d s p 和m c u 两种功能风格的指令系统; ( 1 1)高效的c 编译器，支持局部变量; ( 12) 支持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器空间的大小; ( 13) jt解/0nce 程序调试接口，允许在系统设计过程中随时进行调试，并可对 软件进行实时调试。 该芯片内核主要由算术逻辑单元a lu、地址产生单元a g u 、程序控制单元pc、 总线和位操作单元、片上仿真单元o nce 和内部总线等几部分组成. 算术逻辑单元包括3 个 16位的输入寄存器xo、 yo 和yi， 2 个 32位的累加器a (a0 和a l) 和b( bo 和b i ) ，2 个 4 位的累加器扩展寄存器az 和 bz，1 个数据限 制器和 1 个并行的乘法累加单元mac 等部分。 地址产生单元包括4 个地址寄存器r o 一 r 3 、1 个堆栈指针寄存器sp、1 个偏址 寄存器n 、1 个调整寄存器m 01和 1 个模运算单元等部分。 程序控制单元包括 1 个循环地址寄存器la、1 个循环计数寄存器lc、1 个状态 寄存器sr、1 个操作方式寄存器明r 、1 个程序计数器pc、1 个硬件堆栈姗5 、1 个 指令解码器和 1 个中断控制单元等部分。 该芯片内核具有3 条内部地址总线x a bi、 x a bz和 队b ， 4 条内部数据总线c gdb 、 p d b 、p g d b 和x d b z ，分别对应内部的数据和程序存储器操作。其中，x a bi、x a bz、 cgdb和x d b z 对应数据存储器的操作，p ab 和p db 对应程序存储器的操作。由 于内 核采用双哈佛结构， 具有独立的程序和数据存储空间，每部分存储空间具有专用的 地址和数据总线，所以允许对程序和数据存储器并行操作。在 1 个指令周期内， 有 时可以并行地处理1 条指令和2 个内 部存储器数据的读操作。 当对外部存储器进行 操作时， 只有 1 条地址总线和 1 条数据总线， 此时不能进行并行操作， 并且只有xabi 和p g d b 可以对外部存储器进行操作。 位操作单元可以对数据存储器、寄存器中的内容进行位检测、置位、位清零或 是位翻转操作; onc e 片上仿真单元允许用户检查寄存器、 片上外设寄存器和存储器 的内容，在程序和数据存储器中设置断点，支持单步运行指令等。 芯片具有大容量的内部flash 和内部ram 存储器，对于一般的系统， 这些存储 空间已经足够.对于那些程序算法复杂，并且需要处理大量数据的应用，d sp 芯片 允许进行外部存储器扩展。并且支持三种工作模式:全部使用内部存储空间、全部 使用外部存储空间和同时使用两部分存储空间， 工作模式可以通过对相关寄存器的 华北电 力大学硕士学位论文